隧道照明過渡段亮度動(dòng)態(tài)需求探討

邱 凡 馬小軍 劉乃濤 林 衛(wèi) 劉 向 臧增輝

(1.南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210009;2.南京漢德森科技股份有限公司，江蘇南京 211100;3.南京項(xiàng)目管理有限公司，江蘇 南京 210006)

1 引言

按照 《JTJ 026.1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，長度大于100m的隧道應(yīng)設(shè)置照明［1］。由于早期光源制造工藝落后，調(diào)光性能差和控制手段落后等技術(shù)條件的限制，為了確保在各種情況的安全，隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以亮度需求最大的情況考慮，存在大量冗余，使得過量照明嚴(yán)重。洞外亮度按夏天中午的最大亮度進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際洞外亮度隨天氣、季節(jié)和時(shí)間不斷的變化。由于光源亮度隨著使用時(shí)間的增加而衰減和燈具受到污染而亮度下降，為確保安全，按照文獻(xiàn)［1］取0.7的維護(hù)系數(shù)。除此以外，還要考慮一定的設(shè)計(jì)冗余［2］，造成過量照明。文獻(xiàn)［1］中入口段、過渡段、中間段、出口段按階梯型取值，布燈時(shí)無論對(duì)稱布置、交錯(cuò)布置、中間布置還是分回路布置，由于單個(gè)燈具的功率較大，使得燈具間的距離也較大，都會(huì)造成照度分布不均。熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等燈具不能調(diào)光或調(diào)節(jié)范圍小，并且調(diào)光復(fù)雜，成本高，所以目前的隧道照明系統(tǒng)一般不能調(diào)光或分回路有級(jí)調(diào)光［3］。LED燈光效高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)時(shí)間短，調(diào)光方便［4］，在隧道照明中具有廣闊的前景。

2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和CIE標(biāo)準(zhǔn)的比較

在公路隧道照明中，介于入口段與基本段之間的照明區(qū)段稱之為過渡段。其任務(wù)是解決從入口段高亮度Lth到基本段低亮度 Lin的劇烈變化給駕駛員造成的不適應(yīng)現(xiàn)象，使之能有充分的時(shí)間過渡，并以漸變的加強(qiáng)照明實(shí)現(xiàn)這個(gè)過渡［5］。 《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026.1—1999》中采用CIE適應(yīng)曲線Ltr=Lth(1.9+t)－1.4，作為過渡段亮度與長度劃分的依據(jù)。TR1、TR2、TR3三個(gè)過渡照明段的亮度比例按3∶1劃分，如圖1所示。

圖1 國內(nèi)過渡段長度與相應(yīng)亮度的劃分

Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth，Ltr3=0.035Lth，亮度變化較大，尤其是第一次多達(dá)0.7Lth，若取洞外亮度L20(S)=5000cd/m2，行車速度v=80km/h，亮度折減系數(shù) k=0.035，Lth=5000×0.035=175cd/m2和過渡1段的連接點(diǎn)處，亮度變化多達(dá)122.5cd/m2，不利于眼睛的調(diào)節(jié)和適應(yīng)，不利于行車安全。按照文獻(xiàn)［2］計(jì)算，三個(gè)過渡段的總長度為72+89+133=294m，總的適應(yīng)時(shí)間為13.23s。雖然 《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范 JTJ026.1—1999》參考了《CIE88—1990.GUIDEFORTHELIGHTINGOF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES》［6］，但 隧 道內(nèi)各段的劃分上有所不同。CIE標(biāo)準(zhǔn)將過渡的過程分為三個(gè)部分，在前一半停車距離上亮度維持 Lth，使駕駛員適應(yīng)在隧道的行駛，后一半停車距離開始降低亮度，先線性下降為0.4Lth，然后進(jìn)入漸變區(qū)，亮度按適應(yīng)曲線Lth(1.9+t)－1.4逐漸降低，直到等于Lin，如圖2所示。

圖2 CIE的隧道亮度適應(yīng)曲線

以上均為理想的過渡過程，由于前期技術(shù)條件的限制，無法對(duì)燈具按照適應(yīng)曲線的亮度要求進(jìn)行按需調(diào)節(jié)，而是將CIE適應(yīng)曲線進(jìn)行劃分為三段［1］，亮度取值分別為0.3Lth，0.1Lth，0.035Lth，適應(yīng)距離分別為Dtr1=Dth/3+v/1.8;Dtr2=2v/1.8;Dtr3=3v/1.8。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的過渡段，包括了由Lth到0.4Lth和由0.4Lth到Lin兩個(gè)適應(yīng)過程。實(shí)際上適應(yīng)曲線不是固定不變的，是隨洞外亮度實(shí)時(shí)變化的，適應(yīng)距離也是由適應(yīng)時(shí)間和車速算出。為了確保行車安全，《規(guī)范》中按最大洞外亮度進(jìn)行考慮，使得當(dāng)洞外亮度變小時(shí)，過渡段的亮度遠(yuǎn)大于實(shí)際要求，同時(shí)由于過渡段長度的固定，又造成過渡段長度大于實(shí)際需求，多開了照明燈具，造成電能的浪費(fèi)。

同時(shí)由于分段調(diào)節(jié)，亮度呈現(xiàn)階梯型變化，且是4次較大亮度的跳躍，不利于行車的舒適性和安全。亮度階梯型變化和適應(yīng)曲線的對(duì)比如圖3所示。

圖3 亮度階梯型變化和適應(yīng)曲線的對(duì)比

3 利用CIE適應(yīng)曲線求取各個(gè)點(diǎn)的亮度需求

設(shè)入口為原點(diǎn)，x為汽車在隧道內(nèi)的位置，假設(shè)汽車以設(shè)計(jì)車速v勻速行駛，剛進(jìn)入隧道內(nèi)時(shí)，前半個(gè)照明停車視距內(nèi)需求亮度為L=L;后半個(gè)照明停車視距內(nèi)，需求亮度ths由L線性下降為 0.4L，對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)ththth(Ds，0.4Lth)求直線得式 (1):

解 (1)得:

亮度下降到0.4Lth后按適應(yīng)曲線Lth(1.9+t)－1.4逐漸降低，直到等于L［in6］，這個(gè)過程的過渡時(shí)間可由方程 Lth(1.9+t)－1.4=Lin，解得 t=10a－1.9，令a=

設(shè)x=DT為過渡段和中間段的連接點(diǎn)，汽車以速度v運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)DT，則

所以

亮度需求由0.4Lth過渡到Lin的過程中，亮度需求

所以，從剛進(jìn)入隧道，到過渡到中間段整個(gè)的適應(yīng)過程的亮度實(shí)際需求函數(shù)為:

4 動(dòng)態(tài)調(diào)光方案

4.1 洞外亮度變化時(shí)，適應(yīng)曲線的變化

某隧道設(shè)計(jì)車速80km/h，雙車道單向交通，水泥混凝土路面，縱向坡度2%(Ds取95m)，設(shè)計(jì)交通量21865輛/日，隧道內(nèi)路面寬度 W=9m，燈具的安置高度5m，洞外亮度取 L20(S)=5000cd/m2［7］。

當(dāng)車流輛較大時(shí)，k取0.035，Lin取4.5cd/m2，按照 《規(guī)范》有:

適應(yīng)距離共383.78m，適應(yīng)時(shí)間為17.27s當(dāng)車流量小時(shí)，k取0.025，Lin取2cd/m2

適應(yīng)距離共383.78m，適應(yīng)時(shí)間為17.27s

按照動(dòng)態(tài)調(diào)光方案，當(dāng)車流量較大時(shí)，L20(S)變化，適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間的變化如表1，圖4所示。

當(dāng)車流量較小時(shí)，L20(S)變化，適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間的變化如表2，圖5所示。

適應(yīng)時(shí)間的長短主要決定于Lth/Lin的大小，Lth/Lin越大則適應(yīng)時(shí)間越長，而 Lth由洞外亮度 L20(S)決定，所以L20(S)和Lin相差越大，適應(yīng)時(shí)間越長。從表中可看出，按照 《規(guī)范》當(dāng)車流量較小時(shí)，取較小的Lin，使得Lth/Lin變大，反而需要更長的適應(yīng)時(shí)間和適應(yīng)距離。同等條件下Lin越小，過渡段越長，基本段越短，如圖6所示。所以，基本段亮度的取值不僅要考慮車速和交通量，還要考慮過渡段和基本段長度不同所花費(fèi)照明成本。

圖4 車流量較大時(shí)，洞外不同亮度對(duì)應(yīng)的洞內(nèi)亮度需求曲線

表1 車流量較大時(shí)，洞外不同亮度對(duì)應(yīng)的適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間

表2 車流量較小時(shí)，洞外不同亮度對(duì)應(yīng)的適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間

4.2 動(dòng)態(tài)調(diào)光的調(diào)節(jié)條件分析

按洞外最大亮度和最高行車速度計(jì)算出最長的過渡段距離，為了提高亮度的均勻性，燈具沿隧道均勻交錯(cuò)布置，如圖7所示。當(dāng)洞外亮度變小時(shí)，可以關(guān)閉一些不必要的加強(qiáng)燈，只開基礎(chǔ)燈。

由于燈具是間斷布置的，各點(diǎn)的亮度需求是連續(xù)變化的，通過調(diào)節(jié)燈具的亮度使得所有點(diǎn)同時(shí)恰好都滿足亮度要求非常困難，所以取典型的照明區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象如 M1，M2，M3，使在該區(qū)域內(nèi)的平均照度和需求的平均照度相等為調(diào)節(jié)的條件。同時(shí)為了體現(xiàn)行駛方向亮度逐漸降低的要求，燈具的實(shí)際光通量也應(yīng)該是逐漸減少，減少的幅度與燈具間的距離和燈具的配光曲線有關(guān)。

設(shè)減少的幅度為ζ(0<ζ<0.5﹚則燈具①～⑨的光通量分別為:(1+ζ)Φ1，Φ1，(1 －ζ)Φ1;(1+ζ)Φ2，Φ2，(1 － ζ)Φ2;(1+ ζ)Φ3，Φ3，(1 － ζ)Φ3;并且滿足(1－)Φ1>(1+Φ2，(1－ζ)Φ2>(1+ζ)Φ3的值可通過現(xiàn)場測量選取。由于燈具均勻布置，光通量逐漸降低，若 M1，M2滿足照度要求，M1，M2之間的 M12也能滿足要求。M1，M2，M3等作為一個(gè)計(jì)算和控制單元，以M1為例進(jìn)行照度計(jì)算。

圖5 車流量較小時(shí)，洞外不同亮度對(duì)應(yīng)的洞內(nèi)亮度需求曲線

圖6 相同洞外亮度，不同車流量的亮度需求曲線

利用系數(shù)曲線圖計(jì)算路面的平均水平照度可按式 (4)計(jì)算:

圖7 過渡段的典型區(qū)域燈具布置

式中 N——燈具布置系數(shù)，對(duì)稱布置時(shí)取2，交錯(cuò)及中線布置時(shí)取1;

η——利用系數(shù);

W——隧道路面寬度;

S——燈具間距。

由于現(xiàn)在每盞燈的光通量不同，對(duì)式 (4)做如下改進(jìn):

該區(qū)域的平均亮度為:Lav=(L1+L2+L3)。

L1，L2，L3為燈具①②③所在位置的亮度實(shí)際需求，可由上面求得的亮度實(shí)際需求函數(shù)式 (3)計(jì)算。

平均亮度與平均照度間的換算關(guān)系一般可按瀝青路面 (15～22)lx/cd·m－2，水泥混凝土路面(10 ～13)lx/cd·m－2選?。?］。調(diào)節(jié)各個(gè)燈具的光通量，使得Eav=Ex。但這樣會(huì)使洞外亮度有微小的變化或系統(tǒng)有微小的干擾，都會(huì)使燈具進(jìn)行調(diào)光，影響燈具的壽命。為了避免頻繁地調(diào)光，當(dāng)|Eav－Ex|≥ε(ε為預(yù)先設(shè)定的某個(gè)較小的數(shù))時(shí)，系統(tǒng)才進(jìn)行調(diào)節(jié)。

LED的光輸出基本與輸入功率或者輸入電流成正比，因而LED的調(diào)光很簡單，只要調(diào)整LED的輸入電流即可。一般采用PWM調(diào)光的方法。PWM調(diào)光是保持電流的大小恒定，以一定頻率開通和關(guān)斷LED，通過調(diào)節(jié)開通和關(guān)斷時(shí)間比來實(shí)現(xiàn)調(diào)光［8］。

5 結(jié)論

通過對(duì)國內(nèi)隧道照明的亮度階梯型劃分與CIE理想適應(yīng)曲線的比較知:① 固定的階梯型亮度劃分，有4次較大亮度跳躍，不利于眼睛的調(diào)節(jié)和適應(yīng);② 固定適應(yīng)段長度劃分又造成過渡段長度大于實(shí)際需求，多開了照明燈具，造成電能的浪費(fèi)。為達(dá)到節(jié)省電能和提高視覺舒適性的要求，可從以下幾方面對(duì)隧道照明過渡段做一些改進(jìn):

(1)燈具沿隧道均勻交錯(cuò)布置使光通量逐漸減少，這樣不但可達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)使亮度漸變的變化，分布更加均勻。

(2)通過在相同車流量下，對(duì)不同洞外亮度時(shí)洞內(nèi)亮度需求曲線的比較;以及在相同洞外亮度，不同車流量時(shí)，洞內(nèi)亮度需求曲線的比較，可知:按最大洞外亮度，最大車流量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)隧道的照明，會(huì)使隧道內(nèi)的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求的亮度，產(chǎn)生過量照明，造成大量電能的浪費(fèi)。因此應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)光，即根據(jù)車流量和洞外亮度，實(shí)時(shí)地對(duì)照明亮度需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

(3)采用光效高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)時(shí)間短、調(diào)光方便的LED光源。通過調(diào)整各個(gè)LED燈的PWM頻率就可達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)光的目的，從而滿足按需照明要求，不但可以節(jié)約電能，減少隧道照明系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的成本，而且提高了視覺舒適性，有利于行車安全。

［1］交通部部頒標(biāo)準(zhǔn).公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ026.1—1999) ［S］.北京:人民交通出版社2004.

［2］饒頌濤.淺談LED照明燈具亮度智能化無級(jí)控制技術(shù)在公路隧道中的應(yīng)用 ［J］.科技信息 2009.13.

［3］周健，侯鵬，林利安等.公路隧道LED燈照明系統(tǒng)無級(jí)調(diào)光控制方式研究 ［J］.公路交通科技應(yīng)用技術(shù)版2009.11.

［4］方志烈.半導(dǎo)體照明技術(shù) ［M］.北京:電子工業(yè)出版社2009.

［5］陳仲林，翁季，胡英奎等.公路隧道入口段照明計(jì)算方法 ［C］.上海市照明學(xué)會(huì)2008年年會(huì)論文集2008.

［6］CIE Technical Report.88-2004.Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［R］2004.

［7］趙中杰編著.公路隧道機(jī)電工程 ［M］.北京:人民交通出版社2007.

［8］馬小軍主編.智能照明控制系統(tǒng) ［M］.南京:東南大學(xué)出版社2009.