察覺對(duì)比設(shè)計(jì)方法下對(duì)比顯示系數(shù)研究綜述

蔡賢云，翁 季，杜 峰，張青文

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

我國(guó)高速公路隧道建設(shè)的數(shù)量與通行里程快速增加，在未來一段時(shí)間內(nèi)，公路隧道將以每年300 公里的速度增加。為滿足行車過程中安全、舒適、節(jié)能的要求，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道照明設(shè)計(jì)做了大量研究工作。

在確定隧道入口段亮度時(shí)，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)在CIE 88—1990 Guide for the lighting of road tunnels and underpasses 中建議采用k(折減系數(shù))值法來計(jì)算隧道入口段的亮度值Lth，并在附錄1 和附錄2分別介紹了主觀評(píng)價(jià)法SRN 和基于等效光幕亮度理論來確定隧道入口段亮度的方法。2004年vCIE 發(fā)布的CIE 88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》中，提出了利用察覺對(duì)比法計(jì)算公路隧道入口段路面亮度值的方法，該方法綜合考慮了光在空氣中的散射、汽車擋風(fēng)玻璃的影響以及光源散射等實(shí)際情況，該亮度值Lth可通過公式(1)算得:

交通運(yùn)輸部2014年v發(fā)布的最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JTG/T D70/2—01—2014 公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》中給出的入口段亮度計(jì)算方法仍然是k值法。行業(yè)內(nèi)部分文章論述LED 燈的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于隧道照明中作節(jié)能照明研究，但是在確定入口段亮度時(shí)，依然采用k值法。對(duì)于k的合理取值，隧道照明工學(xué)歐洲D(zhuǎn).A.Schreuder 學(xué)派和日本成定康平學(xué)派提出的k值相差達(dá)5 倍之多，我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范將k 值取二者中間值也無十足的依據(jù)。k值法更為明顯的問題在于:該方法沒有考慮汽車通過隧道之時(shí)駕駛員的心理、生理變化和人眼視覺特性的差別，所以由k 值法確定的入口段亮度Lth與隧道照明實(shí)際需要差別較大。

雖然采用k 值法計(jì)算入口段亮度存在較大偏差，但是當(dāng)今隧道照明設(shè)計(jì)中運(yùn)用k 值法的情況依然大量存在。雖然全新的隧道照明設(shè)計(jì)理念察覺對(duì)比設(shè)計(jì)方法自CIE 88—2004 發(fā)布以來已有十年時(shí)間，但是對(duì)該方法的研究依然不足。因此，文章試圖理清察覺對(duì)比法的思路，并在此基礎(chǔ)上研究其重要參數(shù)對(duì)比顯示系數(shù)qc。

1 察覺對(duì)比設(shè)計(jì)方法

1.1 察覺對(duì)比法入口段亮度計(jì)算公式的物理意義

察覺對(duì)比的本質(zhì)是隧道入口段的照明能保證目標(biāo)的對(duì)比度不低于察覺對(duì)比。察覺對(duì)比與實(shí)驗(yàn)室得到的所需的對(duì)比度不同，察覺對(duì)比考慮了光在空氣中的散射、汽車擋風(fēng)玻璃的影響以及光源向眼睛的散射等實(shí)際因素。依據(jù)CIE 88—1990，入口段的亮度公式為

該公式表明了等效光幕亮度與目標(biāo)物亮度對(duì)比度之間的關(guān)系，同公式(2)一樣，可以尋求察覺對(duì)比法下入口段亮度計(jì)算公式(1)的物理意義。結(jié)合可見度的公式VL=ΔL/ΔLs，經(jīng)過公式推導(dǎo)可建立最小察覺對(duì)比與可見度之間的關(guān)系，如公式(3)所示。

結(jié)合公式(3)與公式(1)可將察覺對(duì)比法下的入口段公式改寫為

通過公式(4)即可建立可見度與察覺對(duì)比法入口段亮度公式之間的關(guān)系，此時(shí)分子中的Lm可以看做是等效光幕亮度，分母中的VL為可見度，C為亮度對(duì)比，當(dāng)研究了一系列的參數(shù)之后，僅需研究對(duì)比顯示系數(shù)與亮度之間的關(guān)系即可。

1.2 Lth計(jì)算公式中參數(shù)的研究

殷穎在《隧道入口段亮度計(jì)算方法比較研究》一文中，通過重慶市真武山隧道實(shí)測(cè)計(jì)算發(fā)現(xiàn)采用k 值法計(jì)算的入口段亮度最高，用SRN 主觀評(píng)價(jià)法得出的入口段亮度值跨度很大，由此得出察覺對(duì)比法最適合我國(guó)的隧道入口段亮度計(jì)算。《公路隧道照明設(shè)計(jì)新理念》一文，對(duì)CIE 88—2004 中給出的入口段亮度計(jì)算公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并指出只要能得到入口段亮度最小值，即可通過人眼適應(yīng)曲線的數(shù)學(xué)模型求得過渡段的亮度值，從而進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)。上述文章研究結(jié)果表明，察覺對(duì)比法更節(jié)能、更符合人眼的視覺特性。

在察覺對(duì)比法入口段亮度計(jì)算公式的相關(guān)參數(shù)研究上，重慶大學(xué)建筑光學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)不同款式的汽車實(shí)測(cè)了擋風(fēng)玻璃亮度及透射比。潘貝貝《公路隧道照明察覺對(duì)比設(shè)計(jì)方法中的大氣透射比取值初探》一文，在研究大氣透射比τ 相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，通過室外實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)CIE 88—2004 推薦的1.0 大氣透射比有失偏頗，并對(duì)大氣透射比作了修正。

在入口段計(jì)算公式中還有一個(gè)參數(shù)即最小察覺對(duì)比Cm，要搞清楚察覺對(duì)比法，應(yīng)該先了解清楚該參數(shù)的意義及最小察覺對(duì)比實(shí)驗(yàn)。依據(jù)CIE 61—1984 Tunnel entrance lighting:a survey of fundamentals for determing the luminance in the threshold zone 察覺對(duì)比度閾值即最小察覺對(duì)比是在某一亮度對(duì)比度情況下由觀測(cè)者對(duì)目標(biāo)的正確察覺率決定的。通常當(dāng)察覺率為75%時(shí)，認(rèn)為對(duì)應(yīng)的亮度對(duì)比度為該條件下的觀測(cè)者察覺閾值。殷穎《隧道入口段亮度計(jì)算方法研究》一文，以Schreuder 的隧道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，通過確定觀察者距離、目標(biāo)物尺寸、目標(biāo)物呈現(xiàn)時(shí)間等，得到了正負(fù)對(duì)比和不同背景亮度下察覺率為75%時(shí)的察覺對(duì)比度。關(guān)于最小察覺對(duì)比度CIE 88—2004 中推薦的值為0.28。

2 對(duì)比顯示系數(shù)

CIE 88—2004 給出了對(duì)比顯示系數(shù)的定義qc=Lb/Ev，其中Lb為給定區(qū)域的路面亮度，Ev為小目標(biāo)物面向行車方向的中點(diǎn)處的垂直照度。在CIE 189—2010 Calculation of tunnel lighting quality criteria中，除了將對(duì)比顯示系數(shù)作為公路隧道照明質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一外，還給出了路面亮度與小目標(biāo)物垂直照度的計(jì)算公式。

2.1 對(duì)比顯示系數(shù)與最低亮度閾值的關(guān)系

隧道照明中察覺對(duì)比法的核心思想是入口段的照明能夠保證目標(biāo)的對(duì)比度不低于察覺對(duì)比，對(duì)比道路照明，在美國(guó)道路照明國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)IESNA RP—8—00中頒布了小目標(biāo)可見度的標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)合可見度的公式VL=ΔL0/ΔLs，經(jīng)公式推導(dǎo)可建立最小察覺對(duì)比與小目標(biāo)可見度之間的關(guān)系，如公式(3)所示。

通過上式可將小目標(biāo)可見度VL、亮度對(duì)比C與最小察覺對(duì)比Cm之間建立關(guān)系。如公式(6)所示。

將可見度的概念運(yùn)用到隧道照明中，嘗試解決對(duì)比顯示系數(shù)的問題。在歐盟隧道照明標(biāo)準(zhǔn)CR 14380—2003 Lighting applications-tunnel lighting 中的附錄A4 部分，給出了最低亮度閾值(minimum luminance threshold)ΔLs與對(duì)比顯示系數(shù)qc的關(guān)系式，如公式(7)所示。

經(jīng)過變形之后可得到

在式(7)中，只要能夠確定最低亮度閾值(minimum luminance threshold)ΔLs即可確定該種情況下的對(duì)比顯示系數(shù)值。道路照明中關(guān)于最低亮度閾值ΔLs的研究已有很多。W·Adrian 在Visibility of targets:model for calculation 一文中，通過實(shí)驗(yàn)與分析給出了最低閾限亮度的原始公式，如公式(9)所示:

在《城區(qū)機(jī)動(dòng)車道路照明可見度研究》與《機(jī)動(dòng)車交通道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究》兩篇論文中，均對(duì)H·R·Blackwell 的“人眼閾限對(duì)比”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)合道路照明的現(xiàn)實(shí)情況，得到了不同視角條件和正對(duì)比與負(fù)對(duì)比狀態(tài)下，識(shí)別率為99.96%的最低亮度閾值公式。如依據(jù)《機(jī)動(dòng)車交通道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究》一文，當(dāng)視角α=7.45＇時(shí)P=99.96%識(shí)別幾率下閾限亮度ΔLs與背景亮度Lb之間的關(guān)系如公式(10)所示。

式中:Lb為目標(biāo)物的背景亮度;n為實(shí)驗(yàn)方法調(diào)整系數(shù)，當(dāng)Lb≥0.6 cd/m2，n=3.34;0.6 cd/m2＞Lb＞0.004 18 cd/m2，n=3.47。

但是上述研究方法主要運(yùn)用于道路照明的實(shí)際情況下，在研究中并未將路面的反射情況考慮在內(nèi)。而隧道內(nèi)墻面、路面存在多次反射的情況，因此將最低閾限亮度置于隧道內(nèi)考慮時(shí)，應(yīng)將最低閾限亮度公式結(jié)合隧道內(nèi)的反射增量系數(shù)進(jìn)行修正，方可進(jìn)一步的研究對(duì)比顯示系數(shù)qc。

2.2 對(duì)比顯示系數(shù)的影響因素

在《公路隧道照明對(duì)比顯示系數(shù)探討》一文中對(duì)基本照明與入口段照明下的對(duì)比顯示系數(shù)實(shí)驗(yàn)作了研究，通過對(duì)福建省高速公路隧道的實(shí)測(cè)，得到了相關(guān)的路面亮度與垂直照度值，并由此得到了與之相對(duì)應(yīng)的對(duì)比顯示系數(shù)值，最終發(fā)現(xiàn)對(duì)比顯示系數(shù)與隧道內(nèi)光的相對(duì)分布有關(guān)。即對(duì)比顯示系數(shù)與隧道照明方式、燈具間距、燈具掛高、光源功率、燈具配光、隧道內(nèi)的反射增量系數(shù)有關(guān)。

隧道照明方式包括順光照明、逆光照明與對(duì)稱照明三種形式，不同照明方式下的對(duì)比顯示系數(shù)取值不同，因此在研究三種不同照明方式時(shí)，可理解為是關(guān)于隧道內(nèi)燈具安裝轉(zhuǎn)角的研究。在研究隧道內(nèi)的反射增量系數(shù)時(shí)，除了要考慮不同界面(墻面、路面、頂棚)的反射比，還要考慮燈具光通在不同界面的分配情況，而燈具安裝仰角的角度范圍，就決定了光通在隧道內(nèi)路面、墻面和頂棚上的分配情況。林勇《基于等效光幕亮度的隧道照明研究》一文通過研究發(fā)現(xiàn)在逆光照明時(shí)，燈具安裝轉(zhuǎn)角為530時(shí)，qc值最大。楊韜通過1 ∶10 隧道照明模型來研究反射增量系數(shù)，并得到了不同光通分配比下的隧道照明反射增量系數(shù)。該隧道模型對(duì)筆者的對(duì)比顯示系數(shù)研究具有借鑒意義，但是，當(dāng)建立1 ∶10 的隧道模型時(shí)，對(duì)應(yīng)的光通量是否也應(yīng)該按比例縮小為原來的十分之一，值得進(jìn)一步探討。

2.3 對(duì)比顯示系數(shù)的計(jì)算機(jī)模擬與編程計(jì)算

現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)模擬軟件直接用于對(duì)比顯示系數(shù)研究并不理想，以DIAlux4.11 為例，選用中間段進(jìn)行模擬，此時(shí)選擇的燈具為雷士照明高壓鈉燈NAV 150 W，墻面反射比為0.3，路面反射比為0.14，頂棚反射比為0.05，經(jīng)模擬后得到的數(shù)據(jù)如圖1 所示。將路面反射比改為0.3，得到的數(shù)據(jù)如圖2 所示。從圖1 和圖2 中發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變界面的反射比之后模擬結(jié)果幾乎相同。在全面了解DIAlux 軟件與以DIAlux 軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬的相關(guān)文章之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反射比改變不大時(shí)，模擬結(jié)果幾乎沒有變化，當(dāng)界面反射比改變幅度較大時(shí)，模擬結(jié)果的變化也不大，因此可以發(fā)現(xiàn)該模擬軟件并沒有完全考慮反射增量系數(shù)的影響。同時(shí)，DIAlux 模擬，無法求得小目標(biāo)物垂直面中點(diǎn)處的照度值。

圖1 對(duì)比顯示系數(shù)計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值(路面反射比為0.14)

圖2 對(duì)比顯示系數(shù)計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值(路面反射比為0.3)

由此，考慮通過計(jì)算機(jī)編程來研究對(duì)比顯示系數(shù)。依據(jù)《基于等效光幕亮度的隧道照明研究》，調(diào)用通過編程得到的對(duì)比顯示系數(shù)qc計(jì)算軟件(如圖3 所示)。當(dāng)知道隧道的截面尺寸之后，就可以通過改變燈具的間距、掛高、反射增量系數(shù)、燈具安裝轉(zhuǎn)角、燈具安裝仰角、光通量、光源功率和燈具配光曲線，計(jì)算不同段的最佳對(duì)比顯示系數(shù)，當(dāng)對(duì)比顯示系數(shù)值一定，其燈具布置方式等也就能相應(yīng)確定。

圖3

在上述研究的基礎(chǔ)上，再通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行論證。

3 小 結(jié)

文章對(duì)察覺對(duì)比法的現(xiàn)有研究成果作了進(jìn)一步的論述，同時(shí)將道路照明中的相關(guān)內(nèi)容引申到隧道照明中來。在此基礎(chǔ)上，分析對(duì)比顯示系數(shù)的影響因素，并嘗試通過對(duì)比顯示系數(shù)計(jì)算軟件來定量研究隧道各段的qc值，在此基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)作進(jìn)一步的論證。

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