公路隧道照明設計中DIALux的適用性及建模方法分析

張善偉

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

引言

DIALux是一款由德國軟件公司開發(fā)的專業(yè)照明計算機輔助設計軟件，它擁有最為廣泛的燈具廠家支持，免費燈具庫已涵蓋了飛利浦、GE、OSRAM、雷士、歐普、亞明等當今世界各地主要照明廠商的完整產品型錄[1]。依靠其準確快速的計算能力、全面多樣的報表輸出形式以及完全免費的軟件策略，DIALux已成為照明設計領域應用最廣泛的輔助設計軟件之一，大大提高了照明設計的效率與準確度。因此，越來越多的隧道照明設計人員也開始利用該軟件開展照明設計工作。

由于不同行業(yè)有不同的照明標準，而且亮度等照明物理量又帶有一定的主觀性，因此不同的照明場景往往需要完全不同的照明算法[2]。為滿足不同行業(yè)、不同用戶的照明計算需求，DIALux設計了“室內場景”、“戶外場景”以及“標準街道”三種照明模塊[3]，其分別內置了室內計算器、戶外計算器以及道路計算器三種不同類型的照明計算器(照明算法)。

由于DIALux并不是一款專門的隧道照明設計軟件，其用戶手冊也沒有明確說明它是否適用于隧道照明，因此不加分析的利用DIALux開展隧道照明輔助設計帶有一定的風險性。而且通過筆者調研發(fā)現(xiàn)，由于DIALux未提供公路隧道照明計算的使用指導，因而造成不同的設計人員往往“隨意”的選擇DIALux三種內置計算器中的一種展開隧道照明設計，從而造成軟件使用上的混亂。

針對DIALux應用于隧道照明設計時所存在的上述矛盾與問題，本文做了以下三方面工作：首先，著重分析了DIALux內置道路計算器的算法，探討了其對于隧道照明設計的適用性；其次，簡要分析了DIALux內置室內計算器及戶外計算器的算法，探討了這兩種計算器對于隧道照明設計的適用性；最后，根據(jù)上述的分析結果，給出了利用DIALux進行隧道照明設計的一般建模方法。

1 道路計算器的適用性分析

由于公路隧道照明是在一般道路照明基礎上發(fā)展的，而且這兩者各自相應的規(guī)范中對照明評價指標的規(guī)定有一定相似性，因此道路計算器是DIALux三種內置計算器中最可能適用于隧道照明設計的[4]。

我國公路隧道照明所遵循的規(guī)范是《公路隧道通風照明設計規(guī)范》JTJ026.1—1999[5]，其采用亮度評價體系，即該規(guī)范規(guī)定的各項標準大多為亮度指標。由于DIALux道路計算器對亮度各項指標的計算皆嚴格按照《道路照明計算》CIE140—2000[6]進行，因此要判斷道路計算器是否適用于隧道照明設計，就需要分析JTJ026.1—1999與CIE140—2000對亮度指標的定義及計算方法是否都相同。

經查閱規(guī)范可知，JTJ026.1—1999對隧道照明系統(tǒng)的亮度評價標準主要包括隧道路面平均亮度、亮度總均勻度和中線亮度縱向均勻度等，這些亮度指標的定義分別同CIE140—2000中的路面平均亮度、路面亮度均勻度和縱向均勻度對應相同，因此兩套規(guī)范對亮度指標的定義相同。

由于上述亮度指標的定義中均包含“亮度值”，因此JTJ026.1—1999與CIE140—2000對亮度指標的計算方法是否相同，關鍵取決于兩套規(guī)范對亮度值的計算方法是否相同。

為了計算亮度值，JTJ026.1—1999條文4.11.3參照CIE140—2000引入了亮度系數(shù)q的概念，其為路面上某點亮度和該點水平照度之比。因此JTJ026.1—1999與CIE140—2000的亮度公式皆為：

L=q(β，γ)E(c，γ)

(1)

其中L為路面某點的亮度值，E(c，γ)為水平照度，q(β，γ)為亮度系數(shù)，β為光的入射平面和觀察平面之間的角度，γ為入射光的垂直角，c為入射光的水平角。

由式(1)可知，在該亮度算法下亮度值是由水平照度E和亮度系數(shù)q共同決定的。由于照度值E具有客觀唯一性，因此要比較兩套規(guī)范的亮度算法是否相同，就要比較兩者對亮度系數(shù)q的計算是否相同。

由亮度系數(shù)q的定義可知，q取決于觀察點的位置和路面材料。

對于觀察點的位置，JTJ026.1—1999給出的定義為“視點縱向距離取距計算區(qū)域60m～160m，側向距離取1/4路面寬，視點高為1.5m”。而在CIE140—2000中，觀察點總是“位于每條道路中心、評估區(qū)域前60m處，且距地面1.5m”。可見兩套規(guī)范對觀察點的定義是相容的(JTJ026.1—1999給出的范圍更寬泛)。

對于路面材料，為了考慮路面材料對亮度計算結果的影響，JTJ026.1—1999參照CIE140—2000，在亮度計算中引入了簡化亮度系數(shù)r(β，γ)，通過r可以直接推導出亮度與光強的關系。此時兩套規(guī)范的亮度算法可變形為：

(2)

其中，r(β，γ)為簡化亮度系數(shù)，I(c，γ)為燈具指向c、γ所確定的方向上的光強，H為燈具高度。

由于目前國內尚沒有自己的路面亮度系數(shù)，所以在JTJ026.1—1999中引用了國際照明委員會(CIE)和道路代表大會國際常設委員會(PIARC)共同推薦的簡化亮度系數(shù)表，而CIE140—2000也采用了此表，所以兩套規(guī)范的r(β，γ)表相同。

由于觀察點的定義相容，所以對于同一個點，其在兩套規(guī)范中的c、γ、β角度分別對應相同；又因為r(β，γ)表相同，因此對于同一個點，其在兩套規(guī)范中的r(β，γ)值也對應相等。

由于I(c，γ)與H具有客觀唯一性，且由上述討論可知，對于同一個點，其在兩套規(guī)范中的r(β，γ)值也相等。因此由式(2)可知，由兩套規(guī)范計算出的同一個點的L相等的，也即兩套規(guī)范的亮度算法完全相同。

由上述分析可知，JTJ026.1—1999與CIE140—2000對亮度指標的定義及計算方法均相同，這說明DIALux道路計算器輸出的各項路面亮度評價指標完全符合我國隧道照明設計規(guī)范JTJ026.1—1999的規(guī)定，因此DIALux道路計算器完全適用于我國的隧道照明設計。

2 室內計算器及戶外計算器的適用性分析

由于DIALux室內計算器可以輸出一系列亮度指標，包括平均亮度、最小亮度及最大亮度等，加之在“室內場景”模塊下軟件對具有規(guī)則斷面的隧道模型的建模方法比較簡單，因此許多設計人員往往習慣使用“室內場景”的室內計算器進行隧道照明設計。

由軟件用戶手冊可知，室內計算器輸出的亮度值是計算統(tǒng)一眩光值(UGR)的中間結果。

(3)

式(3)為UGR的計算公式，室內計算器輸出的亮度值正是該公式中的Lb，也即背景亮度。Lb的計算公式為：

(4)

其中，ρ為背景的平均反射率，Ev為背景垂直照度。

經對比可知，式(2)與式(4)明顯不同，這說明室內計算器的亮度算法不符合JTJ026.1—1999的規(guī)定，因此室內計算器并不適用于進行隧道照明設計。

DIALux的戶外計算器同樣可以輸出空間的一系列亮度指標，包括平均亮度、最小亮度及最大亮度等，因此也有許多設計人員習慣使用該計算器進行隧道照明設計。

由軟件用戶手冊可知，戶外計算器輸出的亮度值是計算眩光值(GR)的中間結果。

(5)

式(5)為GR的計算公式，戶外計算器輸出的亮度值正是該公式中的Lve，也即環(huán)境光幕亮度。Lve的計算公式為：

(6)

其中，ρ為平均反射率，Ehav為場地的平均水平照度。

經對比可知，式(2)與式(6)明顯不同，這說明戶外計算器的亮度算法也不符合JTJ026.1—1999的規(guī)定，因此戶外計算器也不適用于進行隧道照明設計。

3 利用道路計算器進行公路隧道照明計算的一般步驟

由前述分析可知，道路計算器是DIALux三種內置計算器中最適合于進行隧道照明計算的。但由于道路計算器默認的使用場景為“標準街道”模塊，而在該場景模塊下用戶無法建立隧道幾何模型(也無法自由建立除公路模型以外的其他任何幾何模型)，因此這大大限制了道路計算器在隧道照明中的應用，許多隧道照明設計人員“無奈”的選擇了 “室內場景”或“戶外場景”對應的室內計算器或戶外計算器進行隧道照明設計，從而導致了計算結果的不恰當性和一定程度的混亂。

但經過對軟件的深入研究發(fā)現(xiàn)，為滿足用戶在其他場景模塊下進行道路照明計算的需要，DIALux從4.2版本起已經新增了一個“戶外場景”用的計算面：“街道評估區(qū)”，它可為一個觀察員點計算車道的亮度分配，是一個標準的道路計算器。街道評估區(qū)突破了道路計算器只能應用于“標準街道”場景的限制，為利用DIALux開展隧道照明計算創(chuàng)造了條件。

因此，采用DIALux進行公路隧道照明計算的基本思路為：利用在DIALux “戶外場景”模塊下可以任意建模的特性建立隧道幾何模型，然后在隧道幾何模型上添加街道評估區(qū)，從而實現(xiàn)利用道路計算器計算隧道照明各項指標的功能。

3.1 建立隧道幾何模型

對于斷面為非規(guī)則圖形的公路隧道，利用DIALux標準組件建模存在一定的困難，而且操作復雜。由于DIALux具有導入.sat格式文件的接口，因此用戶可以首先通過專業(yè)的幾何建模軟件建立隧道幾何模型，然后將建立好的模型以.sat格式導入到DIALux即可。本文簡單介紹利用AUTOCAD進行公路隧道三維建模的方法。

AUTOCAD除具有優(yōu)秀的二維建模能力外，還具有一定的三維建模功能，特別是通過“拉伸實體(EXTRUDE)”操作可以很容易的將一幅二維斷面圖拉伸成三維圖形。利用這種方法，可以快速的通過隧道的二維橫斷面拉伸獲得其三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 隧道三維幾何模型Fig.1 3D model of the tunnel

將該隧道三維模型以.sat格式輸出，并通過DIALux的導入功能將其導入到軟件中。至此，便可以在DIALux的組件庫中直接拖拽剛剛建立好的隧道模型以供計算使用。

3.2 建立隧道照明計算模型

在DIALux中建立“戶外場景”模塊，在其“對象”標簽下通過“室外場景元素”添加地面組件，通過“家具”添加之前建立的隧道幾何模型組件，通過“計算面積”添加街道評估區(qū)域。合理調整三套組件之間的相對距離，使隧道組件置于地面組件上表面，街道評估區(qū)域位于隧道組件內部，如圖2所示。

圖2 地面組件、隧道組件、街道評估區(qū)域的相對位置Fig.2 The relative position of the gound component， the tunnel component and the road evaluation area

然后根據(jù)隧道實際情況，合理設置各個組件的參數(shù)。

3.3 照明設計及結果輸出

經過上述兩步建立起公路隧道的計算模型后，便可以開始選擇并布置燈具，從而進行具體的隧道照明計算。計算完成后，可在DIALux的報表中查詢詳細的照明計算結果，并根據(jù)此計算結果重新調整燈具設計，從而形成一個不斷反饋的設計過程，最終達到優(yōu)化設計的目的。

以某隧道照明項目為例，該隧道行車速度為80km/h，洞口亮度取值為3750cd/m2，JTJ026.1—1999中規(guī)定的亮度指標如表1所示。

表1 隧道亮度指標規(guī)范值Table 1 The standard luminance of the tunnel

首先，根據(jù)設計經驗羅列出由不同燈具配光曲線、燈具安裝角度及安裝間距等組成的多組照明設計方案；其次，利用DIALux對這些照明方案的效果進行反復計算驗證；最后，根據(jù)計算結果不斷微調各個方案的細節(jié)，最終找到一組效果最佳的方案。其效果如表2所示。

表2 隧道亮度指標設計值Table 2 The design luminance of the tunnel

由設計結果可見，最終照明方案的各項指標均“恰好”符合規(guī)范要求。這不但能夠保證隧道照明的安全性，還能最大程度的節(jié)約能源。

該項目按照設計方案完成施工后，將其交工驗收實測的相關照度值按JTJ026.1—1999條文4.1.5.2中推薦的亮度/照度換算關系進行換算后，可得實測亮度值，如表3所示。

由表3可見，實測數(shù)據(jù)與設計值的誤差在工程可接受范圍內，且實測數(shù)據(jù)皆符合規(guī)范要求。因此，該隧道的照明系統(tǒng)順利通過了相關單位的驗收，并取得了不錯的運營效果。

表3 隧道亮度指標實測值Table 3 The measured luminance of the tunnel

通過優(yōu)化設計確定最終的照明方案后，還可以利用DIALux強大的輸出功能生成多種多樣、形象具體的照明仿真結果，以供撰寫設計方案及進行方案匯報使用。圖3為上述隧道項目最終照明設計方案的中間段偽色表現(xiàn)圖。

圖3 隧道中間段照明偽色表現(xiàn)圖Fig.3 The pseudo-color map of the middle of the tunnel

利用DIALux 進行燈具選擇、布置以及計算結果輸出等涉及到多步操作，在此不再贅述，具體細節(jié)請參見DIALux用戶手冊。

4 總結

通過對DIALux內置計算器算法的分析可知，道路計算器完全適用于我國公路隧道照明設計，因為該計算器對亮度指標的定義和算法均符合JTJ026.1—1999的規(guī)定；然而，由于戶外計算器及室內計算器對亮度值的算法并不符合JTJ026.1—1999的規(guī)定，故這兩種計算器皆不適用于進行隧道照明輔助設計，這點在使用DIALux時要格外注意。

由于在DIALux“標準街道”模塊下無法自由建立隧道幾何模型，因此造成許多隧道照明設計人員“無奈”的選用室內計算器和戶外計算器進行照明計算，從而導致了軟件使用上的混亂及計算結果的不恰當。本文通過將“街道評估區(qū)”與“戶外場景”模塊相結合的方法，找到了一種利用道路計算器進行隧道照明計算的建模方法，可供廣大設計人員參考使用。

利用DIALux進行隧道照明設計，能精確、具體的選擇燈具的種類、安裝角度及安裝間距等，可以使所設計的照明系統(tǒng)“恰好”符合規(guī)范要求，從而達到節(jié)能的目的。此外，DIALux還具有豐富的結果表達形式，可以輸出多種形式的效果圖，利于設計成果的匯報及展示，使設計方案更具說服力。

[1] 李翊君. DIALux軟件在道路照明設計中的應用[J]. 城市道橋與防洪，2013，2：99-101.

[2] 鄒吉平，李麗，解全花，等. 重視道路和隧道照明中亮度與照度的關系[J]. 照明工程學報，2009，20：39-45.

[3] DIALux公司.DIALux4.9中文使用手冊[M].

[4] 王志偉. 公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能技術研究[D]. 南昌：華東交通大學， 2010.

[5] JTJ026.1—1999公路隧道通風照明設計規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社， 2000.

[6] CIE.CIE140—2000 RoadLighting Calculation[S]. Vienna： Commission Internationale De Léclairage， 2000．