公路隧道照明對比顯示系數探討

翁 季，陳秀雯，黃 珂，張青文，胡英奎，許景峰，陳仲林

(1．重慶大學建筑城規學院，重慶400045;2．重慶市江北嘴中央商務區開發投資有限公司，重慶400024;3．西南科技大學土木工程與建筑學院，綿陽621010)

0 引言

國際照明委員會(CIE)于1990年推薦了《公路隧道和地下通道照明指南》，建議用入口段亮度折減系數k計算公路隧道入口段亮度值，即采用洞口外200視野內亮度L20(S)乘上k值計算出公路隧道入口段路面亮度值，這就是k值設計方法。我國JTJ026．1—1999《公路隧道通風照明設計規范》中，也遵循了k值設計方法，同時還規定了公路隧道k值設計方法中的主要參數不但有各隧道照明段的路面亮度指標，而且還有隧道兩側墻面2 m高范圍內的平均亮度不低于路面平均亮度和中間段路面亮度均勻度的規定，以及規定了燈具布置產生的閃爍頻率低于2．5 Hz或高于15 Hz的要求。由于公路隧道k值設計方法沒有考慮汽車通過隧道時駕駛員的生理、心理變化，與人眼視覺特性的差別，所以由該法確定的入口段路面亮度與隧道照明實際需要差別較大。

1 對比顯示系數

CIE于2004年推出了CIE88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》，提出了利用察覺對比法計算公路隧道入口段的路面亮度值。在行車時，如設前方目標的察覺亮度

式中:τws——汽車前擋風玻璃光透射比;

τatm——汽車前方1個停車距的近地大氣光透射比;

Lt——目標物表面反射光亮度，單位為cd/m2;

Latm——汽車前方1個停車距的近地大氣散射光亮度，單位為cd/m2;

Lws——汽車前擋風玻璃透射光亮度，單位為cd/m2;

Lseq——由駕駛員的眼睛掃視前方景物亮度產生的等效光幕亮度，單位為cd/m2。

而背景(路面)察覺亮度

式中Lb為背景反射光亮度，單位為cd/m2。

則駕駛員察覺到的目標物的察覺對比

由(3)式整理后得

式中C為亮度對比，并由下式算得

由于采用了參考目標物，它是一個立方體邊長為0．2 m、漫反射表面的光反射比為0．2的小目標，因此有

式中:ρ0——漫反射表面的小目標光反射比;

Ev——小目標中心點的垂直面上照度，單位為lx。

由(5)式和(6)式可算得

代入(4)式后得

如果設入口段路面亮度為Lth，則有

又當察覺對比為最小察覺對比Cm時，即有

則(8)式可寫成

(11)式即為CIE于2004年推薦的公路隧道照明察覺對比法的計算公路隧道入口段路面亮度的公式。

(11)式中對比顯示系數qc的大小不但直接影響公路隧道入口段亮度Lth的大小，而且也是公路隧道照明質量主要的評價指標之一。

2 對比顯示系數實驗

實驗于2010年8月在福建省高速公路隧道內封路后進行，測點布置方法參考CIE88—1990技術報告推薦的亮度測量點的規定，分成3行3列，共9個測點，測量了路面上的亮度Lb和正對行車方向小目標垂直面上的照度Ev。為了驗證公路隧道人工照明設計的合理性，同時還采用眼動儀測量駕駛員在行駛過程中發現小目標的反應時間，并與國家標準JTG D 20—2006《公路路線設計規范》中的停車視距作比較，如果測得的反應時間乘上勻速行駛的汽車速度的距離大于或等于規定值，則滿足安全停車的要求。

實驗用車選用了三菱君閣MPV商務車，受測駕駛員共8名，駕齡在4年以上，受測人的平均年齡30歲，身體健康，無色盲、色弱，矯正視力均在5．0以上，無心理疾病。

被測量隧道高7 m，寬7．2 m，分成超車道和行車道，測點布置在行車道上。從頭到尾安裝的基本照明燈具在行車道上方且距隧道軸線1．6 m，燈具安裝高度6．3 m，功率為70 W，燈距7．2 m，隧道基本照明燈具安裝示意圖見圖1。

圖1 隧道基本照明燈具安裝示意圖(長度單位/mm)

測量位置選擇了燈距的間距、懸挑和光源一致性等方面有代表性地段，入口1的位置是距離洞口30 m開始的一組燈具區域內，入口2的位置距離洞口80 m開始的一組燈具區域內，中間段選擇隧道內基本照明的一組燈具區域內。從測點距離洞口大于30 m和洞高7 m的情況來看，根據天然采光設計理論，在一般情況下，這些測量位置的天然光影響可以忽略不計。

2．1 基本照明時對比顯示系數實驗

各個隧道基本照明燈具在測點處產生路面亮度、小目標垂直上照度值及對比顯示系數計算值見表1。

表1 不同情況時隧道內各測點處路面亮度Lb(cd/m2)、垂直面上照度Ev(lx)和對比顯示系數qc

從表1中可以看出，在基本照明的條件下，如果隧道照明僅采用與圖1所示的燈具布置相似的單側布燈照明方式時，并且采用同一種配光的燈具時，對比顯示系數在0．23左右。這是由于這幾個公路隧道照明設計是由同一家單位完成的，所以隧道內部裝修和燈具選擇等方面大致相同，即隧道內光的多次反射影響差別不大，因此由實測值計算得到的對比顯示系數值較為接近。

為了驗證如圖1所示的隧道照明設計的合理性，于2010年8月19日早晨7點30分對隧道1的照明工況為基本照明(整個隧道僅開啟基本照明燈具)時進行安全停車視距實驗:實驗用汽車以80 km/h均速行駛，用眼動儀記錄發現前方小目標的行駛時間，于是可算得發現小目標的發現距離，并與國標規定值作比較。當時天氣晴間多云，距洞口100 m處20°圓錐角視野范圍內看不到天空，洞門形式為淺色端墻式，洞頂采用深色植被綠化，部分邊坡裸露，接近段鋪裝瀝青路面，由灰板亮度分析確定L20(S)為100 cd/m2，環境亮度不大，小目標發現距離測量值見表2。

從表2中可以看出，當時該隧道僅開啟基本照明燈就可以了，因為發現距離110 m已經滿足國標規定的安全停車視距，這樣就能在保證交通安全條件下，節約能源。

2．2 入口段照明時對比顯示系數實驗

對比顯示系數與照明方式、燈具安裝位置及燈具配光曲線，以及光在隧道內多次反射特性等有關，即與光通量空間相對分布有關，而與使用的光源功率大小關系不大，入口1和2燈具安裝示意圖見圖2、圖3。

圖2 1號隧道入口1燈具安裝示意圖(長度/mm)

圖3 1號隧道入口2燈具安裝示意圖(長度/mm)

從圖2中可以看出，7．2 m隧道長度范圍內，入口1的光源功率為1 750 W加上720 W，總共為2 470 W。而從圖3中同樣可以看出，在7．2 m隧道長度范圍內，入口2的光源功率為900 W加上320 W，總共為1 220 W。入口1光源功率為入口2的1倍以上，但對比顯示系數值接近相等，1號隧道入口1和2的對比顯示系數計算值見表3。

當與基本照明一樣采用單側照明時，在兩盞70 W基本照明燈具之間均勻地增加2盞250 W加強照明燈，由于光的分布發生了改變，所以對比顯示系數增大了70%左右，即由原來0．23左右增大到0．39。相應的1號隧道入口2的第2種布燈的燈具安裝示意圖見圖4，對比顯示系數計算值見表3。

圖4 1號隧道入口2第2種布燈的燈具安裝示意圖(長度/mm)

表3 1號隧道內入口段各測點處路面亮度Lb(cd/m2)、垂直面上照度Ev(lx)和對比顯示系數qc

由表3分析得出，隧道長為7．2 m的入口1的光源功率是入口2的1倍以上，在行車方向左側是大功率的加強照明燈，在行車方向右側安裝了3盞燈，兩者的燈具安裝位置相似，但是光源功率不同。因此，兩者在路面上形成的亮度和小目標垂直面上產生的照度幾乎相差1倍左右，即入口1與入口2的Lb和Ev均是前者比后者大1倍左右，所以他們之比值qc為0．38 和 0．39，接近相等。

從圖1、圖4和表1、表3中可以看出，雖然隧道基本照明燈具與入口2的第二種布燈的燈具均是采用單側照明方式，但是對比顯示系數的計算值差別較大，由此看來，對比顯示系數值大小不但與照明方式有關，而且還與燈具間距、光源功率和燈具位置等有關。總之，對比顯示系數與隧道內光的空間相對分布有關。

3 小結

隨著國內外對人眼視覺科學研究的發展和對隧道照明理論深入研究，CIE于2004年提出了采用察覺對比方法進行隧道照明設計，2010年CIE又提出了將基于察覺對比法的對比顯示系數作為隧道照明質量的評價指標之一。

在CIE 2004年《公路隧道和地下通道照明指南》中提出，對比顯示系數與隧道照明方式有關，在對稱照明方式時對比顯示系數值為0．2，逆光照明時為0．6。從實際隧道路面給定區域測點處的路面亮度和小目標垂直面上照度的比值分析表明，對比顯示系數不但與隧道照明方式有關，而且還與燈具間距和掛高、光源功率、燈具配光、隧道內裝飾產生的多次反射等有關。總之，對比顯示系數與隧道內光的照射方向、相對大小有關，即與隧道內光的相對分布有關。

［1］ CIE Technical Report．88-1990．Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［S］．1990

［2］ JTJ 026．1—1999中華人民共和國行業標準．公路隧道通風照明設計規范［S］．北京:人民交通出版社，2000

［3］ CIE Technical Report．88-2004．Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［S］．2004

［4］ 張青文，涂耘，胡英奎，翁季，陳建中，黃珂．基于生理和心理效應的公路隧道入口段照明質量檢測方法［J］．照明工程學報，2012，23(2):8 ～14

［5］ JTG D 20—2006公路路線設計規范［S］．北京:人民交通出版社，2006

［6］ CIE Technical Report．189-2010．Calculation of Tunnel Lighting Quality Criterion［S］．2010