公路隧道照明的數值計算方法及設計程序開發

李偉平，邱興友，崔優凱，鄭國平

(1.浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006; 2.浙江樂清灣大橋及接線工程建設指揮部，浙江 臺州 318000; 3.浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

引言

隧道照明系統擔負著保證交通安全和滿足隧道行車視覺舒適的重任。對于長度大于200 m的高速公路及一級公路隧道通常需要設置電光照明[1]。荷蘭研究機構曾對四座典型隧道的能耗進行過調查，盡管照明系統的安裝功率僅占總安裝功率的14%，但其實際能耗卻占隧道總能耗的53%[2]。歐洲其他國家的調研結果也類似[3]。在確保安全的前提下，降低照明系統能耗是推進交通設施低碳化的關鍵。

目前，在隧道照明節能領域開展的研究工作主要包括：通過測試提高洞口亮度基準值的合理性[4]、推廣采用LED等高效光源的燈具[5]、優化燈具布置方式[6]、采用智能化控制系統[7]、隧道側墻采用反射率較高的反光蓄能涂料[8]等。另一方面，定量化分析是提高照明設計精細化水平的基礎，而目前尚缺乏簡單實用的計算分析軟件。

本文擬基于IESNA LM-63標準的燈具配光數據文件，介紹隧道照明分析程序的開發，以提高設計效率，免除手工運算的強度和差錯，便于進行各種模擬計算分析，通過調整各種照明設計參數以達到優化設計的目的，使工程設計經濟合理。

1 隧道照明的數值計算方法

隧道照明定量化計算包括照度計算、亮度計算及均勻度計算。

1)照度計算方法。照度計算常用兩種計算方法，即利用光強表的數值計算方法和利用系數曲線圖的計算方法。前者的精度高，因此我們采用該方法進一步闡述。

對于基本段可以將兩盞燈具之間的長度范圍及路面寬度作為計算區域，在其他段落，可以按燈具間距的整數倍長度(通常取6～12 m)及路面寬度作為計算區域。在計算區域內按照一定的縱、橫間距確定若干計算點，其中縱向計算點間距不宜大于1.0 m，橫向計算點應不少于5個。某一燈具在洞內路面計算點產生的水平照度可按式(1)計算：

(1)

式中Epi為燈具在洞內路面計算點P產生的水平照度；γ為P點對應的燈具光線入射角(圖1)；Icγ為燈具在計算點P的光強值，按燈具光強表(I表)取值，詳見下章介紹；M為燈具的養護系數，通常取0.6～0.7；φ為燈具額定光通量；H為燈具光源中心至路面的高度。

圖1 亮度計算示意圖Fig.1 Luminance calculation

為了獲得更好的照明均勻度，通常需要將側排燈繞隧道軸線(圖2中X軸)旋轉一定角度θ。當采用逆光或順光照明時，尚需要將燈具繞橫向(圖2中Y軸)旋轉一定角度ζ。此時，燈具光軸線與路面的交點O并不位于燈具垂直下方(見圖1)，其坐標由式(2)求得，進而根據幾何關系可以確定各輔助線的長度，并求得燈具光線入射角γ為：

(2)

(3)

圖2 燈具光線入射角γ換算示意圖Fig.2 Caculation of the light inputting angle γ

計算時需要考慮計算區域兩側燈具對計算點照度的貢獻值，即需要分別計算這些燈具對該計算點的照度后再求和。這個范圍可稱之為“照明計算影響范圍”，通常取計算區域兩側各1倍計算區域長度范圍。路面平均水平照度則為所有計算點的水平照度累計值與計算點數量的比值。

2)亮度計算方法。照明計算影響范圍內的某燈具在路面計算點產生的亮度可按式(3)計算：

(3)

式中：LPi為燈具i在計算點P產生的亮度(cd/m2)；β為觀察面與光入射面之間的角度(圖1)；r(β，γ)為簡化亮度系數，按β角及tanγ值從《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)(以下簡稱《細則》)中的路面簡化亮度系數表中取值。照明計算影響范圍內數個燈具在計算點產生的亮度計算方法以及平均亮度計算方法與照度計算類似。

3)均勻度計算。路面亮度總均勻度可按式(4)計算：

(4)

式中U0為路面亮度總均勻度；Lmin、Lav分別為計算區域內路面最小亮度和平均亮度。

路面中線亮度縱向均勻度可按式(5)計算：

(5)

2 IESNA標準配光數據文件格式及讀取

2.1 常用的配光數據文件格式標準

照度和亮度計算過程中都涉及到燈具光強表，也稱為燈具配光數據文件。目前常用的配光數據文件有：IESNA LM-63標準、CIBSE TM-14標準、EULUMDAT標準以及CIE 102標準等。其中IESNA LM-63標準配光數據文件在世界范圍內應用廣泛，而且我國部分照明廠家及檢測機構均支持。因此，采用IESNA LM-63標準配光數據文件作為隧道照明分析程序的燈具光強分布表輸入文件。

2.2 IESNA LM-63標準配光數據文件

IESNA LM-63標準配光數據文件采用ASCII文本文件，在讀取之前需要了解其數據組成如下：

1)第一行為數據文件的版本標識，如2002版的標識行為：IESNA LM-63—2002。

2)從第二行開始直到“[TILT]=”行之間，是關鍵詞部分，每個關鍵詞都加上方括號“[]”，如表1所示。

表1 配光數據文件中的關鍵詞Table 1 The key words in the light distribution data file

3)光源傾斜引起的燈具光強輸出變化類型：

TILT =NONE| INCLUDE| filename

其中NONE表示燈具光強輸出無變化。INCLUDE表示可以通過下面四行參數來定義燈具光強輸出變化(表2)。Filename表示通過指定一個外部數據文件來定義燈具光強輸出變化。

表2 光強輸出變化類型Table 2 Type of intensity outputting

4)燈具光學參數如表3所示：

5)配光數據即光強表：

[垂直角度數列]

[水平角度數列]

[所有第一行水平角度的光強值數列]

[所有第二行水平角度的光強值數列]

……

[所有最后一行水平角度的光強值數列]

對于C 類燈具，垂直角度必須從0°或90°開始，90°或180°結束，水平角度總是以0°開始，根據燈具的對稱情況，可以0°、90°、180°、360°等四種角度結束，各結束角度的情況分別代表燈具全部對稱、四象限對稱、兩象限對稱和不對稱。

表3 燈具光學參數Table 3 Optical parameters

2.3 IESNA LM-63配光數據文件的讀取

采用Visual Basic中的Line Input #nFile語句逐行讀入；對于那些以空格分隔的、由若干數值組成的數列行，需要通過一定的編程技巧進行分離，然后把數據逐個賦值給光強表數組變量。

光強表數組可以用于照明分析，也可以用于查看配光曲線，如圖3所示。

圖3 從IES文件讀出并繪制的配光曲線Fig.3 Light distribution by IES file

需要注意的是，我國關于隧道配光檢測的標準《道路照明燈具光度測試》(GB 94682—1988)是參照CIE相關標準編制的，C0平面是順著行車方向的；而IESNA規定的C0平面是垂直于行車方向的，兩個標準間存在90°的差異。因為照度計算軟件一般都按照燈臂的方向(IESNA的C0-C180方向)調整路燈的傾斜角度，由于這90°差異，按照GB檢測的路燈在軟件中就無法準確調整傾斜角度。

3 隧道照明輔助設計程序開發

照明分析設計大量的為了提高設計效率，免除手工運算的強度和差錯，便于進行各種模擬計算分析，達到優化設計的目的，采用面向對象和模塊化編程的方法，開發了隧道照明輔助設計程序，具體包括以下幾個模塊：

1)區段亮度及長度計算模塊。該模塊用于隧道各照明段亮度與長度的計算，實現按照交通量分級分析，并考慮白天四級調光(晴天、云天、陰天、重陰)以及夜間兩級調光(交通量較大、交通量較小)。

對于單向交通隧道，隧道照明段按行車方向劃分洞外接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段；對于雙向交通隧道，《細則》并沒用說明如何劃分照明段，程序參照單向交通隧道，將隧道照明段劃分洞外接近段、入口段、過渡段、中間段、過渡段、入口段、洞外接近段。根據隧道長度的不同，智能調整區段劃分。

2)燈具回路及計算參數設置模塊。為了實現經濟性和可控性，隧道照明系統往往設置多個燈具控制回路，以適應不同的交通量、洞外亮度工況。燈具回路的定義包括燈具型號、安裝方式、轉角、起始安裝側、安裝起訖里程范圍等。

圖4 照明計算對話框Fig.4 The result display of lighting calculation

對于布燈方式，可以考慮沿隧道縱向的單排布置和雙排布置等多種形式。在雙排布置的情況下，既可對稱布置，也可交錯布置。

對于兩側布置的燈具，可以設置繞隧道軸線的轉角；對于中線布置的燈具，可以定義逆光或順光照明，即將光束集中朝汽車前進方向投向路面，從而提高目標的背景亮度，使前進方向車輛或目標更容易辨認。

程序還可以分別定義各個區段的燈具回路參數，也就說，同一個回路在不同的照明區段內其參數可以是不一樣的，這樣就提供了最大程度的靈活性。

3)各區段照明計算模塊。本模塊的主要功能是驗算各個工況下的照明設計指標是否達到規范要求的行車安全最小要求，其流程為：設置照明控制方案(各個天氣條件和交通量條件下對應的回路開關方案)→選擇計算區段→計算。

照明計算的內容包括最小照度Emin、最大照度Emax、平均照度Eav、最小亮度Lmin、最大亮度Lmax、平均亮度Lav、總均勻度Uo、縱向均勻度Ul。

如果各個工況下的各項指標均符合規范要求，那么說明照明回路定義的各項設計參數是合理的，否則應該進行調整。

4)結果輸出和繪圖模塊(圖4)。包括圖形和文字兩種形式。AutoCAD具有強大的繪圖功能，并為編程語言提供了二次開發接口。VB通過引用AutoCAD類型庫，可以在AutoCAD文檔中實現各種繪圖功能。圖形形式的輸出結果包括兩個內容，一是道路燈具平面布置圖，二是計算區域逐點亮度、照度計算結果圖，通過都是輸出到AutoCAD 的標準dwg 文件。文字形式主要是輸出rtf 格式的計算報告，用戶可以用Word 等文字處理軟件打開、查看、編輯。

4 結語

我們介紹了隧道照明的數值計算方法，包括照度、亮度及均勻度計算。當側排燈與隧道軸線有夾角，以及采用逆光或順光照明時，應根據幾何關系修正燈具光線入射角γ的計算。照明計算離不開燈具配光數據文件，IESNA LM-63標準的配光數據文件格式通用性強，且采用ASCII碼編寫，程序讀取方便，可以作為照明分析程序的推薦格式。

隧道照明設計程序包括了區段亮度及長度計算、燈具回路及計算參數設置、各區段照明計算、結果輸出和繪圖等四個模塊。其中各區段照明計算模塊是程序的核心模塊，提高了照明設計的精細化水平；結果輸出和繪圖模塊則直接提高了設計的效率。

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