公路隧道照明察覺對比設(shè)計(jì)方法中的大氣透射比τatm取值研究

潘貝貝，翁 季

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院;山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

0 引言

隧道入口段是整條隧道的起點(diǎn)，入口段亮度是隧道照明設(shè)計(jì)的計(jì)算基礎(chǔ)，對于CIE 推薦的三種用于計(jì)算隧道入口段亮度的方法，即k值法、SRN 主觀評價(jià)法和察覺對比設(shè)計(jì)方法而言，察覺對比法最能真實(shí)反映駕駛員在接近隧道時(shí)的視看環(huán)境，以及全面地考慮影響駕駛員察覺能力的各種因素，目前最適用于隧道入口段亮度計(jì)算。

CIE 于2004年v推薦的利用察覺對比法計(jì)算公路隧道入口段亮度的公式為

式中:Cm——目標(biāo)物的最小察覺對比度;

ρo——漫反射表面的小目標(biāo)光反射比，取為0.20;

qc——對比顯示系數(shù)，即測點(diǎn)處的路面亮度Lb與小目標(biāo)中心點(diǎn)垂直面照度Ev的比值;

Latm(R)——汽車前方1 個(gè)停車距的近地面大氣散射光亮度，cd/m2;

τatm(R)——汽車前方1 個(gè)停車距的近地面大氣透射比;

Lws——汽車前擋風(fēng)玻璃透射光亮度，cd/m2;

τws——汽車前擋風(fēng)玻璃光透射比;

Lseq——由駕駛員眼睛掃視前方景物亮度產(chǎn)生的等效光幕亮度，cd/m2。

作為察覺對比公式中的一項(xiàng)重要參數(shù)，一個(gè)停車視距的近地面大氣透射比τatm(R)對隧道入口段亮度的計(jì)算結(jié)果有著重要影響，針對這一參數(shù)取值，CIE 88—2004 標(biāo)準(zhǔn)的建議值為1.0。然而，大氣透射比τatm屬于大氣光學(xué)物理量，其值會(huì)隨著大氣狀況、天氣條件、地理環(huán)境等因素的變化而變化。作者認(rèn)為，CIE所給出的τatm(R)推薦值1.0 雖然具有一定參考價(jià)值，但是這一取值的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性以及地域適宜性都值得商榷。因此，為了提高察覺對比方法在實(shí)際運(yùn)用中的普適性和精確性，針對一個(gè)停車視距的大氣透射比τatm(R)的合理取值進(jìn)行研究是極其必要的。

針對隧道照明設(shè)計(jì)來說，《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)曾對不同設(shè)計(jì)速度下的照明停車視距取值作出規(guī)定，若隧道照明的設(shè)計(jì)速度為80 km/h，其對應(yīng)的一個(gè)停車視距的長度不超過100 m。為了便于研究討論，文中的τatm(R)設(shè)定為汽車前方100 m 近地面水平傳輸路徑上的可見光大氣透射比，即τatm(0.1)。

1 大氣透射比τatm計(jì)算方法的確定

通過對相關(guān)理論的分析與總結(jié)，筆者將大氣透射比的現(xiàn)有測定方法歸納為四種，即能見度計(jì)算法、大氣輻射傳輸軟件計(jì)算法、透射式能見度直接測定法以及大氣視覺理論計(jì)算法。

1.1 能見度計(jì)算法

能見度計(jì)算法即利用散射式能見度儀測得的實(shí)時(shí)能見度數(shù)據(jù)，根據(jù)Koschmieder 定律得到大氣消光系數(shù)，再由Bouguer-Lamber 定律計(jì)算大氣透射比數(shù)值。這種方法在理論上是可行的，但是散射式能見度儀在研制開發(fā)階段，一般采用是Koschmieder 定律的修正公式，而此公式信息又無從得知，導(dǎo)致大氣消光系數(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)存在一定誤差，大大降低了這種計(jì)算方法在實(shí)際運(yùn)用中的可操作性。

1.2 大氣輻射傳輸軟件計(jì)算法

軟件計(jì)算法是利用國際上已建立的大氣光譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫，通過專業(yè)大氣傳輸軟件可實(shí)現(xiàn)對大氣透射比的高精度測量。這一方法雖然快速精確，但是需要設(shè)置大量的氣象參數(shù)，因大氣始終處于運(yùn)動(dòng)變化的狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)繁瑣復(fù)雜又很難測量，增加了這一方法的實(shí)施難度。而且這種方法專業(yè)性較強(qiáng)，最終產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分龐大，本研究畢竟不同于氣象觀測領(lǐng)域的專項(xiàng)研究，不需要如此精準(zhǔn)、龐雜的數(shù)據(jù)結(jié)果，因此該方法對本研究的適用性有待商榷。

1.3 透射式能見度儀直接測定法

透射式能見度儀是基于透射比定義研發(fā)的一種能見度測量儀器，即通過對基線方向上大氣透射比的直接測量獲得這一參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)Bouguer-Lamber 定律及Koschmieder 定律計(jì)算得到大氣能見度。該儀器可實(shí)現(xiàn)對一定路程的大氣透射比的實(shí)時(shí)測量，因而透射式能見度儀直接測定法是一種最為簡便、有效且最具說服力的測量方法。但是，該儀器造價(jià)極為昂貴，高達(dá)數(shù)百萬元，且安裝及維護(hù)難度大，致使這一方法的可行性大打折扣。

1.4 大氣視覺理論計(jì)算法

大氣視覺理論以人眼的視覺理論為基礎(chǔ)，綜合考慮了大氣對光輻射的衰減和增強(qiáng)效應(yīng)，很好地闡述了目標(biāo)物光輻射在到達(dá)人眼之前與大氣發(fā)生了何種作用。在這里，特別指出的是，在到達(dá)人眼之前，目標(biāo)物所發(fā)出的可見光始終沿近地面水平方向傳輸。其計(jì)算模型可利用亮度這一光學(xué)參數(shù)來表達(dá)。

式中:Lo，p——目標(biāo)光輻射經(jīng)過厚度為R 的大氣層之后，人眼所察覺到的目標(biāo)物亮度，cd/m2;

Lo——目標(biāo)光輻射經(jīng)過大氣層之前的固有亮度，cd/m2;

Latm(∞)——天空背景亮度，在觀測條件不變的情況下，此為恒定值，cd/m2;

τRatm——水平傳輸距離為R 時(shí)，可見光近地面大氣透射比。

關(guān)于亮度測量，光學(xué)領(lǐng)域存在多種類型的儀器設(shè)備能夠完成相應(yīng)的測量工作，如簡易型亮度計(jì)、成像式亮度計(jì)和高準(zhǔn)確亮度計(jì)等，且這些測量儀器的普遍性和適用性都很強(qiáng)。較之其他三種計(jì)算方法，大氣視覺理論計(jì)算法的可操作性更強(qiáng)。因而，式(2)可作為計(jì)算大氣透射比τatm的重要公式。

文章研究對象是對于可見光而言的近地面水平大氣透射比τatm，這一參數(shù)依據(jù)自身定義，其大氣傳輸路徑為1 km。而研究的最終目的是要落實(shí)一個(gè)停車視距的大氣透射比τatm(0.1)數(shù)值，也就是完成短距離上近地面大氣透射比的測量工作。以上四種測定方法各有利弊，經(jīng)過綜合分析，筆者認(rèn)為大氣視覺理論計(jì)算法比較適合近地面大氣透射比的測量。

2 重慶地區(qū)大氣透射比τatm的測定

我國幅員遼闊，氣候類型多樣，地理環(huán)境懸殊，這必然會(huì)造成各地區(qū)的大氣透射比變化規(guī)律及數(shù)值大小的千差萬別。本研究不可能面面俱到，在此以重慶地區(qū)為例研究大氣透射比取值，同時(shí)建立可行性強(qiáng)、普適性高的研究方案。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

由于本實(shí)驗(yàn)是在天然光環(huán)境下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)天氣的合理選擇對研究重慶地區(qū)大氣透射比τatm極其重要。由相關(guān)理論可知，大氣透射比與大氣能見度具有直接的相關(guān)性。因此，在實(shí)驗(yàn)天氣的選擇上，筆者主要從能見度角度出發(fā)，兼顧考慮天空狀況的穩(wěn)定性，確定了六種實(shí)驗(yàn)天氣類型，即高能見度晴天空、高能見度陰天空、中能見度晴天空、中能見度陰天空、低能見度晴天空和低能見度陰天空。

本實(shí)驗(yàn)是基于大氣視覺理論進(jìn)行的，利用A1 號(hào)白板(表面均勻噴涂BaSO4材料)、LM-3 亮度儀、XYI-III照度計(jì)等實(shí)驗(yàn)器材，對大氣透射比τatm進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)之初，對LM-3 亮度儀及XYI-III 照度計(jì)進(jìn)行精度校正，并利用漫反射表面反射系數(shù)測定公式ρ=πL/E對A1 號(hào)白板的反射系數(shù)進(jìn)行精確測定，得到其值為0.91。其后，在適宜的室外環(huán)境下，利用XYI-III照度計(jì)所測得的A1 號(hào)白板表面垂直照度Ev求得其固有亮度Lo，利用LM-3 亮度儀測定A1 號(hào)白板在不同觀測距離下的觀測亮度Lo，p;在已知固有亮度Lo、觀測亮度Lo，p、觀測距離R 的情況下，結(jié)合大氣透射比計(jì)算公式(2)，通過數(shù)據(jù)處理軟件對所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求得不同實(shí)驗(yàn)條件下的τatm和τatm(0.1)數(shù)值。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

測定工作是以重慶大學(xué)B 校區(qū)田徑場為實(shí)驗(yàn)場地，每次測試選擇在當(dāng)日接近中午時(shí)分進(jìn)行，時(shí)間控制在11 ∶00—11 ∶30 之間。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)在實(shí)驗(yàn)場地沿田徑場的長邊方向布置測點(diǎn)，將LM-3 亮度儀置于西北0 m 處，在0～120 m 的范圍內(nèi)以間隔10 m 的距離布置一個(gè)測點(diǎn)，分別為10 m、20 m、30 m……100 m、110 m、120 m(圖1)。

(2)將一部照度計(jì)水平放置于空曠地面上，用于測定太陽輻射的水平照度Eh，另一部照度計(jì)固定于A1 號(hào)白板上，用于測定A1 號(hào)白板的垂直照度Ev。

(3)首先將A1 號(hào)白板置于120 m 處，讀取此時(shí)白板的垂直照度Ev、觀測亮度Lo，p以及太陽輻射的水平照度Eh(一定要確保各數(shù)據(jù)讀取地同時(shí)性)，并將數(shù)據(jù)記錄下來。

圖1 實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)布置

(4)保持亮度儀位置不變，將白板位置移至110 m處，依照步驟4 再次進(jìn)行測試，記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(5)將白板依次置于100 m、90 m…10 m 處，以相同的步驟進(jìn)行測試，并記錄測試結(jié)果(圖2)。

圖2 實(shí)驗(yàn)測試現(xiàn)場

(6)本組測試結(jié)束后，將白板再次放置在10 m、20 m、30 m……120 m 測點(diǎn)處，依照以上步驟進(jìn)行測試，記錄第二組測試結(jié)果。

(7)測試完畢后，將白板重新放置在120 m、110 m……10 m 測點(diǎn)處，以相同的步驟進(jìn)行測試，記錄第三組測試結(jié)果。

(8)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)測點(diǎn)的測試距離R、觀測亮度Lo，p可直接獲取，固有亮度Lo則需根據(jù)漫反射表面反射系數(shù)測定公式ρ=πL/E，由垂直照度Ev計(jì)算得到。

(9)結(jié)合公式(2)，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過1stOpt5.0 及Origin8.5軟件進(jìn)行擬合，得出當(dāng)時(shí)天氣條件下的τatm及τatm(0.1)。

2.3 結(jié)果

每次實(shí)驗(yàn)對10 m～120 m 這12 個(gè)測點(diǎn)均進(jìn)行了三次測試，也就是說每種天氣狀況擁有三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以高能見度晴天條件下的測試數(shù)據(jù)(見表1)為例，對數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行介紹。

表1 高能見度晴天條件下測試數(shù)據(jù)

在對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)，首先結(jié)合公式(2)并利用1stOpt5.0 軟件對前兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性擬合，得出τatm、Latm(∞)的擬合數(shù)值分別為0.783 和3 057.4。將其代入式(2)中，便得到固有亮度Lo和觀測亮度Lo，p的函數(shù)表達(dá)式，即Lo，p=3 057.4-(3 057.4-Lo)×0.783^R。然后，利用各天氣狀況下的第三組數(shù)據(jù)驗(yàn)證τatm和Latm(∞)擬合值的準(zhǔn)確性。具體方法是，將第三組數(shù)據(jù)中的Lo及R 數(shù)值代入上述與之對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式中，得到Lo，p計(jì)算值。利用Origin8.5軟件對Lo，p計(jì)算值與Lo，p實(shí)測值進(jìn)行比較(見圖3)，并求出二者之間的誤差率在0.05%～0.20%之間，由此可見，前兩組數(shù)據(jù)擬合得到的τatm和Latm(∞)數(shù)值具有一定的合理性與準(zhǔn)確性。

圖3 高能見度晴天空Lo，p計(jì)算值與實(shí)測值之間的比較分析

利用上述方法，作者依次對其他五種天氣條件下的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合處理，得到τatm和Latm(∞)擬合值，并且利用第三組數(shù)據(jù)對擬合值的精確性進(jìn)行了驗(yàn)證，誤差均在合理范圍內(nèi)。根據(jù)公式可以求得100 m 傳輸路徑上的大氣透射比τatm(0.1)，本實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見表2。

表2 大氣透射比τatm測試結(jié)果

2.4 τatm(0.1)計(jì)算值與CIE 標(biāo)準(zhǔn)推薦值的比較與分析

CIE 88—2004 曾對察覺對比公式中的τatm(0.1)作出一定推薦，即在沒有當(dāng)?shù)卮髿夤鈱W(xué)數(shù)據(jù)的情況下，τatm(0.1)可取為1.0。顯然這一推薦值與上述取值范圍存在一定差別，現(xiàn)對τatm(0.1)計(jì)算值與CIE 88—2004 文件的推薦值進(jìn)行如下比較與分析。

(1)在此次大氣透射比τatm實(shí)驗(yàn)中，，不同的大氣能見度條件下，τatm(0.1)大小存在差異。而CIE 88—2004 對推薦值1.0 的運(yùn)用并未給出嚴(yán)格的限定條件，沒有明確說明在什么樣的天氣條件或光學(xué)環(huán)境下，τatm(0.1)取1.0。

(2)從重慶地區(qū)來說，高能見度天氣的τatm(0.1)計(jì)算值與CIE 推薦值1.0 十分接近，誤差小于3.4%;中能見度天氣的τatm(0.1)取值與推薦值1.0 略有差異，誤差在3.4%～13.7%;低能見度天氣的τatm(0.1)大小與推薦值1.0 的誤差要大于13.7%(表3)。

表3 τatm(0.1)計(jì)算值與CIE 推薦值之間的誤差率

(3)在重慶地區(qū)，不同測試天氣下τatm(0.1)的不同取值，必然會(huì)導(dǎo)致察覺對比設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果數(shù)值上的波動(dòng)，與τatm(0.1)直接取為1.0 的情況相比，其對隧道照明設(shè)計(jì)的影響更為復(fù)雜。

如果測試天氣為高能見度時(shí)，τatm(0.1)計(jì)算值接近于1.0，但并不能說明此時(shí)的τatm(0.1)可取作1.0。而在中、低能見度條件下，τatm(0.1)計(jì)算值與推薦值1.0 相差懸殊，顯然，τatm(0.1)也不能直接套用1.0 這一數(shù)值。因此，無論處于何種天氣條件下，τatm(0.1)取值直接照搬CIE 推薦值，既不科學(xué)也不精確。

3 小 結(jié)

筆者以重慶地區(qū)為例，通過實(shí)驗(yàn)研究得到六種不同天氣條件下τatm(0.1)的取值范圍，結(jié)果證明，不管在哪種天氣條件下，τatm(0.1)計(jì)算值均與CIE 推薦值1.0 存在一定差距，因此，在重慶地區(qū)的隧道照明設(shè)計(jì)中，τatm(0.1)取值不能簡單地用1.0 來表示。

［1］CIE Technical Report.88—2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.2004

［2］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).(JTG/T D70/2-01—2014)公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京:人民交通出版社，2014

［3］李春亮.能見度測量技術(shù)100 問［M］.北京:氣象出版社，2009

［4］王充，汪衛(wèi)華.紅外輻射大氣透過率研究綜述［J］.裝備環(huán)境工程，2011(4)

［5］康圣，王江安.能見度光學(xué)測量方法［J］.中國科技成果，2010(23)

［6］饒瑞中.現(xiàn)代大氣光學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2012

［7］謝興生，陶善昌.CCD 攝像技術(shù)在大氣光學(xué)傳輸特性檢測研究上的應(yīng)用［J］.光學(xué)技術(shù)，2000(5)