公路隧道照明燈具安裝方式研究綜述

蔡賢云，田心怡，翁 季，黃 珂

（1.重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074；2.重慶大學 建筑城規學院，重慶 400045）

為確保公路隧道照明滿足安全、舒適和節能的要求，在隧道照明設計時需要確定隧道不同照明段的路面亮度水平。CIE 88—2004研究報告推薦了全新的公路隧道照明設計方法：察覺對比法，并給出了基于察覺對比法的公路隧道入口段亮度計算公式，其中一項重要的參數即對比顯示系數qc［1］。對比顯示系數是給定區域路面亮度Lb與小目標物面向行車方向垂直面的中點照度Ev的比值，表示為qc＝Lb／Ev。

研究表明，對比顯示系數與公路隧道內光的空間相對分布有關，即對比顯示系數qc與隧道內燈具布置方式、照明方式、光源功率、燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉角、燈具俯仰角、燈具配光曲線和隧道內光的多次反射有關。換言之，對比顯示系數qc與公路隧道照明燈具安裝方式有關［2］。

1 隧道照明方式

依據燈具的配光形式，公路隧道照明方式分為3種：逆光照明、對稱照明和順光照明。Dijon等［3］在條件相同（隧道幾何尺寸和所處天氣狀況均一樣）的隧道中通過實驗分析了對稱照明、逆光照明和順光照明在可見性方面的優缺點。實驗結果表明，相同條件下逆光照明時L／Ev值最大，順光照明時L／Ev值最小。以亮度對比度C和L／Ev作為衡量指標，在可見性方面順光照明相較逆光照明和對稱照明沒有優勢，在指引行車方面對稱照明具有良好的誘導性，而逆光照明能保證良好的可見性。為保證良好的可見性應將墻面高亮度區域限制在1 m的高度范圍內，并嚴格控制與車行方向一致的發光強度。

稻森真指出，日本公路隧道照明常用非對稱照明和單行排列照明兩種方式。非對稱照明又分為對稱照明、逆光照明和順光照明3種，其中對稱照明主要用于基本照明和入口段照明。稻森真還從光通量和使用壽命等方面對比分析了幾種常用的公路隧道照明光源（低壓鈉燈、高壓鈉燈、緊湊型熒光燈等），但他并沒有指出各種光源用于隧道照明時的優劣［4－5］。

日本NEXCO高速公路研究所的Sato等［6］研究發現：順光照明能加強小目標物輪廓的可見性，增加可見度。他們以總揭示能力（total revealing power）為衡量指標在東京和名古屋70座隧道內作了持續的追蹤和測試，研究結果表明，將LED應用于順光照明能確保良好的可見性和照明效率，從而防止追尾事故的發生，確保隧道行車安全與舒適。兩位學者指出，公路隧道出口段照明在滿足可見度要求后，運用順光照明時路面亮度水平比采用對稱照明時低得多，因此，隧道出口段采用順光照明時更加節能。

Lee等［7］指出，公路隧道出口段的“白洞效應”嚴重降低了司機白天駕車駛離隧道時的可見性。他們在隧道出口段采用對稱照明、逆光照明和順光照明模擬實際照明環境，得到小目標物、路面亮度和墻面亮度的實測值（見圖1）。研究結果表明，順光照明時出口段照明滿足亮度要求的同時又能達到足夠的亮度對比度，確保足夠的可見度水平［8］。

圖1 順光照明模擬實驗各界面測點布置圖及實測結果

2 光源選擇和燈具配光曲線

Tsai等［9］指出傳統公路隧道照明中嚴重眩光、照明水平不足和浪費電能等問題均與光源選擇有關。與傳統熒光燈相比，LED具有節能、減少眩光等優點［10］。為營造隧道照明低眩光和高均勻性的環境，根據燈具的截光理念控制光強分布，如圖2（a）所示，通過給LED光源增加透鏡改變燈具配光形式，如圖2（b）所示，模擬和實測得到的數據與研究成果吻合度很高［11］。

圖2 依據截光理念控制燈具的光強分布

郭興隆等［12］在1∶1公路隧道模型中測試LED和高壓鈉燈對小目標物辨識度的影響。研究結果表明，在同等亮度水平下，LED照明時小目標物可見度STV值比高壓鈉燈提高40%，說明LED照明下駕駛員視看條件更好，隧道照明中采用LED更節能。楊超等［13］從隧道照明燈具選擇等方面總結了公路隧道照明節能技術，從光效、平均壽命、啟動穩定性和耐震性能等方面分析常用的照明光源（高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、熒光燈和LED等）［14－15］。馬志功［16］從光源特性和節能效果出發分析了中國公路隧道常用的照明燈具，發現白光LED光源參數可達到150 lm／W，白光LED光效高、壽命長、顯色性能優于其他燈具，從實際工程分析發現，LED具有的動態調光功能可使總節能率達75%［17］。

CIE和CEN發布的公路隧道照明研究報告中指出，道路和隧道照明燈具配光曲線需在滿足路面亮度和眩光控制要求的基礎上盡可能降低能耗［18－19］。為調和照明系統的有效性與能耗之間的矛盾，Pachamanov等［20］指出，基于各個界面的反射系數考慮燈具配光曲線，在滿足路面平均亮度和其他限制條件的基礎上尋求燈具最低光通量參數。但是線性優化存在很多問題，如照明設備的幾何參數和路面反射特性，因此，他們選用優化模型使配光曲線平滑，從而提高照明效率，保證照明設施更加節能。兩位學者優化了保加利亞兩條高速公路的隧道照明燈具配光形式（見圖3）。

圖3 隧道燈具配光及優化

3 燈具布置方式和隧道內光的多次反射

燈具布置方式包括燈具安裝位置、燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉角和燈具俯仰角。隧道內燈具安裝位置情況共分為4種：拱頂側偏單光帶布燈、中間布燈、兩側交錯布燈和兩側對稱布燈。燈具偏轉角與3種照明方式（逆光照明、對稱照明和順光照明）有關，一般在－60°～60°之間，負值代表逆光照明，0°代表對稱照明，正值代表順光照明。燈具俯仰角決定了燈具光通量在隧道路面、墻面以及頂棚間的分配比。

3.1 燈具安裝位置

張阿玲［21］對比分析了公路隧道照明常用的布燈方式，提倡拱頂側偏單光帶布燈（中線布燈的變形）（見圖4）。當二車道隧道中間段設計亮度≥3.0 cd／m2或三車道隧道中間段設計亮度≤2.5 cd／m2時，基本照明宜采用“拱頂側偏單光帶布燈”，否則宜采用雙側對稱布燈或交錯布燈。過渡段和出口段加強照明宜優先采用與基本照明相同的布燈方式。當基本照明采用拱頂側偏單光帶布燈時，若過渡段和出口段加強照明無法滿足亮度要求，也可采用雙側對稱布燈或交錯布燈方式［22］。

圖4 隧道內燈具布置方式

黨偉榮等［23］認為，雖然拱頂側偏單光帶布燈在公路隧道照明中已普遍使用，但該燈具布置方式存在一系列問題（僅適用于兩車道和交通量較小的隧道）。通過計算機模擬發現燈具側偏行車道中心線的距離應為1.0～2.0 m，最大不宜超過2.0 m［24］。同時在隧道照明燈具布置中應考慮人眼舒適性，盡量將燈具安裝在隧道頂部兩側或中央，且安裝高度以4 m為宜；一般情況下，路面亮度均勻度不小于35%［25］。曾洪程［26］分析公路隧道常用節能燈具后發現，當設計車速為80 km／h時，選用高壓鈉燈的燈具間距一般為7 m；選用LED時，燈具間距可在7 m的基礎上提高，這也表明了LED燈在隧道照明節能上的優勢。采用拱頂側偏單光帶布燈方式時，燈具可在頂端中線偏置70～100 cm。楊超［27］建立了公路隧道中間段布燈參數優化模型，該模型包括中間段長度、單燈功率、燈具發光效率、中間段最小照度值和燈具總功率等參數［28］。薛保勇等［29－30］利用Ecotect照明仿真軟件建立公路隧道照明模型，并以路面照度、平均亮度和照度均勻度等為指標研究對稱布燈、交錯布燈和中央布燈。研究表明，中央布燈照明效果最好，對稱布燈照明效果最差，但該研究沒有考慮不同照明方式對照明效果的影響。

楊翠等［31］對比研究不同版本的公路隧道照明設計規范，分析了在不同版本公路隧道照明設計規范下隧道不同照明段（入口段、過渡段和出口段）的燈具安裝間距，如表1所示。

表1 不同規范下隧道不同照明段燈具間距

3.2 燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉角和燈具俯仰角

在燈具偏轉角的研究上，林勇［32］指出隧道照明燈具的最佳偏轉角為53°，對稱照明中燈具仰角發生變化后對比顯示系數仍比較穩定。徐雅琪［33］通過DIALux軟件模擬逆光照明，當改變模型中X軸的角度時可達到改變逆光偏轉角的目的（見圖5），對比不同傾角下的路面亮度測量值可找到最佳的燈具偏轉角，模擬得到的路面平均亮度等數據表明，逆光照明效率遠高于對稱照明。通過逆光照明優化的實際隧道工程（燈具傾角為30°）與原有方案對比發現，優化后路面平均亮度和亮度總均勻度等遠高于原方案［34－36］。

圖5 DIALux軟件模擬逆光照明

3.3 隧道內光的多次反射

楊韜［37］通過調研發現，公路隧道照明反射增量系數K與隧道內墻面反射系數、路面反射系數和路面墻面之間的直射光光通分配比3個因素有關。通過建立1∶10公路隧道模型得到了3個影響因素與反射增量系數之間的關系。研究表明，當隧道墻面反射系數為0.7，燈具直射光光通分配比為5.0～6.1時，瀝青路面可使路面平均照度提高11%～14%，混凝土路面可使路面平均照度提高13%～16%。因此，通過反射增量系數K與墻面反射系數、路面反射系數、光通分配比a之間的關系，可對隧道進行節能設計［37］。林勇［32］則通過對比顯示系數qc計算軟件，建立了對比顯示系數與路面反射系數、對比顯示系數與墻面反射系數之間的關系（見圖6、圖7）。

圖6 路面反射系數與對比顯示系數的關系

圖7 墻面反射系數與對比顯示系數的關系

4 結論

通過文獻分析發現以下不足：

1）公路隧道照明方式研究中缺乏對稱照明的研究。

2）推薦了不同照明段適用的照明燈具布置方式（中間布燈、拱頂側偏單光帶布燈、兩側對稱布燈和兩側交錯布燈），但推薦依據并不完善。

3）已有研究分析了公路隧道各個照明段的燈具安裝高度、燈具安裝間距、路面反射系數、墻面反射系數等，但未系統考慮公路隧道照明評價體系中的各項指標。

研究擬解決的問題，文獻中值得借鑒的研究思路與方法：

1）基于現有公路隧道照明質量評價體系確定隧道照明燈具安裝方式（照明方式、燈具布置方式、燈具安裝高度、燈具安裝間距、路面反射系數和墻面反射系數等）的方法依然值得借鑒。

2）明確各個照明段的燈具安裝方式后，通過隧道照明質量評價體系評估對應的隧道照明光環境質量。