道路隧道照明眩光評價

王 超，馬 非，劉 鵬，夏楊于雨

(1. 廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 廣州 510623；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司隧道與地下工程分院，重慶 400067；3.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

引言

根據人眼視覺特性，對隧道內部照明質量進行區段劃分為接近段、入口段、過渡段、中間段和出口段[1]。因為在隧道入口區域隧道內部與外部存在明暗差，為滿足駕駛員獲得正常視覺信息，所以從行車安全的角度來講，隧道入口段是照明區段中最重要的部分，也是隧道照明領域研究最多的部分。但從隧道照明整體需求量來說，隧道中間段縱向長度的照明相對出入口照明比重更大，駕駛者通過需求時間更長。據統計，隧道內發生交通事故的概率雖然不比洞外一般路段高[2]，但由于隧道內空間狹小，一旦發生交通事故，駕駛者沒有空間應對緊急情況，后果較一般路段嚴重得多。因此，從隧道中間段較長駕駛時間的安全性考慮，隧道中間段照明的改善和照明質量相關性研究是非常有必要的。

目前在道路照明眩光研究方面，傅翼等[3]分析了三種布燈形式下的隧道照明眩光影響，并得出其眩光影響范圍和影響程度。丁一等[4]在LED燈具曲面透鏡基礎上研究，提出一種非對稱單側蝠翼配光方法，通過優化曲面透鏡來控制和消除眩光。楊春宇等[5]主要研究了等效光幕亮度與失能眩光反應時間關系，并擬合了關系式。Gadegaard和Camponogara等[6，7]對LED燈具進行相關優化設計來提高照明性能，其他研究人員[8-11]在眩光方面也取得了一定的研究成果。從諸多現有眩光研究來說，針對多種配光形式的隧道照明研究不足，此次研究設定了燈具不同的光強分布條件，在此條件下進行仿真分析了隧道中燈具光通量與隧道內眩光值的相關性。通過相關性合理的調節燈具光強分布形式、光通量，并保證路面具有一定的亮度等級。使隧道中間段駕駛者在較暗的照明環境下能夠有較好的視覺視野和可見度。

1 眩光指標

眩光分為不舒適眩光和失能眩光兩種，不舒適眩光是指對觀察者引起視覺不舒適的眩光，是由眩光源的散射光線射入人眼而導致的不舒適性所引起的，主要取決于進入眼睛的光線數量，光源的亮度對之影響較小?？偟膩碚f，這種眩光對人眼的視覺能力并不造成實質上的影響。失能眩光是指使觀察者的視覺觀察能力降低的眩光，光源的亮度是主要的影響因素。失能眩光效應是由于在眼睛里雜散光產生的等效光幕Lseq疊加到垂直映像上，從而減小了目標物的對比度，降低了目標物的可見度[12]。

眩光作為一個十分重要的照明質量評價指標，在室內照明和室外照明中有著很廣泛的應用，具有代表性的指標有眩光指數(GR)和統一眩光指數(UGR)、眩光指數(GI)、視覺舒適幾率(VCP)、眩光限制系統(亮度限制曲線)、眩光指數方法等。

多年來，在公路照明領域主要是使用閾值增量TI和GR值[13，14]作為照明系統的質量評價指標。閾值增量TI表示失能眩光的程度，該參數是一客觀指標，可以通過測量其他照明指標而計算得出，其計算公式如下：

(1)

式中，A為駕駛者的年齡；Ee為由新安裝的燈具在垂直于駕駛者視線的平面內產生的照度值，其由縱向500 m范圍內的所有燈具所產生；Lav為路面的初始安裝亮度平均值；θ為駕駛者視線與每盞燈具中心的角度。按照CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》的規定，隧道內照明的閾值增量TI值應不大于15%。

眩光值GR越小，眩光控制得越好，GR值的計算公式如下：

(2)

式中，Lvl為燈具產生的光幕亮度，Lve為環境產生在光幕亮度。眩光控制等級GF值與眩光值GR的關系如下：

GR=(10-GF)×10

(3)

眩光值GR、眩光控制等級GF與人的主觀感受的關系如表1所示。在道路交通方面，當行駛緩慢時，GR值不應大于50，當為正常交通時，GR值不應大于45[15]。

表1 眩光和眩光控制等級與人主觀感受

2 計算模型

2.1 計算模型

計算模型采用三車道隧道斷面，凈空高度8 m，行車道所在的路面總寬度為13 m，行車道寬度3.75 m，如圖1所示。路面上方墻壁3 m高的范圍內敷設裝飾板或者噴涂其他反射率較高的材料。

圖1 計算模型及斷面Fig.1 Calculation model and tunnel cross section

照明燈具布置在隧道兩側，縱向間距為10 m，采用交錯布置形式，橫向位置位于兩側行車道中心線正上方，橫向間距為7.5 m，燈具的安裝高度為6.0 m，燈具的平面布置如圖2所示。

圖2 燈具布置形式Fig.2 Arrangement of lamps

2.2 燈具光強分布

在計算模型中采用了兩種光強分布形式，第一種是對稱照明形式，對應的燈具配光曲線如圖3(a)所示，第二種為逆光照明形式，對應的燈具配光曲線如圖3(b)所示。燈具的整燈光通量可設置2 500～6 000 lm不等，總體維護系數取0.8。

圖3 對稱、非對稱照明光強分布Fig.3 Light intensity distribution of symmetrical and asymmetric lighting

2.3 觀察點分布

GR觀察點位于行車道中心線上方，高度為1.5 m，觀察點與路面上注視點的夾角為2.0°。為了掌握縱向上不同觀察點的GR的變化，在兩盞燈具之間布置4個觀察點，加上燈具位置在內共設6個觀察點。此外，因為兩側車道照明環境相同，考慮到燈具與中間車道位置關系和三車道左右對稱關系，所以分別設定了右側車道6個觀察點(等同左側車道)和中間車道6個觀察點，并從行車方向(同車道內)分別命名為觀察點1～觀察點6，中間車道同等命名，如圖4所示。

圖4 觀察點分布圖Fig.4 Arrangement of observation points

3 眩光的影響因素分析

針對隧道眩光的影響因素提出是依據已有的眩光計算基礎之上來的。而隧道照明場景中的眩光值計算目前多選用CIE的眩光指數(GR)，GR值的計算公式見式(2)?？梢钥闯?，其直接變量有兩個，一個是燈具直接對眼睛產生的光幕亮度Lvl，另一個是環境對眼睛直接產生的光幕亮度Lve。燈具產生的光幕亮度可簡化理解為與燈具亮度有關，因為燈具性能指標光通量直接影響著照明的質量，即與亮度和照度相關，所以這里可以把燈具光通量作為一個眩光影響因素提出。環境光幕亮度影響因素有很多，涉及到環境本身材質特性，以及燈具亮度和燈具照明形式。這里的客觀環境不作討論，并排除已有的研究，燈具照明形式可考慮燈光分布曲線，即對稱配光形式下的環境光幕亮度和非對稱配光形式(可分逆光和順光配光)下的光幕亮度，并作為影響因素提出。

4 眩光仿真分析

此次模擬計算選擇了燈具配光形式和光通量兩兩結合進行研究隧道內的眩光值。為了充分模擬隧道光環境，隧道的墻壁反射率選擇設定為0.3。模擬計算場景是在隧道中兩盞燈具之間布置了4個觀察點和燈具本身位置總共6個觀察點上進行GR眩光仿真。

4.1 對稱配光下的眩光模擬計算

燈具配光形式主要分對稱和不對稱配光，模擬計算首先選擇在燈具對稱配光形式下進行光通改變仿真，并分析其對隧道內眩光值的影響?？紤]到燈具光通量作為自變量，故將其分成了7個等差遞增變量值，分別為3 000～6 000 lm的變量值。各參數設定后仿真模擬計算輸出結果見表2。

表2 對稱配光下光通量與眩光值

從光通量與眩光值計算輸出結果可以得出，光通量的增加對眩光值有略微的提高，每個觀察點隨著光通量的增加僅提高觀察點1的眩光值，其影響基本可以忽略不計。圖5和圖6為光通量的改變與各車道GR值關系圖，不同光通量下各車道上的GR值有所所不同，兩側車道整體上的GR值相比中間車道上的GR值要高1～10個數值；兩側車道6個觀察點中2～4觀察點比1、5、6觀察點的GR值高1～13個數值，即兩燈具之間眩光值比燈下眩光偏高；中間車道6個觀察點中1～4觀察點相比5、6觀察點的眩光值偏高2～13個數值，即行車方向第一盞燈具到下一盞燈燈具間的GR值有降低的趨勢。

圖5 對稱配光光通量與右(左)側車道GR值關系圖Fig.5 The relationship between the different luminous flux of symmetrical light distribution and the GR value of the right (left) lane

圖6 對稱配光光通量與中間車道GR值關系圖Fig.6 The relationship between the different luminous flux of symmetrical light distribution and the GR value of the center lane

4.2 非對稱配光下的眩光模擬計算

前面已經提到燈具配光有對稱與非對稱形式，而這里的非對稱配光又可細分為逆光和順光形式(順光與逆光配光形式完全相同，只是在幾何上對稱，方向相反)，即順逆光照明。所以這里進一步研究了順光條件下的光通量與眩光GR值的關系，以及逆光形式下相同關系條件的研究模擬計算。

1)順光配光模擬計算。這里模擬計算條件與對稱配光下眩光模擬計算保持相對等同，燈具光通量變量值同樣分成了7個等差遞增變量值(分別為3 000～6 000 lm的變量值)，右側車道和中間車道在兩燈具之間定義了相同的6個觀察點。光通量與眩光模擬計算輸出結果見表3。

表3 順光配光下光通量與眩光值

由表3可以看出，無論是兩側車道還是中間車道，以及光通量為3 000 lm或6 000 lm對整體眩光GR值的影響都很微小。順光配光形式下的最高GR值為15，眩光效應對人眼的影響幾乎不被察覺，眩光控制等級可達到8級以上。

2)逆光配光模擬計算。逆光下眩光模擬計算與順光模擬計算條件保持相對等同，僅逆光時燈具發光朝向與順光配光形式對稱，方向相反布設。逆光下光通量與眩光模擬計算輸出結果見表4。

表4 逆光配光下光通量與眩光值

逆光配光條件下，光通量與眩光值的模擬計算結果和上述對稱配光、順光配光條件下光通量與眩光值的模擬計算得出對比，光通量與各觀察點GR值擬合曲線增長斜率幾乎趨近于0，即進一步說明光通量對眩光值的影響性不大。而逆光下模擬計算得出相比對稱配光模擬計算得出也有相反之處，逆光模擬計算中隧道兩側車道GR值比中間車道GR低1～10個數值；同樣兩側車道6個觀察點中2～4觀察點比1、5、6觀察點的GR值高1～8個數值，中間車道6個觀察點中1～4觀察點相比5、6觀察點的眩光值偏高2～8個數值，逆光下模擬計算結果相比對稱配光模擬計算結果相同點，即兩側車道上兩燈具之間眩光值比燈下眩光偏高，中間車道第一盞燈具到下一盞燈燈具間的GR值有降低的趨勢。逆光配光光通量與各車道GR值變化關系圖見圖7和圖8。

圖7 逆光配光光通量與右(左)側車道GR值關系圖Fig.7 The relationship between the different luminous flux of counter-beam light distribution and the GR value of the right (left) lane

圖8 逆光配光光通量與中間車道GR值關系圖Fig.8 The relationship between the different luminous flux of counter-beam light distribution and the GR value of the center lane

5 結論

1)隧道內燈具光通量在3 000～6 000 lm范圍內改變，隧道內眩光幾乎不受其影響。

2)三種配光形式相比較下(對稱配光、順光和逆光配光)，非對稱光強配光中順光配光形式下隧道內眩光效應最低(GR值小于15)，且眩光控制等級達到8級以上，次之為對稱配光，逆光眩光效應最高(最高GR值為37)。

3)對稱配光與逆光配光計算結果對比相同點是，三車道中兩側車道上燈間眩光比燈下眩光高，平均高出5個數值，中間車道第一盞燈具到下一盞燈具間的GR值有降低的趨勢；不同點是，對稱配光形式下兩側車道眩光值要大于中間車道，逆光配光形式與之相反。

總體研究表明，三種配光下雖然順光配光照明有最高眩光控制等級(8～9級)，但是另外兩種配光下眩光值都在可接受范圍內，GR值均小于45，且眩光控制等級GF都在6級以上。