汽車前照燈對隧道路面照明質量影響研究

梁 波，凌 超，李 翔，張揚帆

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074)

0 引 言

隧道照明工程的意義在于給駕乘人員提供良好的視覺環境，允許駕駛者能夠準確地接受隧道內的視覺信息。傳統的隧道照明評價指標主要考慮路面亮度、亮度均勻度、閃爍和誘導性等[1]，而近些年來許多國內外研究人員都重視了對可見度水平的研究。可見度水平[2]是人眼辨認物體存在或形狀難易程度的綜合指標，可見度水平越高，人們觀察目標物的清晰程度就越高，就越有利于隧道內的行車安全和交通順暢。

公路隧道由于其封閉性、地下化等特點，使得洞口段、過渡段、中間段照明環境差距大；而且在洞口段易發生“眩光”、“黑框效應”，更增加了駕駛者的視覺疲勞和心理障礙。所以為了保證安全行車，汽車在隧道內行駛必須要打開前照燈。汽車前照燈[3]的主要作用是照亮前方道路、對面行駛車輛、交通標志和行人；前照燈的發展由1925年以前的乙炔氣前照燈到當今常用的氙氣前照燈、LED燈，已經歷了5代的更新。

通常我們研究隧道照明質量時，所考慮到的光源僅是隧道燈具照明和側壁的反光效果，但忽視了汽車前照燈的影響。國外已經有許多對道路照明環境下前照燈影響的研究：M. S. JANOFF[4]在其試驗中研究發現汽車前照燈會減小路面小目標可見度；A. EKRIAS等[5]研究發現前照燈對道路可見度影響取決于車燈、目標反射系數和汽車與目標的相對位置等多種因素。

調研發現前人研究大多關注于道路，對公路隧道這一特殊的交通建筑研究較少。因此，筆者以公路隧道內汽車前照燈對路面照明質量的影響為研究對象，基于自主研發的室內隧道縮比模型，通過前照燈對隧道路面亮度、亮度均勻度和小目標可見度影響的試驗研究，并使用Dialux軟件進行仿真分析，得出前照燈對隧道路面照明質量的影響規律。研究有助于對公路隧道照明的資源合理配置和設計不斷優化，提高照明質量以保障行車安全，也對現有隧道照明評價指標有所補充，順應綠色照明發展趨勢。

1 可見度水平

可見度的概念源于視度(Visibility)，一個物體能否被肉眼察覺，需要一定的尺寸、照度和對比度；當尺寸和照度一定時，對比度越大，物體就越容易被看清。可見度直接影響人眼辨別物體是否存在或其形狀的難易程度，反映了人眼觀察目標物的清晰程度。

可見度常采用可見度水平(VL)表示，它表示為障礙物和其所處背景亮度的差值與閾限亮度和其所處背景亮度差值的比值，如式(1)：

(1)

式中：VL為可見度水平；Lt為目標亮度值,cd/m2；Lb為背景亮度值,cd/m2；ΔLthreshold為閾限亮度差，與背景亮度、視角、眩光、年齡等因素有關。

當目標亮度大于背景亮度(即Lt>Lb)時，表現為正對比；反之為負對比，見圖1。在不考慮前照燈影響時，道路目標對比度的正負對比主要取決于隧道內的燈具布置方式。例如在單車道照明設計時，合理布置燈具使路面亮度均勻且達到規范要求，并使目標物上垂直面亮度較低，達到全負對比[6]的照明效果。

圖1 可見度正負對比示意Fig. 1 Schematic diagram of positive and negative contrast ofvisibility

小目標可見度(STV)由美國照明工程學會(IESNA)提出，并在2000年正式將STV作為道路照明標準。《IESNA-RP-8-2000》[6]對閾限亮度差作了多次修正，計算得到的VL值反映了照明環境下某測量點的適應亮度、均勻度、眩光以及目標物表面亮度、其所處位置的背景亮度等對可見度的影響程度，是表達照明視覺環境質量的綜合性指標；而STV值是路面各測點VL值的加權平均值，如式(2)：

(2)

式中：RWVL為加權可見度水平；ARWVL為加權可見度的平均值；n為測量區域內測點的數量； STV為小目標可見度水平。

將可見度水平作加權平均處理得到的小目標可見度是為了表達路面的整體照明質量，然而這樣卻掩蓋了部分特殊區域的可見度的真實情況，如被前照燈照射部分路面。

2 前照燈在隧道照明中仿真分析

用Dialux建模來對汽車前照燈對隧道路面照明的影響作仿真分析。模型隧道長度300 m，隧道高7 m，隧道路面寬10 m，具體斷面尺寸如圖2。

圖2 仿真計算模型斷面尺寸Fig. 2 Section size of simulation calculation model

隧道路面為瀝青混凝土路面，側壁為瓷磚。布燈間距為10 m，兩側對稱布燈。在隧道中間段放置汽車，其前照燈模擬汽車近光燈，光通量為900 lm，射程為20 m。利用軟件分別計算有無前照燈影響時的隧道亮度和照度，其計算結果見表1，兩種情況的亮度渲染如圖3。

表1 射程范圍內的仿真計算結果Table 1 Results of the simulation calculation within the range

(a)沒有開啟前照燈

(b)開啟前照燈

從表1可以看出，前照燈僅僅使其所照射路面的平均亮度和照度發生微小增加，分別為0.88%和2.08%；但開啟前照燈后，最大亮度提高了25.31%，最大照度提高了25%，然而最大亮度的提高會導致路面均勻度的減小。

3 室內模型試驗

3.1 模型和設備

室內隧道模型模擬比例1∶10為單向三車道隧道，模型斷面寬1 m，高0.9 m，拱頂半徑為0.567 m的1/3圓周，側壁可以更換不同的材料板，室內模型如圖4。

圖4 室內隧道縮比模型Fig. 4 Indoor tunnel scaled model

隧道模型內置照明為無極調光調色溫LED燈，布置方式為中間布燈，間距為50 cm。使用前置LED光源模擬汽車前照燈，有3個不同光通量的檔位。采用PR-655光譜亮度計來測量目標及背景亮度，使用Radiant成像亮度計來采集試驗實景亮度偽色圖。

試驗測量布點參考《IESNA-RP-8-2000》中的布點方式，在一個照明循環內，每車道采用橫3縱5的方式布點。因本模型為單向三車道隧道，故隧道路面布點為橫9縱5，共計45個測點，測點布置如圖5。

圖5 測點布置(單位：cm)Fig. 5 Arrangement of measuring points

3.2 試驗步驟

為研究前照燈的不同光照強度對STV值的影響及其與隧道內置照明、側壁三者的綜合效果，選擇試驗變量為不同前置光源光通量、路面恒定亮度和側壁材料，參數設定[1,7-9]和試驗工況具體見表2～表5。

表2 前置光源各檔位參數Table 2 Parameters of front light source of each gear

表3 內置照明各檔位路面亮度Table 3 Road luminance of each gear of built-in tunnel lights

表4 側壁材料漫反射系數Table 4 Diffuse reflection coefficient of different sidewall materials

表5 試驗工況表Table 5 Test conditions

試驗前，將內置燈具和前置光源調節為試驗工況對應的檔位，安裝好對應側壁材料。將亮度計和LED光源放置在模型路面中間車道X5點的正前方8.3 m，亮度計高14.5 cm，前置光源高7 cm。試驗時，根據測點布置圖將小目標放置在某測點處，然后利用亮度計依次測量并記錄小目標上邊界背景亮度值Lb1、小目標亮度值Lt和小目標下邊界背景亮度值Lb2(其中Lb等于Lb1、Lb2的平均值)，詳細示意如圖6。待該測量點測試完成，再移動小目標至下一點進行測量，直至所有測點測完。

圖6 小目標可見度測試示意Fig. 6 Schematic diagram of the small target visibility

3.3 模型試驗結果分析

3.3.1 前照燈對隧道路面照明影響范圍分析

分析比較工況1、2、3和5來分析前照燈對隧道路面參數的影響，見表6。從表6中可以看出，有前置光源照射時，整個隧道路面亮度、總均勻度和縱向均勻度的變化并不是很大，其中亮度僅有微弱的提高，總均勻度和縱向均勻度都有小幅的降低。但是整個路面的STV值卻有明顯的下降，分別為35.72%和39.25%。

表6 工況1、2、3和5的各路面照明指標Table 6 Road lighting indexes of case 1, 2, 3 and 5

從小目標可見度的明顯降低和其他3個參數的無明顯變化可以推測：前照燈對隧道照明的影響限定在一定區域范圍以內。

試驗中的前置光源的照射范圍如圖7，可見路面前方的光源將隧道路面分成區域Ⅰ、區域Ⅱa和區域Ⅱb。

圖7 前置光源的照射范圍Fig. 7 Irradiation range of front light source

由于前照燈直接照射的作用，工況5的小目標的亮度值明顯在區域Ⅰ比區域Ⅱa和區域Ⅱb里要大，小目標亮度提高66%左右，如圖8。可見前照燈對車道前方目標的照亮效果非常好，而且影響范圍只在其直接照射區域內。

將工況1和工況2中路面各點亮度和可見度水平的分布圖繪制出來，如圖9、圖10。從圖9中可以看出，當有前置光源時，亮度的小幅增長僅僅體現在區域Ⅰ內；而從圖10中可以看出，前置光源對區域Ⅰ的可見度水平有明顯的降低作用。可見前照燈對路面亮度和可見度的影響是局限于某一范圍的，即圖7中的區域Ⅰ；而區域Ⅱa和區域Ⅱb的亮度和可見度相比沒有前置光源的情況并無明顯的變化。為了更有針對性地研究前照燈對隧道小目標可見度的影響，將隧道的STV值的計算分為區域Ⅰ和區域Ⅱ(區域Ⅱ由區域Ⅱa、區域Ⅱb組成)，結果見表7。

圖8 工況5小目標亮度分布Fig. 8 Small target luminance distribution of case 5

圖9 工況1、2的路面亮度分布Fig. 9 Road luminance distribution of case 1 and case 2

圖10 工況1、2路面可見度分布Fig. 10 Road VL distribution of case 1 and case 2

工況區域Ⅰ的STV區域Ⅱ的STV16．1695．71321．3495．79137．8287．32351．6247．434

由表7看出，當有前置光源(中燈)時，在直接受其照射的部分路面(區域Ⅰ)的STV值有大幅的下降；其中，當燈具照明為一檔時降低了78.13%，二檔時降低了79.25%。但在不受其直接照射的路面(區域Ⅱ)，小目標可見度并無明顯變化。

3.3.2 前照燈的不同光照強度對STV值的影響

比較工況3、4、5和6，當路面恒定亮度為4.8 cd/m2，側壁為瓷磚時，分析在不同光照強度的前置光源照射下，隧道路面小目標可見度的變化。其STV值見表8和圖11。

表8 工況3、4、5和6的STV值Table 8 STV values of case 3, 4, 5 and 6

圖11 不同光通量前置光源下的STV值Fig. 11 STV values under front light source with differentluminance flux

由表8、圖11中可看出，當前置光源光通量從10 lm增加到20 lm和24 lm(小燈到中燈和大燈)時，區域Ⅰ的STV值分別下降了26.98%和66.91%；而區域Ⅱ的STV值并沒有明顯變化。可見，隨著前照燈光通量的增加，會導致照射前方路面的小目標可見度隨之降低。

3.3.3 內置照明和側壁材料改變時對可見度影響

比較工況2、5、7、8、9和10，當前置光源光通量為20 lm，分析在不同路面恒定亮度和不同側壁材料影響下，隧道路面小目標可見度的變化，結果見表9、圖12。

表9 工況2、5、7、8、9和10的STV值Table 9 STV values of case 2, 5, 7, 8, 9 and 10

圖12 不同側壁下的路面亮度和STV關系曲線Fig. 12 Relationship curve of road luminance and STV withdifferent sidewall materials

從表9、圖12中可看出：當前置光源不變、側壁材料為瓷磚時，隨著路面亮度的增大，路面區域Ⅰ的STV值隨之緩慢增加，區域Ⅱ的STV值有顯著提高；當側壁為新型蓄能反光材料時，也有相同的規律。可見，增加隧道內置燈具的照射強度可以提高STV值，減小前照燈對路面可見度的削弱作用。

從圖12中還可以看出，相同條件下，當側壁由瓷磚換成新型蓄能反光材料時，STV值均有微小的提高。可見，使用高漫反射系數的側壁材料能改善前照燈對路面小目標可見度的削弱。

4 前照燈對隧道路面照明影響機理

4.1 前照燈對STV的削弱作用機理

分析室內模型試驗結果可知，前照燈對其所照射區域路面的小目標可見度有降低作用。用成像亮度計采集的試驗實景亮度偽色如圖13。從圖13(a)中可以看出，在沒有前照燈直接照射影響的區域里，由于隧道內置燈具將路面照亮，使小目標與路面成負對比并保持很好的可見度〔圖13(a)中X3〕；當前照燈照向小目標時，小目標的亮度驟然增加，降低了目標亮度與背景亮度之差，導致可見度降低〔圖13(a)中X5〕；當前照燈的光通量較大時，甚至使小目標完全溶于背景而喪失可見度〔圖13(b)中X5〕。

圖13 試驗實景亮度偽色Fig. 13 Pseudo-isochromatic luminance images of the experiment

所以前照燈對路面可見度削弱作用的主要原因是前照燈減小了目標亮度與背景亮度之差，減小了目標原有的對比度，導致可見度降低，即式(1)中Lt-Lb的減小導致VL的降低；有時甚至會出現目標可見度為0或正對比的情況。

4.2 前照燈對可見度的影響因素分析

前照燈對可見度的影響機理復雜，影響因素眾多。可以將影響因素歸為3類：前照燈的性質、目標特點和隧道內照明條件。

前照燈性質主要包括：車燈的照射角度、射程、光通量和車燈的類型。目標特點主要是其尺寸、形狀、反射率以及目標和車的距離等。隧道內照明條件包括隧道本身的照明質量(路面亮度、燈具的布設和光源色溫)，側壁材料的性質，路面的反射系數等[10-11]。

4.3 前照燈對路面照明的效果與影響

隧道內行車開設前照燈的意義在于照亮前方道路、障礙物和交通標志，以保證駕駛者能夠準確的接收到路面前方的視覺信息。目標亮度越大，進入人眼的光線越多，越有助于目標的清晰顯現。模型試驗結果也證實了前照燈對照亮所在車道正前方小目標有很好的效果。

綜合評價的前照燈對路面照明質量的影響，主要考慮亮度、均勻度和STV值。通過仿真分析和模型試驗結果發現，前照燈對路面亮度和均勻度的影響是微弱的。

對于小目標可見度，模型試驗中由于燈具在小目標垂直面上投射的光線很少，導致增加前置光源后STV值下降幅度較大，而燈具的布設對可見度的影響是起主要作用的；STV值描述的是較小尺寸的目標可見度，現實中隧道內可能會遇到的障礙物或行人的尺寸較大，其可見度受前照燈的削弱作用要小。《IESNA-RP-8-2000》中給出的各道路等級STV的推薦值均保持在1.6～4.9，綜合模型試驗結果可見，雖然前照燈在一定區域內對路面小目標可見度有削弱作用，但STV值依然可以維持在保證安全的范圍內。

5 結 論

1)汽車前照燈對提高所在車道正前方的小目標亮度有很好的效果；對公路隧道路面的亮度、亮度均勻度有微小的影響；對路面小目標可見度有削弱作用，但這種影響不是對整個路面，而是限定在其所直接照射范圍以內。

2)前照燈的光通量越大，其對小目標可見度的削弱就越明顯，其原因主要是前照燈減小了目標亮度與背景亮度之差。較高的路面亮度和有較好反射率的側壁可以改善前照燈的不利影響。

3)STV值沒有考慮到汽車前照燈的影響，而前照燈對部分路面可見度的影響是不可忽視的。STV值是將整個路面測點的可見度水平加權平均計算，這樣掩蓋了部分區域可見度低的情況。

前照燈對路面可見度影響的因素多且復雜，要定量評價前照燈對可見度的貢獻值是非常困難的。今后對公路隧道可見度評價研究可以基于考慮前照燈、目標特點、隧道本身照明條件三者的綜合作用影響。如何綜合考慮影響駕駛員視覺功效的各種指標來評價前照燈對隧道路面照明質量的影響，尚需進一步開展研究，以達到不斷優化隧道照明設計、保障行車安全、提高駕駛舒適度的目的，從而推進綠色照明的發展。

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