基于DIALux的公路隧道洞口減光防眩措施評價

鄭 晅，魏 倩，李 雪，趙 陽

(1.長安大學電子與控制工程學院，陜西 西安 710064；2.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210004)

引言

在公路隧道，特別是水下隧道及城市隧道洞口處，由于隧道洞口缺乏綠色植被遮擋，洞內外亮度差異顯著，同時又受太陽眩光的影響，是交通事故的多發區[1，2]。為了緩和駕駛員視覺上的明暗交替沖擊，保證隧道洞口處的行車安全，一般在隧道洞口處設置減光措施。工程應用中，遮光棚等減光措施在打浦路隧道、葫蘆巖隧道、港珠澳大橋海底隧道等隧道工程中得到應用[3，4]。

隧道照明設計相關規范[5，6]提出了在隧道接近段采用洞外減光措施，可降低洞外亮度以達到節能的目的，并給出了接近段可采用的減光措施。但現有規范并未提出減光措施的量化設置標準。路面照度是評價減光措施減光效果的核心指標，由于減光措施內的路面照度需在隧道建成后才可以實測，而在設計階段缺乏減光效果量化評價方法。

已有研究人員對于隧道洞口減光措施展開了大量的研究。針對減光措施的減光技術研究，Sermin Onaygil等[7]提出可以在隧道入口段和接近段采用一定的措施來降低入口段的照明等級，提出了隧道洞口環境設置的具體方法。潘貝貝和翁季[8]分析了隧道減光措施的類型、優缺點及適用范圍，并論述了在實際工程中洞口減光宜優先采用遮光棚，但并未提出遮光棚的具體應用方案。在遮光棚長度設置方面，李英濤和程國柱[9]根據駕駛員視力恢復時間，給出了不同設計速度的隧道洞口減光隔柵段設計長度的建議值。李靖等[10]根據照明段亮度和長度曲線，確定了自然光采光段長度。陸遠訊等[11]結合遮光棚的經濟性和節能性，提出了遮光棚長度的計算方法。但他們并未對遮光棚的評價問題進一步研究和分析。針對遮光棚評價的研究中，艾杰等[12，13]以甘肅省某高速公路隧道洞口為例，進行了遮光棚的遮陽計算、結構尺寸及間距的擬定，并選取中午時刻，通過太陽照射到路面的漫反射效應產生的亮度和天空產生的亮度之和，計算洞口段亮度，以檢驗減光效果。但未從遮光棚內的路面照度方面對減光效果進行研究分析。穆堯[14]利用MAYA軟件創建隧道模型進行仿真實驗，通過參試者填寫的調查問卷，研究了不同太陽高度角下的遮光效果。但未從定量指標角度進行減光效果的評價。陶鵬鵬等[15]利用隧道微縮模型模擬真實隧道，多次測量不同形式的削竹式隧道進口瞳孔照度，并利用視覺負荷指標對削竹式減光措施進行分析和比選，評價各種削竹式減光措施的優劣。瑋寶等[16]以北碚隧道為原型，制作可調節構件間距的隧道遮光棚實驗模型，并利用照度計測試遮光棚下的模擬水平路面照度并繪制變化趨勢圖，得到了接近人眼明暗適應曲線減光效果的遮光棚方案。但利用隧道微縮模型評價減光效果的工程較復雜，且操作性不強。彭子暉[17]提出了上海長江隧道洞口遮光棚的優化設計，并在隧道建成之后，對光過渡效果進行了實測。但未在隧道建成前期，對減光效果進行量化評價。文獻[18]提出了洞口減光的量化指標，指出為防止洞口眩光，減光措施內路面最大照度值小于10 000 lx，但依然缺乏減光效果的前期評價方法。

基于目前隧道洞口減光措施的研究分析，對于減光措施的定量評價涉及較少，還需要進一步的研究與分析。因此，本文以蘇錫常南部高速公路太湖隧道(簡稱太湖隧道)為例，提出了利用DIALux模擬隧道洞口遮光棚日照場景的評價方法，確定遮光棚是否滿足公路隧道洞口的減光需求，對隧道洞口減光措施進行減光效果評價。

1 洞口遮光棚模型建立

1.1 洞口遮光棚設計方案

太湖隧道為雙向六車道，設置連續式緊急停車帶，長10.79 km，設計車速為100 km/h的湖底隧道。結構最大總寬43.6 m，單孔凈寬17.45 m，凈高7.25 m，是目前國內規模最大的水下圍堰明挖公路隧道。太湖隧道采用瀝青路面，減光措施采用鋼筋混凝土結構的遮光棚，且遮光棚長度為115 m。圖1為太湖隧道遮光棚效果圖。

圖1 太湖隧道遮光棚效果圖

太湖隧道西洞口的地理位置為東經120.1°，北緯31.43°，洞口方位為北偏西63°。為了實現洞口明暗平滑過渡，遮光棚采用混凝土遮光板開孔方案，按車輛駛出隧道方向，分為四段式設計。遮光棚總長115 m，厚度為1.2 m。其中第一段長為30 m，采光孔尺寸為2 m×2 m；第二段長為30 m，采光孔尺寸為2 m×4 m；第三段長為30 m，采光孔尺寸為2 m×10 m。采光孔與遮光板沿縱向、橫向各2 m間隔布設。第四段總長為25 m，采用格柵式設計，格柵寬為1 m，間隔為3 m。其中，第四段格柵直接與洞外相連，保證遮光棚整體的美觀。遮光棚的平面圖如圖2所示。

圖2 太湖隧道遮光棚平面圖

1.2 基于DIALux的仿真環境建立

1)DIALux的適用性。該軟件是以DIN 5034(室內日光照明)與CIE 110為依據，把天穹分成若干個參數化的照射面，這些照射面因天空模式、地理位置、日期與時間的不同而設置一個亮度，并且可以把太陽作為一個光源來計算太陽照射的直接光。Dialux4.13的天空類型根據CIE 110：1994的定義，分為陰天、晴天、一般天氣等，見表1。

為了準確表征太湖隧道洞口的日照情況，本文利用Dialux4.13的日光計算功能，分析太湖隧道遮光棚的減光效果。

表1 Dialux4.13軟件根據CIE 110：1994定義的天空類型

2)模型建立。為了仿真遮光棚內路面照度，在DIALux軟件中建立遮光棚模型，得到遮光棚的三維模型如圖3所示。

圖3 太湖隧道遮光棚的三維模型

3)參數設置。材質的不同會影響路面和遮光棚的反光系數，這將會影響路面照度的計算。為了更準確地對遮光棚減光效果進行評價，需給建立好的遮光棚模型表面賦予材質，實現隧道遮光棚的表面材質模擬。將遮光棚的表面賦予反射率為30%的水泥混凝土材質，并將道路路面的材質賦予為深色柏油路面，營造出實際隧道洞口遮光棚的空間環境。

4)場景設置。以太湖隧道西洞口為計算對象。根據DIALux中的地理位置數據，設置太湖隧道西洞口的經緯度、朝向及燈光場景。

為了模擬分析太湖隧道西洞口全年的日照情況，按照春季、夏季、秋季、冬季的太陽位置選取仿真日期，如3月21日(春分)、6月22日(夏至)、9月23日(秋分)、12月22日(冬至)，對每天分別設置晴天天氣；再對每一天從7:00開始，直到18:00，每隔1 h建立一個燈光場景。

5)計算面設置。為了對比日光下的隧道洞口路面照度及遮光棚內的路面照度，在計算前，設置兩個計算表面，分別是無遮光棚的洞口路面、遮光棚內的路面。確定計算表面后，在DIALux中進行日光計算，得出照度報表等信息。選擇所需要的信息進行太湖隧道日照分析，如效果圖、照度值等。

2 太湖隧道遮光棚的日照分析

2.1 春分、夏至、秋分、冬至日的日照仿真結果

1)春分日的日照結果。春分日3月21日全天為晴天時兩個計算面的照度值見表2。3月21日晴天時的照度變化曲線，見圖4。

表2 春分日3月21日(晴天)計算面各時段的照度變化表

表3 夏至日6月22日(晴天)計算面各時段的照度變化表

表4 秋分日9月23日(晴天)計算面各時段的照度變化表

圖4 春分日3月21日晴天照度變化曲線

2)夏至日的日照結果。表3列舉了夏至日6月22日全天為晴天時兩個計算面的照度值。6月22日晴天時的照度變化曲線，如圖5所示。

圖5 夏至日6月22日晴天照度變化曲線

3)秋分日的日照結果。秋分日9月23日全天為晴天時兩個計算面的照度值見表4。9月23日晴天時的照度變化曲線，如圖6所示。

圖6 9月23日晴天照度變化曲線

4)冬至日的日照結果。表5列舉了冬至日12月22日全天為晴天時兩個計算面的照度值。12月22日晴天時的照度變化曲線，見圖7。

圖7 冬至日12月22日晴天照度變化曲線

2.2 全年日照結果對比分析

3月21日晴天、6月22日晴天、9月23日晴天、12月22日晴天遮光棚內路面照度變化曲線，如圖8所示。

根據圖4～圖8的照度-時間變化曲線可知：

1)在隧道洞口設置減光措施后，可以有效降低洞口照度，改善駕駛員進出隧道時的視覺舒適性，更好地完成明暗適應過程。

表5 冬至日12月22日(晴天)計算面各時段的照度變化表

圖8 遮光棚內的路面照度-時間變化曲線

2)只有在晴天正午時，太陽光才會大量直射進入遮光棚內。尤其是夏季的正午時，遮光棚內的照度值可達到20 000 lx。3月21日和9月23日遮光棚內路面的最大值可達到13 000 lx。12月22日的路面照度較低，遮光棚內的照度值最大為3 282 lx。

3)設置遮光棚前后的路面照度之差隨著一天不同時刻而不同。在正午時差值較大，上午和下午時差值隨太陽高度的降低而減小。

4)盡管太湖隧道遮光棚起到了不少的減光效果，但是在夏季正午時間段內，遮光棚內的路面照度仍然達到了20 000 lx。對比文獻[18]，遮光棚內的路面照度遠大于減光防眩的照度值標準10 000 lx，不能滿足遮光棚的減光防眩效果。同時隧道內的照度標準通常只有30～80 lx[19]，近700倍的照度差異，超出了人眼的視覺適應范圍，使得駕駛員眼睛受刺激嚴重。

3 太湖隧道遮光棚的優化

根據太湖隧道遮光棚的日照分析結果，對比文獻[18]提出的減光防眩照度值標準，可通過改變遮光棚采光孔尺寸、遮光棚材質及遮光棚的厚度等提高減光效果，而通過縮小采光孔的尺寸最有效方便。因此建議對太湖隧道遮光棚的第一段采光孔尺寸進行調整，重點減小第二段、第三段區域采光孔尺寸，以提高遮光棚的減光效果。

3.1 太湖隧道遮光棚的優化建議

通過多次調整遮光棚的采光孔尺寸及間距，并對多種方案進行仿真，優化太湖隧道遮光棚，使得遮光棚內的路面照度值滿足文獻[18]提出的要求，得到遮光棚推薦方案，滿足隧道洞口減光防眩的要求。

3.1.1 遮光棚優化方案一

“2008年12月底，緊跟《患者安全十大目標》發布，醫院質控和相關部門在全院范圍進行了培訓和工作部署，要求各臨床醫技科室每月5日前開展科室、個人患者安全缺陷免責自報，護理部也明確了發生不良事件主動上報免責罰機制，并不再與績效、晉升掛鉤；2009年，開始危急值報告制度的落實和督查，2010年則進行了手術安全標識、手術安全核查等圍術期質量與安全工作督查。”憶及過往，張偉感慨，這就是“南大一附院的速度”。

根據太湖隧道遮光棚的日照分析結果，提出通過縮小遮光棚采光孔尺寸，增大遮光棚的厚度提高遮光棚的減光效果。

提出遮光棚優化方案一分為四段式設計，總長115 m，厚度1.5 m。第一段長30 m，改變采光孔尺寸為1.5 m×1.5 m；第二段長30 m，改變采光孔尺寸為1.5 m×3 m；第三段長30 m，改變采光孔尺寸為1.5 m×7 m。采光孔與遮光板沿縱向各2.5 m間隔布設。第四段總長25 m，采用格柵式設計，格柵寬1 m，間隔3 m。太湖隧道遮光棚優化方案一的平面圖和三維視圖如圖9所示。

圖9 太湖隧道遮光棚優化方案一模型

對遮光棚優化方案一進行日照分析，得到3月21日晴天、6月22日晴天、9月23日晴天及12月22日晴天的遮光棚內路面照度變化曲線，如圖10所示。

圖10 遮光棚優化方案一內路面的照度-時間變化曲線

從圖10可看出，太湖遮光棚的優化方案一滿足文獻[18]提出的要求。該方案僅從減光效果角度考慮，修改尺寸后的方案可達到減光措施減光要求，可供設計單位參考。

3.1.2 遮光棚優化方案二

根據太湖隧道的設計要求，需在出口處考慮人工照明因素，因此，在方案二中取消出口段靠近隧道洞口的遮光棚部分采光孔。其他尺寸和優化方案一相同。太湖隧道遮光棚優化方案二的平面圖和三維視圖如圖11所示。

圖11 太湖隧道遮光棚優化方案二模型

對遮光棚優化方案二進行日照分析，得到3月21日晴天、6月22日晴天、9月23日晴天及12月22日晴天的遮光棚內路面照度變化曲線，如圖12所示。

圖12 遮光棚優化方案二內路面的照度-時間變化曲線

從圖12中可看出，太湖遮光棚的優化方案二滿足文獻[18]提出的要求。但是，在日照分析過程中發現，由于出口段靠近隧道洞口處的遮光棚取消部分采光孔，導致遮光棚內的路面照度過低，路面照度在6月22日13：00點達到最大值8 957 lx，此時，靠近洞口的路面照度過低，照度值僅為116 lx。因此，提出增大靠近洞口處的采光孔，在保證洞口處路面照度值合適的條件下，使得遮光棚內的路面照度滿足文獻[18]提出的要求。

3.1.3 遮光棚優化方案三

根據優化方案二的分析結果，在優化方案三中增大靠近洞口處的采光孔。遮光棚優化方案三分為四段式設計，總長115 m，厚度1.5 m。第一段長30 m，采光孔尺寸為1.5 m×5 m；第二段長30 m，采光孔尺寸為1.5 m×6 m；第三段長30 m，采光孔尺寸為1.5 m×7 m。采光孔與遮光板沿縱向各2.5 m間隔布設。第四段總長25 m，采用格柵式設計，格柵寬1 m，間隔3 m。太湖隧道遮光棚優化方案三的平面圖和三維視圖如圖13所示。

圖13 太湖隧道遮光棚優化方案三模型

對太湖遮光棚優化方案三進行日照分析，得到3月21日晴天、6月22日晴天、9月23日晴天及12月22日晴天的照度變化曲線，如圖14所示。

圖14 遮光棚優化方案三內路面的照度-時間變化曲線

根據圖14的照度-時間變化曲線可知，考慮最不利的日光條件，夏至日6月22日13：00點時遮光棚優化方案三內路面的照度值最大，為9 848 lx。在全年中，太湖隧道遮光棚內的路面照度值均小于10 000 Lx，對比文獻[18]，遮光棚優化方案三滿足洞口減光要求。

3.2 遮光棚優化方案的比較分析

對太湖遮光棚三個優化方案進行日照分析比較，得到6月22日晴天天氣下的原遮光棚和遮光棚優化方案的路面照度變化曲線見圖15。

圖15 6月22日晴天，原遮光棚和遮光棚優化方案路面照度變化曲線

從圖15看出，優化后遮光棚路面照度大幅降低，比原遮光棚的減光效果更好。遮光棚優化方案二下的照度值較低，且靠近洞口處的照度值過低。遮光棚優化方案一及優化方案三下的路面照度值比較接近，但太湖隧道洞口需考慮人工照明因素，因此推薦選擇優化方案三。總體來看，在晴朗天氣陽光直射的情況下，遮光棚優化方案三對隧道洞口日光的調節作用較強，減光效果較好，滿足文獻提出的減光防眩照度值指標，遮光棚對隧道洞口日光調節效果明顯，可達到遮光棚減光要求。

4 結論與討論

本文依據減光措施內的路面照度指標，提出對公路隧道洞口減光措施減光效果的評價方法。

1)利用DIALux軟件對減光措施進行建模，并設置日光仿真環境，分析減光措施內的路面照度變化情況，判斷照度值是否滿足減光防眩的照度值標準，對減光措施的減光效果進行評價。

2)以太湖隧道遮光棚為例，利用DIALux軟件分析一年四季每天12個小時的日光照射情況，得到遮光棚內的路面照度水平，對比文獻[18]，發現遮光棚內的路面照度值大于減光防眩的照度值標準，不滿足遮光棚減光防眩要求。通過多次調整遮光棚的采光孔尺寸，并進行仿真，使得遮光棚內的路面照度滿足減光防眩的照度值標準，確定了遮光棚的推薦方案，達到減光防眩的要求。

3)為了洞口減光防眩達到更加良好的效果，需在隧道建成后，進行洞外亮度實測，進一步采集洞口亮度信息，檢驗并優化減光措施方案。