公路隧道照明理論與應(yīng)用技術(shù)研究綜述

吳 江，蔡賢云，張遠(yuǎn)旭，蔣征洋

（重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074）

公路隧道數(shù)量隨著高速公路通車?yán)锍痰脑黾佣黠@增加，隧道光環(huán)境成為交通安全的重要環(huán)節(jié)。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定長度超過100 m的公路隧道都必須安裝照明系統(tǒng)[1]。當(dāng)車輛剛進(jìn)入隧道時(shí)，視野中隧道外亮度遠(yuǎn)比隧道洞口內(nèi)亮度高，導(dǎo)致駕駛員無法在短時(shí)間內(nèi)辨認(rèn)出洞口附近的物體和狀況，這種現(xiàn)象被稱作“黑洞”效應(yīng)[2-3]。車輛從隧道駛出時(shí)，視野中隧道內(nèi)亮度遠(yuǎn)比隧道洞口外的亮度低，駕駛員無法在短時(shí)間內(nèi)辨認(rèn)出洞口外面的物體和狀況，這種現(xiàn)象被稱作“白洞”效應(yīng)[3]。“黑洞”效應(yīng)和“白洞”效應(yīng)會(huì)影響公路隧道行車安全，引發(fā)交通事故。通過調(diào)查挪威多個(gè)隧道的交通事故情況發(fā)現(xiàn)隧道的出入口處是事故的高發(fā)區(qū)域，且事故的嚴(yán)重程度高于其他區(qū)域[4]。

文章梳理了隧道照明設(shè)計(jì)理論和方法，探討了察覺對比法及其核心影響因素，如對比顯示系數(shù)、小目標(biāo)可見度和隧道照明燈具安裝方式。基于此，分析了太陽能發(fā)電和數(shù)字輔助等應(yīng)用技術(shù)在隧道照明中的使用情況。最后提出應(yīng)綜合考慮隧道照明設(shè)計(jì)理論、方法和相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)，以達(dá)到隧道照明安全、舒適、節(jié)能的目的。

1 隧道照明設(shè)計(jì)理論與方法

鑒于“黑洞”和“白洞”效應(yīng)影響行車安全和視覺舒適性，研究人員對此做了大量的基礎(chǔ)理論研究。

1.1 察覺對比法與對比顯示系數(shù)

國際照明委員會(huì)（Commission Internationale De L’Eclairage，CIE）在1990年的研究報(bào)告中，提出了采用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)的各個(gè)景物亮度得到洞外亮度L20后乘以亮度折減系數(shù)k得到隧道入口段亮度Lth。還推薦了SRN（Subject Rating Number）主觀評價(jià)法、等效光幕亮度Lseq和基于小目標(biāo)物與路面之間的亮度對比度C確定隧道入口段亮度Lth的方法[5]。然而，k值法中亮度折減系數(shù)k的取值在學(xué)術(shù)界存在很大爭議。歐洲D(zhuǎn).A.Schreuder 學(xué)派和日本成定康平學(xué)派對k的取值相差非常大，我國現(xiàn)有的規(guī)范是取兩個(gè)學(xué)派的中間值，但這也沒有充分的依據(jù)。其次，亮度折減系數(shù)k的取值沒有考慮到人體生理和心理相關(guān)指標(biāo)變化的影響[6]。SRN主觀評價(jià)法中關(guān)于SRN的不同取值確定隧道入口段亮度Lth差別較大，基于小目標(biāo)物與路面之間的亮度對比度C確定隧道洞外等效光幕亮度Lseq的方法也沒有考慮人眼視覺效應(yīng)和天空亮度的影響。胡英奎[7]指出了Adrian和Augdal使用的計(jì)算方法的不足，等效光幕亮度Lseq的關(guān)鍵是確定人眼視線和坐標(biāo)中各圓周所對應(yīng)的圓心角θi，但因公式內(nèi)其中一個(gè)因子的原函數(shù)不是初等函數(shù)，給計(jì)算造成困難。Adrian和Augdal分別通過兩種近似計(jì)算得出了差異較大的θi值，因此估算出的等效光幕亮度Lseq的值并不準(zhǔn)確，建議采用更為精確的矩形積分法計(jì)算該積分因子[7]。

CIE在2004年的研究報(bào)告中提出了全新的計(jì)算方法——察覺對比法[8]。該方法涉及對比顯示系數(shù)qc，定義為區(qū)域路面亮度Lb與小目標(biāo)物面向行車方向中點(diǎn)處的垂直照度Ev之間的比值。對比顯示系數(shù)作為公路隧Lth[9]。2010年，CIE在研究報(bào)告[9]中指出了對比顯示系數(shù)道照明質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)，影響隧道入口段的亮度值qc又可以分為平均對比顯示系數(shù)和最小對比顯示系數(shù)2個(gè)子系數(shù)[10]。翁季[11]通過實(shí)際測量和計(jì)算隧道路面給定區(qū)域測點(diǎn)處的路面亮度和小目標(biāo)垂直面上照度的比值發(fā)現(xiàn)，對比顯示系數(shù)不但與隧道照明方式有關(guān)，還與燈具間距和高度、功率、隧道內(nèi)裝飾產(chǎn)生的光線反射等因素有關(guān)。林勇[12]通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)路面反射系數(shù)和墻面的反射系數(shù)均與對比顯示系數(shù)qc呈線性關(guān)系，對比顯示系數(shù)qc隨路面反射系數(shù)和墻面反射系數(shù)的增大而增大。當(dāng)燈具安裝轉(zhuǎn)角為53°時(shí)，對比顯示系數(shù)qc取最大值。陳仲林[13]認(rèn)為從對比顯示系數(shù)qc的定義看，取值未考慮駕駛?cè)松砗托睦頎顟B(tài)的變化，建議使用察覺對比顯示系數(shù)qcp，該系數(shù)與目標(biāo)物亮度、背景亮度、大氣亮度、擋風(fēng)玻璃亮度、大氣透射比、擋風(fēng)玻璃光透射比等因素有關(guān)，同時(shí)又與駕駛?cè)藢ρ９飧惺艿某潭群妥钚〔煊X對比2個(gè)生理和心理因素有關(guān)。

1.2 小目標(biāo)物可見度

通常用可見度水平(visibility level，VL)衡量小目標(biāo)物可見度（small target visibility，STV），它表示目標(biāo)物亮度與背景亮度之間的差值與其閾限狀態(tài)時(shí)亮度差（閾限亮度差）之間的倍數(shù)。閾限亮度差與小目標(biāo)可見度、對比顯示系數(shù)緊密相關(guān)。1946年，Blackwell通過對19名正常視力的女性觀察者的實(shí)驗(yàn)確定了目標(biāo)物顯示時(shí)間為6 s的情況下不同視角和背景亮度下識別概率從10%到95%的亮度對比情況，由此得到識別概率為99.93%的人眼閾限亮度對比數(shù)據(jù)[14]。CIE 1981年發(fā)布的研究報(bào)告[15-16]，在Blackwell實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)建立了閾限亮度對比Cref與背景亮度Lref之間的關(guān)系，將相對亮度對比的概念加入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，得到閾限亮度對比Cref的數(shù)學(xué)模型。蔣宏指出目標(biāo)物的物理特性、天氣狀況、駕駛?cè)说纳眢w素質(zhì)和心理狀態(tài)均會(huì)影響小目標(biāo)可見度的取值，總結(jié)了小目標(biāo)物可見度的研究存在未考慮路面反射光的影響、車輛前照燈的影響、未考慮人眼非中心視野物體等幾點(diǎn)不足。對于人眼非中心視野物體影響，建議在計(jì)算小目標(biāo)可見度時(shí)首先修正目標(biāo)亮度和背景亮度，其次在觀察時(shí)間修正系數(shù)中增加光譜以修正反應(yīng)時(shí)間[17]。

翁季等[18]在閾限亮度實(shí)驗(yàn)的計(jì)算模型中，使用定值刺激法進(jìn)行閾限對比實(shí)驗(yàn)，得到了簡化的閾限亮度差計(jì)算模型。為了在實(shí)際道路照明中應(yīng)用，提出需要通過正負(fù)亮度對比修正系數(shù)Kf、小目標(biāo)物顯示時(shí)間修正系數(shù)Kt和年齡修正系數(shù)Ka進(jìn)行修正。陳仲林等[19]通過上述3個(gè)系數(shù)修正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，在其他條件相同情況下，不同識別概率的閾限亮度差之間的比例為一個(gè)常數(shù)。蔡賢云[20]將小目標(biāo)物可見度引入對比顯示系數(shù)的研究中，得出在不同觀察視角α和不同背景亮度下的閾限亮度差ΔL0，并求出對比顯示系數(shù)閾值qc0。崔璐璐[21]在重慶市交通科研設(shè)計(jì)院的實(shí)驗(yàn)隧道和虎溪大學(xué)城隧道中間段的研究中，發(fā)現(xiàn)在不提高路面亮度的情況下，不同色彩的光源對小目標(biāo)識別率有影響，且使用高顯色性的光源可提高目標(biāo)物的辨識率。

1.3 隧道照明燈具安裝方式

燈具的類型、安裝方式與隧道內(nèi)的光照分布有很大的關(guān)系。如果亮度不足，對駕駛?cè)说男熊嚢踩嬖谕{；如果太亮，造價(jià)又太高，也不符合節(jié)能減排的理念。公路隧道照明設(shè)計(jì)首先要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境狀況，對洞口進(jìn)行專門的照明設(shè)計(jì)，盡量減少“黑洞”效應(yīng)和“白洞”效應(yīng)的影響[22]。同時(shí)，在隧道內(nèi)采取有效的節(jié)能照明措施，既保證看清前方目標(biāo)，又可節(jié)省照明費(fèi)用。

公路隧道照明費(fèi)用在公路隧道運(yùn)營中占比較大[22]。屈志豪[23]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的雙側(cè)壁交錯(cuò)（或?qū)ΨQ）布置照明燈光帶的方案，拱頂側(cè)偏單光帶的布置方案效率更高、更節(jié)能、更有效降低運(yùn)營費(fèi)用、更利于維護(hù)管理。黨偉榮[24]使用軟件模擬陜西境內(nèi)的一條高速公路隧道，分析了拱頂側(cè)偏單光帶布燈方案諸多的不足：第一，該方案僅適用于兩車道，兩車道以上因路面較寬而亮度不足，不能很好滿足照明需要；第二，該方案僅適用于車流量較小的隧道。另外，在燈具安裝位置方面，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平曲線半徑小于1 000 m時(shí)，照明燈帶對駕駛?cè)说囊曈X有一定影響，因此，燈具應(yīng)沿曲線外側(cè)布置并縮小間距，考慮大型車輛遮擋燈光而產(chǎn)生陰影，影響后車行駛，建議將燈帶向左偏移，與行車道中心線的距離應(yīng)為1～2 m。目前，LED燈已經(jīng)成為隧道應(yīng)用的新型光源。LED燈的發(fā)光效率在隧道中可達(dá)80～100 lm/W，壽命可達(dá)50 000 h，且老化速度慢，使用大約20 000 h后發(fā)光量仍有原來的85%～90%，顯色性也優(yōu)于其他燈具[25]，因此，LED燈逐漸取代高壓鈉燈等光源。

2 隧道照明應(yīng)用技術(shù)研究

除了關(guān)注隧道照明中的基礎(chǔ)研究之外，也有大批學(xué)者結(jié)合其他學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)開展相關(guān)的應(yīng)用研究，以解決隧道照明中供電、控制系統(tǒng)等方面的問題，給隧道照明研究帶來新的視角和解決方案。

2.1 太陽能發(fā)電技術(shù)

在較偏僻的地區(qū)，電網(wǎng)供電系統(tǒng)的施工較為困難，遂提出了利用太陽能來發(fā)電的設(shè)想。太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)已在山區(qū)隧道的節(jié)能領(lǐng)域有了實(shí)際價(jià)值，節(jié)省了對供電系統(tǒng)的投資，也避免了電網(wǎng)供電不穩(wěn)定的影響[26]。張文俊通過的光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)，研究太陽光強(qiáng)度、太陽能板輸出功率和LED燈功率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明：第一，三者間具有線性正相關(guān)關(guān)系；第二，當(dāng)陽光充足時(shí)，太陽能電板給蓄電池充電，同時(shí)也給LED燈供電，當(dāng)陽光不充足時(shí)，太陽能電板給LED燈供電；第三，太陽能光伏電板角度固定時(shí)，LED燈的功率在上午10時(shí)至下午1時(shí)達(dá)到最大；第四，自動(dòng)追蹤模式下發(fā)光效能和穩(wěn)定性的優(yōu)勢更突出[27]。

2.2 數(shù)字輔助技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)和電子信息等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，“智慧交通”成為交通發(fā)展的新趨勢，目前隧道照明領(lǐng)域也有眾多結(jié)合計(jì)算機(jī)和電子信息的相關(guān)“智慧”技術(shù)研究。

聯(lián)動(dòng)BIM系統(tǒng)的VR技術(shù)。傳統(tǒng)的隧道照明設(shè)計(jì)只是從理論和經(jīng)驗(yàn)層面分析可能的場景，難以模擬還原完全真實(shí)的駕駛情況。BIM技術(shù)有直觀、動(dòng)態(tài)、便捷、易于管理的特點(diǎn)，可以把所建物的三維模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，并對其進(jìn)行各種分析和模擬。使用BIM軟件將隧道的設(shè)計(jì)信息錄入計(jì)算機(jī)中，調(diào)整其中某些燈光的參數(shù)進(jìn)行光照分析，保存得到的通用格式文件作為其他軟件的接口，再使用其他軟件（如3DS MAX）對模型信息稍作調(diào)整，最后可通過虛擬模擬引擎系統(tǒng)（如Unreal Engine）進(jìn)行虛擬駕駛，提高設(shè)計(jì)效率。在計(jì)算機(jī)外部設(shè)備方面，用戶可通過VR頭盔進(jìn)入虛擬駕駛系統(tǒng)沉浸式體驗(yàn)公路隧道環(huán)境[28]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。在公路隧道照明的節(jié)能減排方面，提倡合理選擇燈具、優(yōu)化照明參數(shù)、正確布置燈具間距，但節(jié)能減排是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，靠這些方法并不能完全達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。楊翠等[29]將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入公路隧道照明，打造“智慧交通”。將物聯(lián)網(wǎng)引入隧道照明是為了根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整隧道內(nèi)的燈光，從而高效率節(jié)能減排。

隧道照度自動(dòng)采集系統(tǒng)。隧道的建造和后期運(yùn)營維護(hù)階段，需要對隧道內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)行檢測，確認(rèn)照明效果能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)檢測通常采取人工現(xiàn)場檢測，使用手持照度計(jì)定點(diǎn)進(jìn)行采光檢測，最后將檢測數(shù)據(jù)處理并比對需求。但這種方法檢測效率低下、人員易疲勞、數(shù)據(jù)誤差大且不易處理。基于這個(gè)問題，長安大學(xué)賈光偉提出一種能夠自動(dòng)進(jìn)行采集分析的設(shè)備模型。整個(gè)設(shè)備安裝在小汽車內(nèi)，有照度傳感器、單片機(jī)和上位機(jī)3個(gè)小設(shè)備。通過實(shí)踐表明，該自動(dòng)檢測設(shè)備效率遠(yuǎn)高于人工檢測，且在經(jīng)濟(jì)上也能節(jié)省相當(dāng)一筆費(fèi)用，時(shí)間效益和經(jīng)濟(jì)效益也很明顯[30]。

3 結(jié)論

隧道照明的首要任務(wù)是盡可能緩解“黑洞”效應(yīng)和“白洞”效應(yīng)的影響，由此解決隧道行車安全、駕駛員視覺舒適度和節(jié)能的問題。對比顯示系數(shù)、閾限亮度差、小目標(biāo)物可見度等概念和計(jì)算方法，以及SRN主觀評價(jià)方法、察覺對比法等隧道亮度評估法，均與人眼視覺存在密切聯(lián)系。隧道照明設(shè)計(jì)的要點(diǎn)包括燈具的材質(zhì)和排列方式，目前LED燈和拱頂側(cè)偏單光帶的排列方式效率較高。

以上述研究為基礎(chǔ)，和其他學(xué)科領(lǐng)域知識交叉應(yīng)用，能夠使隧道內(nèi)的各種要素更可控。利用太陽能光伏電板可節(jié)約電能和節(jié)省偏遠(yuǎn)地區(qū)照明設(shè)備的施工成本，通過VR和IoT等數(shù)字輔助技術(shù)可模擬隧道照明設(shè)計(jì)的情景，自動(dòng)決策燈具開關(guān)，自動(dòng)采集隧道內(nèi)照度等。通過上述設(shè)計(jì)理論與方法、技術(shù)的綜合應(yīng)用，達(dá)到公路隧道照明安全、舒適、節(jié)能的目的。