隧道智慧照明發展新方向研究

彭 力，翁 季，杜 峰，龔曲藝，譚玲沖

(重慶大學 建筑城規學院；山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

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隧道智慧照明發展新方向研究

彭 力，翁 季，杜 峰，龔曲藝，譚玲沖

(重慶大學 建筑城規學院；山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

公路隧道智慧照明是信息時代發展的必然產物，也是智慧城市的重要組成部分。 文章重點討論了人眼在隧道環境中的視覺適應特性和隧道智慧照明發展中研究的幾個新方向，為解決隧道智慧照明遇到的瓶頸和障礙提供了切實可行的手段和方法。對于現今的公路隧道照明，并不能同時滿足行車安全、舒適、節能和易于管理的綜合性要求，因此，發展隧道智慧照明將是未來公路隧道照明設計的新方向。

隧道照明；智慧照明；視覺適應曲線；動態調光

0 引 言

智慧化是繼電氣化、信息化后，世界科技革命發展的必然。利用智慧技術，發展智慧城市，是城市化發展的趨勢。智慧城市是在互聯網的基礎上，利用信息通訊、感測等技術解決智能感測、通訊、計算、分析、判斷、調控等系統運行的各種關鍵技術，建成城市發展的智慧環境，構建面向未來的全新城市形態。智慧城市要求照明是智慧照明，而智慧照明就是物聯網燈具和照明光環境智慧模式組成的大系統。利用智慧城市研究成果，開展城市交通智慧照明研究，是當今國際上道路照明發展的趨勢和特征。

目前，國內外對于公路隧道智慧照明的研究主要集中于智能控制系統方面，忽略了對感測內容和光環境模式的研究。在關于感測內容和光環境模式的研究中，最為重要的是關于人眼視覺曲線的研究。國際照明委員會(以下簡稱CIE)及各國對過渡段的照明設計是以CIE推薦的適應曲線為基礎，在傳統隧道照明電光源技術條件下進行亮度分段設計。這樣的設計導致了亮度呈現階梯型變化，不利于行車的舒適性和安全性，也不能很好地消除黑洞現象和解決視覺適應滯后現象。采用以LED隧道燈為基本燈具的隧道智慧照明系統具備無極調光的優勢，可以實現隧道內各照明段的亮度變化隨人眼適應曲線平滑過渡，充分滿足駕駛員視覺適應需求，提高駕駛舒適性，同時也降低隧道照明能耗，提高隧道照明的舒適度。

1 隧道照明條件下的視覺適應特性

由人、車、隧道和環境三個基本要素組成的道路交通系統中，三個要素相互協調，道路交通系統是穩定且安全的。但某個要素和幾個要素發生變化且超過了一定的限度，將會破壞道路交通系統的穩定性，造成交通安全隱患。人的眼睛既能適應高照度環境，如晴天正午，高達數萬甚至十萬勒克斯的照度值，也能適應低照度環境，如夜晚星空，低至接近于0勒克斯的照度值。但是人的眼睛在同一時間內，只能適應最高照度與最低照度比值小于1 000的照明環境。人眼視覺適應過程分為明適應過程和暗適應過程，明適應過程即為人的眼睛對于光的感受性下降的現象。人從暗處到亮處，尤其在強光下，剛進入到亮環境時，最初僅能感受到耀眼的光亮，基本看不清楚外界事物，數秒鐘之后視覺才逐漸恢復。明適應過程相對于暗適應過程速度較快，整個過程需要一分鐘左右完成。當人從暗環境進入明亮的環境，人眼會感受到耀眼，主要是在暗處合成的視紫紅質進入亮處后迅速的分解，只有當較多的視紫紅素分解之后，視錐細胞色素才能在亮處感光。暗適應過程則是人從亮處進入暗處，初始階段視覺感受性很低，然后人的眼睛對光的敏感度逐漸增加到最大限度，視力逐漸恢復的過程。

隧道入口段的照明參數是隧道各照明段控制的決定因素，在傳統隧道照明電光源技術條件的限制下，CIE 于1990 年推薦了CIE 88—1990《公路隧道和地下通道照明指南》，建議了用入口段亮度折減系數(即K 值法)計算隧道入口段亮度，CIE于2004年推出了CIE 88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》，正式提出了基于等效光幕亮度的察覺對比法來計算出公路隧道入口段的路面亮度值。歐盟于2003年頒布的R14380—2003《歐盟隧道照明標準C》中給出了4種確定隧道入口段亮度的方法，其中的L20法指出以CIE的計算方法來計算隧道入口段和過渡段的長度和亮度參數；英國于2003年頒布的BS5489—2:2003+A1:2008《英國隧道照明設計規范》采納了CIE的計算方法來計算隧道入口段和過渡段的長度和亮度參數；日本于1990年頒布的JIS Z 9116—1990 R2006《日本隧道照明標準》未采納CIE的計算方法，而將入口段分為了三部分：分界段、過渡段和緩和段，采用的三段折線，避免了曲線計算的難度，并明確給出了距離隧道口不同距離處的亮度值；我國新頒布的JTG/T D70—2014《公路隧道照明設計細則》借鑒CIE及各國的研究成果，考慮車流量及行車速度的因素，通過推薦的洞外亮度確定入口段照明參數。在隧道智慧照明中對人眼視覺適應情況進行研究，目的有兩個:其一是白晝接近和進入隧道時，消除黑洞現象，使隧道入口處的路面亮度達到合理的水平。但目前僅考慮亮度大小的影響，沒有涉及光色的作用。如果能從實驗中獲得進入隧道時對障礙的反應時間與相對應的路面亮度的關系，確定入口區前半部分的劃分、長度和亮度標準等，就能在適宜的色溫和亮度下，確保發現障礙物，并達到科學節能的目的；其二是消除視覺適應滯后現象。進行人眼的適應研究，繪制出人眼視覺適應曲線，同時考慮亮度和光色變化時人眼的適應時間極限。

2 隧道智慧照明中關于動態調光的研究

以國內外的公路隧道照明應用情況來看，從智慧照明理論層面上進行研究，明確隧道智慧照明的研究內容和研究方法十分必要。通過建構公路隧道智慧照明系統，設置不同的公路隧道智慧照明模式，賦予該照明系統“智慧”，這就要求該系統能根據感知信息實現動態調光，減少公路隧道“無效照明”和“過度照明”，而動態調光的理論基礎就是對人眼視覺曲線進行研究。隧道照明的安全性和節能性之間存在著此消彼長的矛盾，如何解決這個矛盾便成為照明節能和交通安全的共同目標。晝間從隧道內部到出口的過程中，由于外界自然光的影響，距離出口越近，隧道環境照度會越高，實驗采集不同隧道縱深對應的環境照度，并根據數據散點圖進行回歸分析，可得到照度值與隧道出口距離值之間的關系，如圖1所示。同理，可得到照度值與隧道入口距離值之間的關系，如圖2所示。

圖1 照度值與隧道出口距離的關系

圖2 照度值與隧道入口距離的關系

利用動態調光，就是將隧道內的人眼視覺適應曲線關系與照度值和隧道出入口的距離關系結合起來，從而影響駕駛員瞳孔面積的改變。瞳孔面積變化速度過大，超出駕駛人視覺適應能力范圍時，駕駛人瞳孔將難于準確聚焦，視網膜成像困難，從而產生嚴重的視覺障礙，甚至出現不能分辨道路環境的情況，嚴重時導致行車事故。

3 隧道智慧照明發展方向及存在的問題

隧道光源的發展方向是高效節能。目前應用于公路隧道的光源主要為熒光燈、高壓鈉燈和LED。LED與傳統照明光源相比，具有壽命長，光色豐富，亮度和色溫范圍易于控制，燈具效率高，顯色性高等優點。利用LED燈具易于調節亮度和色溫的優勢，是實現隧道智慧照明的基礎。

采用智能控制方式和無極調光控制法是實現隧道智慧照明的重要途徑。目前國內外對公路隧道智慧照明的研究主要集中于智能控制系統運行方面的研究，但是對于控制的內容，即針對外部不同環境變化對應的多種智慧子模式及其相應的光環境參數的研究還有待深入。

縱觀各國及 CIE 的隧道照明設計規范，在公路隧道智慧照明光環境的層面，研究還存在如下問題:

1)隧道過渡段采用亮度突變階梯形折線適合大功率氣體放電燈的功率特點，但亮度突變已超過了人眼能覺察的不均勻亮度比范圍，不利于行車的舒適性

和安全性，不能很好地解決黑洞現象和視覺適應滯后現象。

2)現行的國內外隧道各段照明標準值確定的理論基礎—CIE適應方程未考慮色溫影響，即沒有考慮光色對駕駛員的適應影響，這不符合光色豐富的LED燈目前在室外照明中迅速推廣的發展趨勢。

3)目前公路隧道照明的控制由于受光源特性以及控制系統的局限,控制效果過于粗放，隧道內的照明參數、感測系統及控制理論沒有有機地結合成一個整體的系統。

綜上所述，建構公路隧道智慧照明系統，解決上述研究中存在的問題，設置不同的公路隧道智慧照明模式，不僅能根據感知信息實現動態調光，減少隧道“無效照明”和“過度照明”，而且要達到隧道運營安全、駕駛舒適和節能降耗的目的。

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Research on the New Direction of the Development of Intelligent Lighting in Tunnel

PENG Li, WENG Ji, DU Feng, GONG Quyi, TANG Lingchong

(KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainArea,
FacultyofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400050,P.R.China)

Highway tunnel lighting wisdom is necessary in information era, and is also an important part of urban wisdom.This paper focuses on the development in the tunnel lighting wisdom in the study of several new direction, to solve the bottleneck during the tunnel lighting wisdom and provides a feasible means and methods.Today highway tunnel lighting can not at the same time in safety, comfort, energy saving, and easy to manage comprehensive requirements.Therefore, tunnel lighting wisdom will be the direction of the highway tunnel lighting design in the future.

road tunnel illumination; smart illumination; visual adaptation curve; dynamic lighting

2016-05-10 作者簡介：彭力(1988—)，男，重慶大學建筑城規學院博士生，主要從事建筑光環境研究。

照明研究