公路隧道照明中對比顯示系數(shù)研究綜述

蔡賢云，田心怡，翁 季，黃 珂

（1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074；2.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045）

駕駛員白天進入公路隧道時所處光環(huán)境會急劇變化，即駕駛員從較亮的隧道洞外進入較暗的洞內(nèi)時會出現(xiàn)“視覺滯后現(xiàn)象”。因此，公路隧道入口段亮度水平是整條隧道照明設(shè)計的基礎(chǔ)。如果隧道入口段照明水平過低，駕駛員剛進入隧道時會出現(xiàn)視覺障礙，看不清前方的障礙物而導(dǎo)致交通事故；如果隧道入口段照明水平過高，會浪費大量電能而提高公路隧道的運營成本。

國際照明委員會CIE 88-2004研究報告推薦了3種公路隧道入口段亮度確定方法：1）采用k值法確定公路隧道入口段亮度值Lth，基于隧道洞外56.8°視野內(nèi)各個景物亮度得到洞外亮度Lseq后，再乘以亮度折減系數(shù)k即可得隧道入口段的亮度Lth［1］。2）SRN主觀評價法，該方法基于駕駛員對公路隧道入口段的主觀評價情況SRN（Subject Rating Number）和隧道洞外等效光幕亮度Lseq確定入口段亮度Lth［2-3］。3）考慮小目標(biāo)物與路面之間的亮度對比度C和公路隧道洞外等效光幕亮度Lseq，基于亮度對比度C確定入口段亮度Lth的方法［1］。

但是k值法中關(guān)于亮度折減系數(shù)k的取值依據(jù)在學(xué)術(shù)界存有爭議，SRN主觀評價法中SRN不同的取值對應(yīng)的入口段亮度差異較大，基于亮度對比度C和隧道洞外等效光幕亮度Lseq的方法則沒有考慮人眼視覺適應(yīng)及大氣亮度等影響因素。因此，在公路隧道照明設(shè)計中，國際照明委員會推薦采用察覺對比法。當(dāng)公路隧道入口段具有良好的照明水平時，可以保證隧道內(nèi)路面上的小目標(biāo)物具有足夠的可見度水平和亮度對比度，駕駛員在一個安全停車視距處可以察覺到路面上的小目標(biāo)物，此時小目標(biāo)物的亮度對比度高于察覺到小目標(biāo)物的最低亮度對比度（最小察覺對比度Cm）。察覺對比法的本質(zhì)是公路隧道入口段的照明水平能確保小目標(biāo)物的亮度對比度C不低于最小察覺對比度Cm。CIE 88-2004研究報告給出了基于察覺對比法的公路隧道入口段亮度計算公式［2］

式中：Lth為隧道入口段亮度，cd／m2；τws為汽車前擋風(fēng)玻璃光透射比；τatm為汽車前方一個安全停車視距SD內(nèi)近地大氣光透射比；Lt為目標(biāo)物表面反射光亮度，cd／m2；Latm為汽車前方一個安全停車視距SD內(nèi)近地大氣光亮度；Lws為汽車前擋風(fēng)玻璃透射光亮度，cd／m2；Lseq為駕駛員眼睛掃視前方物體所產(chǎn)生的等效光幕亮度，cd／m2；Cm為最小察覺對比度，推薦值為0.28，一般情況下為負值，即-0.28。

式（1）中的qc即為對比顯示系數(shù)，表示給定區(qū)域的路面亮度Lb與小目標(biāo)物面向行車方向垂直面中點處的照度Ev之間的比值（qc＝Lb／Ev）。對比顯示系數(shù)不僅影響隧道入口段的亮度取值，也是公路隧道照明質(zhì)量評價的主要指標(biāo)。

1 對比顯示系數(shù)概念溯源

日本學(xué)者Narisada和Yoshikawa在第十八屆國際照明委員會大會上指出，一個物體（反射系數(shù)已知）的亮度由照射在其表面的垂直照度Ev決定。路面亮度Lb和Ev的比值決定了這個物體的亮度對比度，比值Lb／Ev稱為“對比形成系數(shù)”（CRF）。基于Waldram的研究成果［3］，Narisada和Yoshikawa指出，正常人工照明條件下只要燈具光線分布情況不變，水平路面上任何一點的CRF值也不會改變，因此，CRF可以衡量照明設(shè)備形成亮度對比的能力。他們還計算了兩種主要隧道照明設(shè)備的CRF值（見表1），結(jié)果表明，隧道路面反射性能對CRF值的影響比照明設(shè)備類型對CRF值的影響大［4］。例如，低壓鈉燈間距5 m的條件下，水泥路面的CRF值為0.22，柏油路面的CRF值為0.15，前者比后者高出46.67%。而水泥路面下燈具間距為1 m，采用低壓鈉燈時CRF值為0.22；燈具間距1.5 m，采用熒光燈管時CRF值為0.23。后者相較前者只增加了4.55%。

表1 公路隧道照明系統(tǒng)的CRF值

國際照明委員會（CIE）《Tunnel Entrance Lighting》［5］（CIE 61-1984）指出，路面亮度Lb和小目標(biāo)物垂直面中點處照度Ev的比值Lb／Ev對小目標(biāo)物亮度對比度C產(chǎn)生影響，可用來衡量小目標(biāo)物的反射性能。Narisada和Yoshikawa確定了路面亮度Lb、小目標(biāo)物亮度Lt和小目標(biāo)物垂直面照度Ev后，依據(jù)式（2）確定小目標(biāo)物與路面亮度之間的亮度對比度C。研究發(fā)現(xiàn)，Lb／Ev對反射系數(shù)為β的目標(biāo)物亮度對比度C有決定性影響：目標(biāo)物亮度比路面亮度低時（負對比），Lb／Ev值增加，目標(biāo)物亮度對比度C也增加，瀝青路面時，Lb／Ev的最低值為0.15。

式中：Lb為路面亮度，cd／m2；Ev為小目標(biāo)物垂直面照度，lx。

《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》（CIE 88-1990）指出，亮度對比度C越高，小目標(biāo)物越容易被看到。逆光照明時會產(chǎn)生較高的路面亮度Lb和較低的垂直面照度Ev。不同照明方式下的Lb／Ev比值可通過測試得到，照明方式和Lb／Ev之間具有對應(yīng)關(guān)系：對稱照明時Lb／Ev≤0.2，逆光照明時Lb／Ev≥0.6。該報告指出僅在人工照明中考慮Lb／Ev，且照明系統(tǒng)中Lb／Ev值為0.2～0.6的情況很少見［1］。但Dijon和Winkin認為CIE 88-1990研究報告給出的Lb／Ev值僅在晚上才準(zhǔn)確，在白天Lb／Ev值明顯低于0.6，在公路隧道入口段前40 m處，Lb／Ev值甚至只有0.4。研究發(fā)現(xiàn)，對稱照明下公路隧道入口段的Lb／Ev值在0.1～0.2范圍內(nèi)（夜晚時可達到0.2）；逆光照明下Lb／Ev值為0.1～0.45，即便是在晚上Lb／Ev值也達不到0.6，順光照明下Lb／Ev值在0.05～0.1的范圍內(nèi)（夜晚時可達到0.1）［6］。

CIE 88-2004研究報告給出了基于察覺對比法的公路隧道入口段亮度計算公式［2］，該公式中的一項重要參數(shù)為對比顯示系數(shù)qc。

式中：qc為對比顯示系數(shù)；Lb為路面亮度，cd／m2；Ev為小目標(biāo)物面向行車方向中點處的垂直照度，lx。

2 對比顯示系數(shù)與照明方式

CIE 88-2004研究報告依據(jù)對比顯示系數(shù)qc，將公路隧道照明方式分為3種：對稱照明、逆光照明和順光照明。負對比時小目標(biāo)物（反射系數(shù)為0.2）的對比顯示系數(shù)qc值大于0.06，逆光照明時隧道入口段的對比顯示系數(shù)為0.6，對稱照明時對比顯示系數(shù)為0.2。為得到更精確的入口段亮度值，有必要計算實際照明情況下的對比顯示系數(shù)平均值。CIE 88-2004研究報告對比分析了逆光照明和對稱照明時的節(jié)能效果。設(shè)定各項參數(shù)，由逆光照明和對稱照明時的對比顯示系數(shù)qc，計算得到兩種情況下隧道入口段亮度值Lth，發(fā)現(xiàn)逆光照明時Lth值僅為對稱照明時的65.5%［2］。

上述研究報告定義了對比顯示系數(shù)qc，發(fā)現(xiàn)qc可影響小目標(biāo)物亮度對比度C，還明確了對比顯示系數(shù)qc與照明方式之間的關(guān)系。CIE 189-2010研究報告［7］指出對比顯示系數(shù)qc是公路隧道照明質(zhì)量評價體系的指標(biāo)之一，可分為對比顯示系數(shù)平均值qca和對比顯示系數(shù)最小值qcm。該研究報告推薦的公路隧道照明質(zhì)量評價體系還包括路面平均亮度、亮度總均勻度、車道中線亮度縱向均勻度、眩光控制和照明誘導(dǎo)性。

Thorn Lighting公司的《Tunnel Lighting》研究報告將對比顯示系數(shù)qc定義為隧道內(nèi)路面亮度與特定位置小目標(biāo)物垂直照度之間的比值。基于qc，公路隧道照明方式分為3種：對稱照明、逆光照明和順光照明［8-9］。對稱照明一般用于長隧道的過渡段和中間段，也可用于短隧道或低速隧道所有照明段；逆光照明時朝向駕駛員方向和車流運行方向之間的光分布不對稱，加強了水平亮度與障礙物之間的亮度負對比；某些情況下則必須強調(diào)亮度正對比，因此，經(jīng)常在隧道出口段采用順光照明，此時光的分布與行車方向一致。在雙向隧道入口段采用的逆光照明可以看作出口段的順光照明。

英國公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)BS 5489-2∶2003和BS 5489-2∶2003+A1∶2008［10］均指出常用的公路隧道照明方式為對稱照明（見圖1）和逆光照明（見圖2）。對稱照明確保路面背景與小目標(biāo)物之間產(chǎn)生良好的亮度對比度（正、負亮度對比均會出現(xiàn)），并保證同向行駛的其他車輛具有可見性，該標(biāo)準(zhǔn)還指出在對稱照明系統(tǒng)中沒有必要考慮對比顯示系數(shù)。逆光照明促使小目標(biāo)物和背景亮度之間的亮度對比更強烈，逆光照明對比顯示系數(shù)不低于0.6。

圖1 對稱照明示意圖

圖2 逆光照明示意圖

歐盟公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)《Lighting Applications-Tunnel Lighting》（CR 14380-2003）［11］指出，公路隧道照明效果由對比顯示系數(shù)qc衡量。逆光照明時，對比顯示系數(shù)qc應(yīng)高于0.6，對稱照明中qc大約為0.15。該標(biāo)準(zhǔn)指出對比顯示系數(shù)決定了路面亮度Lb與小目標(biāo)物亮度Lt的關(guān)系，因此，閾限亮度差ΔL0很容易求得。如果小目標(biāo)物能滿足朗伯定律，其亮度值可由式（4）求得［11］，并由式（4）得到式（5）。

式中：Lt為小目標(biāo)物亮度，cd／m2；ρ為小目標(biāo)物的反射系數(shù)。

式中：ΔL0為閾限亮度差，cd／m2。

式（5）表明，對比顯示系數(shù)qc值越高，路面亮度Lb值越低，并求得剛好能夠看見小目標(biāo)物的閾限亮度差ΔL0，這是逆光照明相較于對稱照明的主要優(yōu)勢。

美國公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)《Recommended Practice for Tunnel Lighting》（IESNA RP-22-05 IESNA）［12］分析了對稱照明（見圖1）、逆光照明（見圖2）和順光照明（見圖3）的特征。3種照明方式通過燈具配光曲線的變化營造出不同的小目標(biāo)物亮度與路面背景亮度之間的對比效果，逆光照明加強了亮度負對比，順光照明則加強了亮度正對比。

圖3 順光照明示意圖

Wout van bommel在《Road Lighting》中指出［13］，隧道照明方式有3種：對稱照明、逆光照明和順光照明。可以通過對比顯示系數(shù)qc劃分對稱照明和逆光照明。對稱照明時對比顯示系數(shù)值為0.2，逆光照明時對比顯示系數(shù)值不小于0.6。這些值并未考慮路面反射對小目標(biāo)物垂直面照度的間接影響，而漫反射性能好的表面會增加這種間接反射對垂直面照度的影響。

陳仲林等［14］基于人眼視覺科學(xué)（如等效光幕亮度）的研究成果，證實察覺對比法綜合考慮了人眼視覺特點、汽車前擋風(fēng)玻璃光透射與近地大氣透射光等因素的影響，因此，察覺對比法比現(xiàn)行的公路隧道照明k值法更接近實際情況。入口段亮度計算公式中的最小察覺對比度Cm、對比顯示系數(shù)qc等參數(shù)確定后即可得到隧道入口段的亮度最小值。當(dāng)尺寸為0.2 m、反射系數(shù)為ρ的小目標(biāo)物為漫反射材料時，可建立對比顯示系數(shù)qc與亮度對比度C之間的關(guān)系式（6）。正負亮度對比情況下，小目標(biāo)物與路面之間亮度對比度C越大則對比顯示系數(shù)越大。陳仲林等［15］指出，公路隧道照明察覺對比法中的對比顯示系數(shù)僅與物理量（亮度和照度）有關(guān)，而與駕駛員通過隧道時的視覺適應(yīng)和生理、心理無關(guān)。因此，建議采用察覺對比顯示系數(shù)qc反映視覺適應(yīng)情況，察覺對比顯示系數(shù)由9個指標(biāo)確定。

式中：C為小目標(biāo)物與路面之間的亮度對比度。

3 對比顯示系數(shù)影響因素

翁季等［16］、張青文等［17］通過公路隧道現(xiàn)場實測得到不同照明工況下的對比顯示系數(shù)qc。分析隧道入口段（只開啟基本照明）和中間段的對比顯示系數(shù)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，對比顯示系數(shù)與公路隧道內(nèi)光的空間相對分布有關(guān)，即對比顯示系數(shù)qc受到隧道照明方式、光源功率、燈具間距、燈具掛高、燈具配光曲線和隧道內(nèi)光的多次反射等因素的影響。殷穎在實驗隧道中實測得到不同照明方式時隧道入口段的對比顯示系數(shù)qc。逆光照明時qc平均值為0.562，順光照明時qc平均值為0.33，對稱照明時qc平均值為0.199。實測結(jié)果表明，亮度對比越強烈，對比顯示系數(shù)越大。

林勇［18］借助對比顯示系數(shù)qc計算軟件（見圖4）得到路面反射系數(shù)、墻面反射系數(shù)、頂棚反射系數(shù)、燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉(zhuǎn)角、燈具俯仰角和燈具配光曲線與對比顯示系數(shù)qc之間的關(guān)系。結(jié)果表明，路面反射系數(shù)與對比顯示系數(shù)幾乎呈線性關(guān)系，路面反射系數(shù)增加，對比顯示系數(shù)隨之增加（見圖5）。墻面反射系數(shù)對逆光照明有顯著影響，如圖6所示。墻面反射系數(shù)過高時會影響亮度對比度，相同條件下，墻面反射系數(shù)小于0.35時對比顯示系數(shù)小于0.6，此時照明方式已不屬于逆光照明的范疇［19］。

圖4 對比顯示系數(shù)計算軟件界面

圖5 路面反射系數(shù)與對比顯示系數(shù)的關(guān)系

圖6 墻面反射系數(shù)與對比顯示系數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)論

通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，對比顯示系數(shù)研究存在以下問題：

1）對比顯示系數(shù)qc作為衡量小目標(biāo)物反射性能的指標(biāo)，在現(xiàn)有公路隧道照明質(zhì)量評價體系中并未得到量化。

2）對比顯示系數(shù)與公路隧道內(nèi)光的空間相對分布有關(guān)，即qc受公路隧道照明方式、光源功率、燈具間距、燈具掛高、燈具配光曲線和隧道內(nèi)光的多次反射等因素的影響。現(xiàn)階段關(guān)于對比顯示系數(shù)一項或幾項影響因素的研究較多，但缺乏對對比顯示系數(shù)所有影響因素的系統(tǒng)性研究。

3）對比顯示系數(shù)對應(yīng)不同的照明方式。對稱照明時入口段qc≥0.2，逆光照明時入口段qc≥0.6。但3種照明方式下各照明段的對比顯示系數(shù)并無推薦值，更缺乏公路隧道各照明段對比顯示系數(shù)取值范圍的研究。

文獻中值得借鑒的研究思路與方法如下：

1）國際照明委員會CIE詳細論述了現(xiàn)有公路隧道照明質(zhì)量評價體系，北美照明工程學(xué)會將小目標(biāo)物可見度STV值用以評價公路隧道照明質(zhì)量。兩個評價體系為優(yōu)化完善公路隧道照明質(zhì)量評價體系提供了思路。

2）國際照明委員會、北美照明工程學(xué)會等隧道照明標(biāo)準(zhǔn)均探討了對比顯示系數(shù)與照明方式之間的對應(yīng)關(guān)系和對比顯示系數(shù)的影響因素。基于這些研究思路與方法可系統(tǒng)地研究所有影響因素下對比顯示系數(shù)的取值情況。

3）歐盟公路隧道照明標(biāo)準(zhǔn)分析了隧道入口段閾限亮度差和對比顯示系數(shù)閾值之間的關(guān)系。基于此可明確對比顯示系數(shù)閾值，依據(jù)對比顯示系數(shù)閾值得到隧道不同照明方式下的對比顯示系數(shù)取值范圍。