隧道洞外亮度研究的發(fā)展歷程

許景峰，吳 靜，何 滎

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

隧道洞外亮度（Adaptation Luminance）是隧道照明的重要基準參數(shù)之一[1]。為了使駕駛員在晝間行車進入隧道過程中具有良好的視覺過渡，滿足人眼從洞外高亮度環(huán)境到洞內相對低亮度環(huán)境的適應需求，隧道洞內各照明段的亮度值均需要進行合理確定，其中最主要的設計依據(jù)即是隧道洞外亮度。通常情況下，隧道洞外亮度越大，其隧道內部各加強照明段的路面亮度設計值越高。隧道洞外亮度值確定的合理與否對照明設施投資及運營維護成本的影響很大，如，在日本東京灣海底隧道設計中曾進行過對比分析，在其他條件相同的情況下，洞外亮度分別取值為4 000 cd/m2和6 000 cd/m2，則后者的設備費比前者要多出34%，年照明耗電量多30%[1-2]。因此，在滿足駕駛員行車安全舒適的前提下，合理確定隧道洞外亮度值對減少設備投資、降低照明能耗具有重要意義。

自19世紀60年代開始，各國學者就發(fā)現(xiàn)隧道入口段亮度與洞外亮度之間存在必然聯(lián)系。為合理確定隧道入口段及其他照明段的亮度水平，尋找入口段亮度與洞外亮度函數(shù)關系，許多學者開始對隧道洞外亮度及其駕駛員的視覺狀態(tài)進行模擬。然而，由于隧道洞外環(huán)境、景物多樣復雜，且駕駛員在駛向隧道過程中視場范圍內的景物及其所占比例是不斷變化的，如何科學模擬隧道洞外光環(huán)境的亮度值及其對駕駛員視覺狀態(tài)的影響是一個復雜的過程。因此，對隧道洞外亮度的研究，一直存在分歧與爭議。雖然隨著后續(xù)研究的不斷深入，各國學者在一定程度上取得了共識，但直至今日，對隧道洞外亮度的界定及其應用仍未能完全統(tǒng)一，其研究仍在不斷深化與完善。

因此，對隧道洞外亮度研究發(fā)展歷程的梳理，便于隧道照明研究人員更加全面、深入地認識和理解隧道洞外亮度的研究價值，提高設計與研究人員的理論知識水平，為隧道洞外亮度的后續(xù)研究及隧道照明事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供良好的基礎條件。

1 隧道洞外亮度的概念

隧道洞外亮度從廣義上來看，是指在隧道洞外一定距離處，駕駛員正對隧道洞口方向一定視野區(qū)域內的亮度總體水平。但由于實際情況的復雜和實驗研究條件的限制，在隧道照明的研究過程中，不同學者、不同研究階段對隧道洞外亮度的概念、取值及實驗模擬存在不同的界定。目前對隧道洞外亮度的定義主要有2種類型：一種是基于K值法的L20（S），以中國、日本等為例；另一種則是基于察覺對比法（以及SRN法）的等效光幕亮度Lseq，以CIE及美國為例。

1.1 洞外亮度L20（S）

根據(jù)中國現(xiàn)行的《公路隧道照明設計細則》，隧道的洞外亮度L20（S）是指在接近段起點S處，距路面1.5 m高正對洞口方向20°視場范圍內環(huán)境的平均亮度[1]，也被稱之為接近段亮度（Access Zone Luminance）[3-6]。該起點S在隧道洞口外一個停車視距（SSD，Stopping Sight Distance）處，如圖1所示。

1.2 等效光幕亮度Lseq

等效光幕亮度（Equivalent Veiling Luminance）Lseq指的是一種作為進入眼睛的散射光所產(chǎn)生的光幕現(xiàn)象，并用亮度來量化表達[7]，是駛向隧道時人眼適應亮度的一種定量評價[8]，即考慮駕駛員駛向隧道時，隧道周邊景物光線入射到人眼中發(fā)生散射所產(chǎn)生光幕現(xiàn)象的等效亮度。其視看起點也是在距隧道入口外一個停車視距，距路面1.5 m高處，不同的是其采用的是56.8°的視場范圍。

然而，該等效光幕亮度Lseq并非簡單地將56.8°視場范圍內的環(huán)境亮度進行平均，而是考慮了各個不同位置的景物光在人眼中發(fā)生散射所產(chǎn)生的等效光幕亮度的貢獻差異。根據(jù)CIE—88 1990與ANSI/IESNA RP-22-05標準規(guī)定[7-8]，等效光幕亮度Lseq可基于Holladay-Stiles修訂版的公式得出

式中：EGL為眩光源（景物光）在人眼中所產(chǎn)生的照度，l x；θ 為眩光源（景物光）發(fā)出的光線與人眼視線的夾角。

圖2所示的極坐標圖則是以上述公式為基礎，將2°視場范圍之外劃分成若干部分，其劃分原則是使每個區(qū)域的散射光在人眼中心處產(chǎn)生的等效光幕亮度，如各區(qū)域內亮度相等時，則每一個區(qū)域產(chǎn)生等效光幕亮度的貢獻相同。從圖2可以看出，在2°～56.8°的視場范圍內，按EGLi/θ12相等的原則分成9個環(huán)，每個環(huán)被等分為12區(qū)域，各環(huán)的角度關系如表1所示。

圖1 洞外亮度L20（S）示意圖

圖2 等效光幕亮度計算的極坐標示意圖

表1 等效光幕亮度極坐標圖的各環(huán)角度

2 隧道照明研究的發(fā)展歷程

上述2種隧道洞外亮度概念的產(chǎn)生是與隧道照明研究的發(fā)展歷程緊密相關的。通過對隧道照明研究歷程的梳理，了解2種隧道洞外亮度的由來及其歷史。

2.1 研究初期階段

自20世紀50年代，英國學者Waldram[5]率先指出行車進入隧道時“黑洞現(xiàn)象”的危險性及嚴重性之后，隧道照明作為隧道建設的一項重要內容，受到各國學者的重視。在隧道照明研究之初，各國學者進行了大量靜態(tài)和動態(tài)的模擬實驗和理論研究。但由于駕駛員駛入隧道過程的視看環(huán)境較為復雜，特別是用理論方法來建立實際駕駛過程中駕駛員視場范圍內的亮度分布及其變化的數(shù)學模型則更加困難。因此，大部分學者都是從基礎的模擬實驗研究開始，再經(jīng)過現(xiàn)場實測后，逐步形成并提出了相對完整的隧道照明理論體系。而這些基礎的模擬實驗研究都基于一定的假設前提，并進行了相應的簡化。不同學者在假設條件中選用的基本參數(shù)存在一定的差異，故而導致在研究之初出現(xiàn)了兩大對立的學派，即歐洲的Schreuder學派和日本的成定康平學派[2]。

在上述研究成果的基礎上，許多國家和學術團體分別在70年代相繼制定了各自的隧道照明標準、設計規(guī)范或設計指南。如，由北美照明工程協(xié)會（簡稱IESNA）提出的美國國家標準《隧道照明指南》（ANS/IES RP-22—1970），國際照明委員會（簡稱CIE）提出的《國際隧道照明建議》（CIE 23—1973），日本高速道路調查委員會提出的《隧道照明設計指南》和日本工業(yè)規(guī)范《隧道照明標準》等。但日本提出的隧道照明標準與歐美及CIE所推薦的標準在一些照明設計指標（如折減系數(shù)k值）的取值上存在較大的差異。

2.2 第2發(fā)展階段

隨后，上述的兩大學派在隧道照明研究方面經(jīng)過了較為長期的學術辯論后，在一定程度上取得了共識。在后續(xù)深入的基礎實驗與理論成果基礎上，各國也對之前的標準進行了補充與修訂。如，IESNA于1987年提出了《美國隧道照明國家標準》（ANSI/IESNA RP-22—1987），CIE于1984年提出了第61號技術文件《隧道入口段照明——確定隧道入口段亮度的基礎性調研》（CIE 61—1984），英國《道路照明設計實用規(guī)程第二部分：隧道照明》（BS 5487/7—1992），日本《公路隧道照明工業(yè)標準》（JIS Z 9116—1990）等。與此同時，中國也于1990年頒布了《公路隧道設計規(guī)范》（JTJ 026—90），并于1999年專門對隧道的通風照明進行了修訂，編制了行業(yè)標準《公路隧道通風照明設計規(guī)范》（JTJ 026.1—1999）。

2.3 第3發(fā)展階段

近些年來，隨著人眼視覺科學的發(fā)展與隧道照明研究的深入，各國根據(jù)這一階段的研究成果對隧道照明標準又進行了進一步的完善和修訂。如，歐盟的《照明應用——隧道照明》（CR 14380—2003（E））、CIE的《公路隧道和地下通道照明指南》（CIE 88—2004）、美國的《隧道照明實用規(guī)程》（ANSI/IESNA RP-22—2005），英國的《道路照明設計實用規(guī)程第二部分：隧道照明》（BS 5489-2：2003+A1：2008）等。中國也于2014年對原有《公路隧道通風照明設計規(guī)范》進行了修訂，并出版了最新的《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）。

經(jīng)過半個多世紀的研究，各國學者對隧道照明設計中的一些指標、取值及其相關計算方法仍未能完全達成共識，各國隧道照明設計標準中對隧道照明段的劃分、各照明段長度及路面亮度等指標的確定也存在一定的差異。因此，其研究仍在不斷深化與完善。

3 隧道洞外亮度的研究綜述

如前所述，目前在隧道洞外亮度的概念界定及其計算取值上存在洞外亮度L20（S）和等效光幕亮度Lseq2種類型。這2種隧道洞外亮度的概念在20世紀60年代隧道照明研究之初就被提及，分別為接近段亮度L0和標準視場等效亮度L'1，兩者的概念都是經(jīng)過大量基礎實驗和分析后被提出的。由于標準視場等效亮度L'1的計算與實測較為復雜，在研究之初主要用接近段亮度L0替代標準視場等效亮度L'1進行入口段亮度Lth（原L2）的確定，兩者之間的關系通過大量反復的基礎實驗進行了有效性驗證，如圖3、圖4所示。

此后，在1984年和1990年CIE提出的CIE 61—1984和CIE 88—1990技術文件中，正式提出了洞外亮度L20（S）的概念及作用，并補充了其定義和確定方法。在隧道洞外亮度的確定上，各國標準都對其進行了詳細的規(guī)定與建議，有些標準中直接給出了典型條件下隧道洞外亮度的建議值。CIE 88—1990、歐盟的CR 14380—2003（E），以及中國的JTJ 026.1—1999和JTG/T D70/2-01—2014等，都給出了不同環(huán)境條件下的隧道洞外亮度平均值，如表2、表3所示。

圖3 接近段亮度與標準區(qū)域等效亮度的關系

與此同時，在1990年的CIE 88—1990技術文件的附錄中，也提出了等效光幕亮度Lseq的確定方法，并采用對比度C、SRN主觀評價值來確定入口段亮度Lth的值。但由于Lseq的相關研究還不夠成熟和完善，尚未被正式推薦和采用。

隨著相關學者對等效光幕亮度Lseq的進一步研究和完善，CIE于2004年對CIE 88—1990文件進行了修訂，并正式提出了基于等效光幕亮度Lseq的察覺對比法來確定入口段亮度Lth的值，即

式中：τws為汽車擋風玻璃的光透射率；Latm為大氣的光幕亮度；Lws為汽車擋風玻璃的光幕亮度；Lseq為隧道洞外的等效光幕亮度；τatm為大氣的光透射率；Cm為目標物的最小察覺亮度對比度；ρ 為漫反射小目標物的光反射比；qc為測點處路面亮度和小目標中心點垂直面照度的比值（L/EV）。

從上述公式可以看出，CIE 88—2004技術文件中所推薦的察覺對比法考慮了人眼瞬時適應的影響以及由空氣中光散射和汽車擋風玻璃產(chǎn)生的光幕，以及影響駕駛員察覺路面上障礙物的各個因素，更符合駕駛員接近隧道時眼睛的視看環(huán)境，也能更真實地體現(xiàn)駕駛員在真實駕駛過程中的視覺反應。相比而言，等效光幕亮度Lseq考慮了隧道洞外復雜亮度環(huán)境中不同角度景物光給人眼視覺所產(chǎn)生等效亮度的貢獻差異，對駕駛員視看環(huán)境的模擬相對更準確，因此，近些年來也越來越受到研究人員的推崇與重視。

圖4 接近段亮度與入口段亮度的關系

表2 CIE和歐盟隧道照明標準中的洞外亮度L20（S）kcd·m -2

表3 中國隧道照明標準中的洞外亮度L20（S）

但由于等效光幕亮度Lseq的確定較為復雜，且目前尚未充分考慮人眼的視覺特征和駕駛員的視覺適應等問題，駕駛員行車過程中人眼標準視場等效亮度的研究仍在不斷完善。因此，中國、日本、英國等多個國家尚未將該方法列入國家標準中進行推廣，仍然以L20（S）作為隧道洞外亮度。

在洞外亮度L20（S）的研究方面，雖然各國標準對其取值及計算方法都作了較為成熟的規(guī)定，但標準中所建議的洞外亮度取值主要是以大量的實測研究為依據(jù)，未能充分考慮不同地區(qū)、不同洞口朝向對洞外亮度取值的影響，這也是不同標準的洞外亮度取值存在差異的主要原因。因此，中國最新的《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）中明確指出該取值只能作為設計參考，而最終洞外亮度取值仍需待隧道洞口工程完工后通過現(xiàn)場實測獲得。這在一定程度上也降低了隧道照明設計之初洞外亮度基準參數(shù)取值的可靠性。

4 結論

通過上述2種洞外亮度取值的發(fā)展歷程可以看出，伴隨隧道照明研究的不斷深入，2種洞外亮度的研究也在不斷補充和完善。目前，這2種類型的洞外亮度在隧道照明設計中有各自的特點和適用范圍。但無論是洞外亮度L20（S）還是等效光幕亮度Lseq，都是隧道洞外光環(huán)境在標準視場范圍內等效亮度的一種表達方式，都是反映隧道洞外光環(huán)境的重要指標和隧道照明設計的基準參數(shù)。

雖然目前大部分標準中仍繼續(xù)沿用基于洞外亮度L20（S）的K值法進行入口段亮度Lth的計算。但隨著后續(xù)研究對等效光幕亮度Lseq和察覺對比法的不斷補充和完善，等效光幕亮度Lseq將會成為表達隧道洞外亮度的更為準確的一項指標，以及隧道照明設計的重要基準參數(shù)之一。