公路隧道照明中基于小目標可見度的對比顯示系數(shù)研究

翁　季，蔡賢云，杜　峰，張青文

(重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶　400045)

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公路隧道照明中基于小目標可見度的對比顯示系數(shù)研究

翁季，蔡賢云，杜峰，張青文

(重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶400045)

摘要：將道路照明中小目標物可見度引入到對比顯示系數(shù)的研究中，重點是對可見度中閾限亮度差ΔL0的研究。通過公式推導，建立對比顯示系數(shù)與閾限亮度差之間的函數(shù)關系式。其次對公式修正，特別是對年齡因素進行的修正。最后研究汽車前燈對小目標物可見度、對比顯示系數(shù)的影響。最終得到合適的對比顯示系數(shù)值，確定與合適的對比顯示系數(shù)值相對應的隧道照明方式和布燈方式。

關鍵詞：小目標物；可見度；對比顯示系數(shù)；閾限亮度差；年齡因素；汽車前車燈

引言

21世紀以來，我國公路隧道增長迅速，到2013年底共有公路隧道11359座，總長9605.6公里[1]。為滿足行車過程中安全、舒適、節(jié)能的要求，人們對公路隧道照明做了大量研究工作,如從光源色溫、光生物效應和修訂現(xiàn)有公路隧道照明規(guī)范等角度入手[2-3]。

隨著眼科學和視覺理論不斷發(fā)展，以人眼視覺適應為核心的研究方法得到了大力發(fā)展，代表性的即為察覺對比法[4]，察覺對比的本質(zhì)是考慮了光在空氣中的散射、汽車擋風玻璃的影響以及光源向眼睛的散射等實際因素，使隧道入口段的照明能保證目標的對比度不低于察覺對比。2004年CIE(國際照明委員會)發(fā)布的文件中給出了基于察覺對比法的公路隧道入口段亮度公式[4]。

(1)

公式(1)中的qc即為對比顯示系數(shù)，qc表示給定區(qū)域的路面亮度Lb與小目標物面向行車方向中點處的垂直照度Ev之間的比值，qc=Lb/Ev。在CIE 189—2010中，對比顯示系數(shù)被視為公路隧道照明質(zhì)量的評價依據(jù)之一[5]。但現(xiàn)階段關于對比顯示系數(shù)的研究較少，如通過實驗確定對比顯示系數(shù)與隧道內(nèi)光的空間相對分布有關[6]，即與隧道照明方式、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。

道路照明中對小目標物可見度的研究很多，但隧道照明中卻缺乏對可見度的探討，重慶大學杜峰曾對國內(nèi)外以可見度為基礎的隧道照明設計方法作了分析，并對該方法作了展望[7]。本文試圖以可見度為基礎來進一步研究對比顯示系數(shù)，并探討年齡因素和汽車前燈對qc的影響，進而確定隧道內(nèi)合適的照明方式和燈具安裝方式。

1可見度中閾限亮度差ΔL0的實質(zhì)

通常用可見度水平(VL)來表示小目標物的可見度，可用公式(2)表示。

(2)

其中ΔL為視看小目標物的亮度Lt與背景亮度Lb的差，ΔL0為小目標物剛好可見時的小目標物閾限亮度與背景亮度的差。可見度中的閾限亮度差實質(zhì)是目標物的大小(對眼睛的張角α)和人眼適應水平之間的函數(shù)關系。在道路照明中已經(jīng)對閾限亮度差的確定做了大量研究工作[8-9]，W·Adrian 在《Visibility of targets: Model for calculation》中，通過實驗與分析給出了閾限亮度差ΔL0的計算公式[10]

(3)

ANSI/IESNA RP-8-00根據(jù)Adrian的計算模型給出了閾限亮度差與視角、人眼適應水平之間的函數(shù)關系式[11]，如公式(4)所示。

(4)

其中k為系數(shù)，取k=2.33；α為視角，以分為單位；F、G為人眼適應水平La的函數(shù)，且有F=f1(La)、G=f2(La)。從公式可發(fā)現(xiàn)，閾限亮度差的大小與人眼適應水平成正比關系，而與視角大小成反比關系。人眼的適應亮度La為目標物背景亮度和等效光幕亮度之和,如公式(5)所示。

La=Lb+Lv

(5)

其中La為人眼的適應亮度；Lb為目標物背景亮度；Lv為等效光幕亮度。

2對比顯示系數(shù)qc值的確定

2.1閾限亮度差ΔL0與對比顯示系數(shù)qc之間的關系

CIE 88—2004給出了對比顯示系數(shù)qc的定義公式，若小目標物遵循朗伯定律，則

(6)

通過公式(6)定性分析可知：對比顯示系數(shù)qc值越大，小目標物與路面亮度之間的對比越明顯，小目標物更容易被察覺。但是，從公式(1)可知，對比顯示系數(shù)越大所需的設計亮度值也越大。所以需通過定量研究來確定合適的qc值，使其既能滿足安全、舒適行車的要求，又可以達到節(jié)能的目的。

歐盟隧道照明標準CR 14380—2003《Lighting applications——Tunnel lighting》中給出了隧道路面亮度Lb與閾限亮度差ΔL0之間的關系式[12]。

(7)

經(jīng)過變形之后可得到公式

(8)

公式(8)即為閾限亮度差與對比顯示系數(shù)之間的關系式。只要閾限亮度差ΔL0確定了，對應的最適宜的對比顯示系數(shù)值也就可以確定。

2.2隧道照明中閾限亮度差ΔL0的確定

相對于道路照明，隧道照明中關于閾限亮度差的確定還應考慮到下列問題：

1)道路照明中夜晚路面平均亮度Lb在0.5～5cd/m2范圍內(nèi)；而依據(jù)最新規(guī)范，隧道照明中路面平均亮度Lb在2.0～140cd/㎡范圍內(nèi)[13]，亮度范圍的不同導致“人眼閾限對比”實驗中的背景亮度取值不同。

2)在現(xiàn)有道路照明可見度研究中并沒有完全考慮路面的反射作用。但是在隧道內(nèi)，路面、墻面的反射作用非常明顯，楊韜通過1∶10隧道照明模型和現(xiàn)場實測來研究反射增量系數(shù)，發(fā)現(xiàn)考慮反射增量系數(shù)之后，當隧道墻面的反射系數(shù)為0.7時，混凝土路面的隧道可以節(jié)能12%～16%[14]。因此在研究隧道照明中的閾限亮度差和對比顯示系數(shù)時，必須考慮隧道內(nèi)反射增量系數(shù)的影響。

3)人眼的適應亮度為目標物背景亮度和等效光幕亮度之和。隧道作為封閉的環(huán)境，計算得到的人眼適應亮度水平與道路照明中有很大區(qū)別，依據(jù)公式(5)計算隧道內(nèi)的等效光幕亮度和適應亮度的過程會更加復雜。

2.3隧道照明中閾限亮度差ΔL0的修正

人眼閾限對比試驗得到的原始的閾限亮度差ΔLs還需要進行公式修正，修正公式如公式(9)所示。

ΔL0=Kt·Ka·Kf·ΔLs

(9)

其中Kt為小目標物觀察時間的修正系數(shù)，Ka為年齡修正系數(shù)，Kf為小目標物亮度正負對比修正系數(shù)，ΔLs為修正之前由實驗得到的閾限亮度差。

3年齡對對比顯示系數(shù)取值的影響

據(jù)預測，2025年我國老年人將達到3億，2052年將達4.87億，占到總?cè)丝诘?4.8%[15]，從2003年開始我國將申領駕駛證的年齡上限從原來的60歲調(diào)升到70歲。研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡增長，老年人視覺能力減弱，在運動方向判別上的能力下降[16]，對視覺信號反應時間明顯增加[17]。可見在研究對比顯示系數(shù)時，應考慮年齡因素對小目標物可見度的影響，通過年齡因素來修正閾限亮度差，獲得更為合理的對比顯示系數(shù)值。

浙江大學項震研究了不同年齡人群的閾限亮度差，得到20～80歲之間閾限亮度差與年齡間關系的曲線[18]：隨著年齡增長，人眼察覺到目標物所需亮度對比更大，人眼視覺能力隨著年齡增加而逐漸減弱；并且曲線在年齡大約64歲時出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點。

W·Adrian對影響閾限亮度差的年齡因素也做了研究，通過大量實驗，Adrian給出了閾限亮度差計算中關于年齡因素修正的函數(shù)關系式

(10)

(11)

其中a表示年齡，結(jié)合公式(10)分析，當觀察時間修正系數(shù)和正負對比修正系數(shù)相同時，64歲與65歲的閾限亮度差的值相差明顯。

4汽車前車燈對對比顯示系數(shù)取值的影響

現(xiàn)階段隧道照明中關于小目標物的研究是處于理想狀態(tài)下的，較少考慮汽車前車燈的影響。但是當前車燈工作時，給定區(qū)域的路面亮度Lb和小目標物垂直面中點的照度值Ev均會發(fā)生改變：此時Ev為照明燈對小目標物作用的垂直照度Evl和前車燈對小目標物作用的垂直照度Evv之和；Lb為照明燈對該區(qū)域作用的路面亮度Lbl和前車燈對該區(qū)域作用的路面亮度Lbv之和；等效光幕亮度Lseq為照明燈所產(chǎn)生的等效光幕亮度Lseql和前車燈產(chǎn)生的等效光幕亮度Lseqv之和。當上述值改變后小目標物可見度和對比顯示系數(shù)的取值也會相應改變。

Satoshi Hirakawa等考慮汽車前車燈的作用，來研究隧道中小目標物可見度的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)在對稱照明中，當?shù)竭_某一點時，小目標物垂直面中點的照度值降低的同時，小目標物給定區(qū)域的路面亮度值卻會升高，從而導致小目標物可見度發(fā)生變化；而在順光照明中即便是增強汽車前燈的作用，小目標物可見度也幾乎沒有變化[19]。

5結(jié)語

本文明確了以可見度為基礎來研究察覺對比法中對比顯示系數(shù)的思路，建立了閾限亮度差與對比顯示系數(shù)間的函數(shù)關系式。在此基礎上探討年齡系數(shù)對qc的影響并分析汽車前車燈對小目標物可見度和對比顯示系數(shù)研究產(chǎn)生的影響，關于前車燈對對比顯示系數(shù)的影響將在后續(xù)的研究中深入探討分析。最終通過可見度、閾限亮度差來確立合適的對比顯示系數(shù)qc值，與該qc值相對應的隧道照明方式和布燈方式即為最合適的方式。

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The Research of Contrast Revealing Coefficient Based on Small

Target Visibility in Highway Tunnel Lighting

Weng Ji, Cai Xianyun, Du Feng, Zhang Qingwen

(FacultyofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400045，China)

Abstract：Firstly, the small target visibility in road lighting was introduced into the study of contrast revealing coefficient in this paper. The key point was research about minimum luminance threshold which was included in small target visibility. Then, by means of formula derivation, the function relationship between minimum luminance threshold and contrast revealing coefficient can be set up. Secondly, a number of factors in the formula should be amended. Especially the age factor should be taken into account so as to get contrast revealing coefficient formula. Finally the influence of vehicle headlamps to small target visibility and contrast revealing coefficient could be studied. The appropriate value of contrast revealing coefficient can be received, meanwhile the suitable lighting method and arrangement of luminare could be determined which matches with the appropriate value of contrast revealing coefficientqc.

Key words:small target; visibility; contrast revealing coefficient; minimum luminance threshold; age factor; vehicle headlamps

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51278507)

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.019