公路隧道逆光照明設計與照明效果模擬分析

摘要：文章以高速公路隧道照明系統設計為研究背景，采用DIAlux軟件進行模擬計算，對比分析常規照明設計方案和逆光照明設計方案的照明效果，得出逆光照明方案的照明效果更好，且其經濟效益好，具有良好的適用性。

關鍵詞：公路隧道；逆光照明設計；照明效果；模擬分析

中圖分類號：U453.7 A 31 109 3

0 引言

隧道位于地下，內部的可見度是影響行車安全的重要因素，因此不斷優化隧道內部的照明設計方案，是保證隧道安全快速運行的基本保證。優化隧道內部的各區域照明燈具的布置和照明亮度，可降低“黑洞”和“白框”效應［1］，縮短駕駛人的視覺停滯時間，減少或避免交通事故。在滿足照明亮度，保證隧道內部可見度要求的同時，還要充分考慮經濟效益，降低照明能耗，提高經濟效益。因此，在隧道照明設計中不能只是為了提高照明亮度而片面地增加燈具數量、提高燈具亮度，這會增加電能消耗［2］，應該做好節能設計，合理選用和布置燈具，并做好照明控制，在保證照明效果的同時減少能耗。逆光照明設計［3］是通過改變光的方向來改變照明效果的，通過改變光源傾角，合理確定最佳配光曲線，優化隧道照明設計。本文結合某高速公路長隧道照明設計實踐，根據隧道內部各照明段亮度要求布置照明燈具，并采用DIAlux軟件模擬分析確定設計效果。

1 隧道概況與常規照明設計方案

某高速公路長隧道左洞全長2 548 m，右洞全長2 542 m，隧道寬10.25 m，高5.0 m。該隧道采用雙洞單向交通，單洞雙車道設計，洞內行車速度為80 km/h。該隧道屬于長隧道，基本照明段長度較長，且需要布置大量燈具，前期投資大，后期運營期間工作量大，運營成本也較高。隧道基本段遠期設計較近期設計亮度高出0.25 cd/m2，故本隧道照明設計按遠期交通量作為參考依據。

隧道常規設計方案如下：該隧道洞外亮度L20（S）按3 000 cd/m2取值，入口段分為兩段，兩段長度相同，入口Ⅰ段和Ⅱ段亮度分別按入口亮度的0.15倍、0.05倍設計，過渡段也分為Ⅰ段和Ⅱ段，出口段長度為60 m，亮度為中間段的5倍。隧道左右兩洞各照明設計段長度與亮度如表1所示。

隧道常規設計采用高壓鈉燈，采用兩側交錯布置的形式，單側布置間距為12 m，燈具高度為4.5 m。隧道內部設置有應急照明系統，在隧道內變電所（站）檢修或救災時啟用，以防止由于隧道照明系統中斷。在變電所（站）內布設不間斷電源或應急電源，為應急照明燈供電。另外，隧道進出口均布置洞外引道照明，以保證夜間照明。本文取左洞為研究對象，照明燈具布置如表2所示。

2 隧道逆光照明設計方案

逆光照明設計是沿著隧道內車輛行駛方向照明，可提高前方道路的照明亮度，使駕駛人員在車輛行駛過程中更容易發現前方障礙物的背面輪廓，從而提高行車安全性。通過安裝一個反光器改變燈具的照明方向，使燈具照明方向與路面呈30°的傾角，將燈具的照明方向透射到車輛前方的路面上。逆光照明的原理是通過改變照明燈具的照射方向，在光照環境不變的情況下，提高隧道內障礙物的背景亮度，便于駕駛人員識別，提高照明效果和行車安全性。

結合隧道照明要求，逆光照明方案將基本照明和應急照明設計方案更換為逆光照明設計，照明燈具也更換為新型LED照明燈具，降低能耗，并采用智能調光模式控制隧道照明，根據洞外環境亮度調整隧道各照明段照明亮度，不僅可以節約能源，還可以提高照明效果。隧道逆光照明設計方案如下。

2.1 照明燈具布置

照明燈具布置采用拱頂側偏單光帶照明方案，布置在隧道洞頂偏左位置。這種布置方式可以有效解決雙側布置能耗高、維護不便等問題，照明效率較高。拱頂側偏單光帶布置方案不僅可以降低前期投入，還具有較好的效果，也便于后期運維管理。根據隧道內部的照明要求，照明燈具的布置間距通常為7～10 m。本項目隧道基本照明逆光照明設計照明燈具間距為8 m，加強照明按常規設計進行。

2.2 光源選取

本隧道逆光照明設計光源選用LED光源，該光源具有較好的方向性，顯色性好，更能適應隧道的照明環境，同時還具備耗能低的優勢。隧道各基本段的照明亮度要求不同，中間段的照明亮度要求最低，為中間視覺，照明亮度為0.003～3 cd/m2，不能以亮視覺（亮度＞3 cd/m2）進行設計，這就需要合理布置燈具，調節燈具的亮度，盡可能節約能源。根據有關研究成果［4］，在亮視覺條件下，人的眼睛對黃光更為敏感，而在微光條件下，人的眼睛對藍光更為敏感。高壓鈉燈主要為黃光光源，在微光條件下照明效果下降，而LED燈顏色有多種，具有更好的適用性。另外，LED燈光效比高壓鈉燈高1.5倍，且LED燈的發光效率還在不斷提高。

2.3 照明控制

為節約能源，提高照明效果，該隧道采用LED智能動態無級調光技術，可有效避免一些設計冗余，提高節能效果。LED智能動態無級調光控制可分為以下三種：

（1）實時控制法：隧道LED智能動態無級調光技術主要在白天應用，主要是因為白天隧道洞外環境亮度變化大，需要對不同時段、不同天氣的外部環境亮度進行實測，并根據實測結果實時調整洞內各照明段的LED照明燈具的亮度，以滿足行車要求。另外，隧道內照明燈具亮度調節的延遲時間一般取5～10 min最合適，以避免燈光亮度在臨界狀態下過于頻繁的轉換。

（2）時序控制法：夜間洞外環境亮度變化小，將控制模式由實時控制轉變為時序控制狀態，根據交通量的大小分時段進行無級調光控制，一般將燈具的功率控制在額定功率的50%左右。

（3）人工控制法：公路隧道管理人員通過操作照明監控軟件，根據隧道內的交通量、平均車速等指標的變化情況修改隧道入口段亮度折減系數k，調整洞內外照明亮度，控制交通量和平均車速。

總之，本隧道逆光照明設計基本照明光源采用LED燈，智能化動態無級調光控制，加強照明仍選用鈉燈照明。隧道左洞照明燈具布置如表3所示。

3 隧道逆光照明效果模擬分析

3.1 隧道照明仿真模擬

根據隧道內照明設計方案，先采用AUTOCAD軟件繪制隧道模型圖，然后將DWG文件導入DIAlux軟件中，繪制隧道三維模型。對比分析采用兩種隧道照明方案的隧道內亮度數據和3D效果圖，確定逆光照明設計方案的適用性。本文選取隧道基本段120 m作為研究對象，水泥混凝土路面反射系數為29%；隧道邊墻襯砌表面鋪貼瓷磚，反射系數為74%。

照明燈具按設計方案布置：常規設計方案采用70 W高壓鈉燈，采用雙側對稱布置，縱向間距為12 m，安裝高度為4.5 m；逆光照明設計方案采用70 W的LED光源，安裝在隧道拱頂偏左位置，安裝高度為4.8 m，燈具光線方向與垂直方向傾角為30°。隧道路面與邊墻材料不變。

3.2 照明效果模擬試驗結果對比分析

兩種照明設計方案的模擬3D仿真效果圖如圖1所示，兩種設計方案的路面亮度計算結果如表4所示。

由圖1可知，采用LED燈逆光照明方案的照明效果更好，隧道內照明亮度明顯高于常規設計方案高壓鈉燈的照明效果。

對比分析表4兩種方案路面亮度計算結果，在功率相同的情況下，采用逆光照明設計的隧道路面亮度的最小值、最大值和平均值均優于常規方案，說明采用逆光照明效果優于常規設計方案。由于LED燈投射效果好，投射角度更合理，光功率損失小，對隧道路面照明效果更好。兩種方案的隧道路面亮度的平均值均高于照明標準推薦值，因此兩種方案都是滿足照明要求的，但逆光照明設計方案的路面亮度更高，路面亮度總均勻度和縱向均勻度更高，照明效果更好。另外，隧道基本段逆光照明設計方案所選用的LED燈的數量更少，在功率相同的情況下可以得到更好的節能效果，且所耗費的電能更少，具有良好的經濟效益。

4 結語

本文以高速公路長隧道照明設計作為研究對象，采用DIAlux軟件模擬計算，分析模擬分析結果，得出以下結論：

（1）逆光照明設計方案較常規設計方案具有更高的照明亮度，說明采用LED燈逆光照明方案的照明效果優于常規方案鈉燈照明效果。

（2）隧道逆光照明設計方案路面照明亮度最小值、最大值和平均值均優于常規方案，說明采用逆光照明方案投射效果好，光功率損失也較小，隧道路面照明亮度更高。

（3）隧道逆光照明設計方案與常規方案相比，可以得到更高的照明亮度，且使用的燈具數量更少，電能消耗更好，照明效果和經濟效益均較好。

參考文獻

［1］李 志.照明方式與配光曲線對隧道照明質量的影響分析［J］.無線互聯科技，2021，18（4）：115-116.

［2］孫 垚，蔡彬峰，鄭國平，等.隧道照明燈具安裝方式及參數節能影響研究［J］.地下空間與工程學報，2020，16（S1）：389-395，402.

［3］丁 浩，劉 鵬，馬 非，等.公路隧道非對稱配光照明質量分析［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2020，39（10）：54-59.

［4］梁 波，陳 凱，何世永，等.基于不同視覺范圍的逆光照明質量研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2019，38（7）：40-47.

收稿日期：2022-11-01