公路隧道照明對(duì)比顯示系數(shù)探討

翁 季，陳秀雯，黃 珂，張青文，胡英奎，許景峰，陳仲林

(1．重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400045;2．重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)開發(fā)投資有限公司，重慶400024;3．西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，綿陽621010)

0 引言

國際照明委員會(huì)(CIE)于1990年推薦了《公路隧道和地下通道照明指南》，建議用入口段亮度折減系數(shù)k計(jì)算公路隧道入口段亮度值，即采用洞口外200視野內(nèi)亮度L20(S)乘上k值計(jì)算出公路隧道入口段路面亮度值，這就是k值設(shè)計(jì)方法。我國JTJ026．1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中，也遵循了k值設(shè)計(jì)方法，同時(shí)還規(guī)定了公路隧道k值設(shè)計(jì)方法中的主要參數(shù)不但有各隧道照明段的路面亮度指標(biāo)，而且還有隧道兩側(cè)墻面2 m高范圍內(nèi)的平均亮度不低于路面平均亮度和中間段路面亮度均勻度的規(guī)定，以及規(guī)定了燈具布置產(chǎn)生的閃爍頻率低于2．5 Hz或高于15 Hz的要求。由于公路隧道k值設(shè)計(jì)方法沒有考慮汽車通過隧道時(shí)駕駛員的生理、心理變化，與人眼視覺特性的差別，所以由該法確定的入口段路面亮度與隧道照明實(shí)際需要差別較大。

1 對(duì)比顯示系數(shù)

CIE于2004年推出了CIE88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》，提出了利用察覺對(duì)比法計(jì)算公路隧道入口段的路面亮度值。在行車時(shí)，如設(shè)前方目標(biāo)的察覺亮度

式中:τws——汽車前擋風(fēng)玻璃光透射比;

τatm——汽車前方1個(gè)停車距的近地大氣光透射比;

Lt——目標(biāo)物表面反射光亮度，單位為cd/m2;

Latm——汽車前方1個(gè)停車距的近地大氣散射光亮度，單位為cd/m2;

Lws——汽車前擋風(fēng)玻璃透射光亮度，單位為cd/m2;

Lseq——由駕駛員的眼睛掃視前方景物亮度產(chǎn)生的等效光幕亮度，單位為cd/m2。

而背景(路面)察覺亮度

式中Lb為背景反射光亮度，單位為cd/m2。

則駕駛員察覺到的目標(biāo)物的察覺對(duì)比

由(3)式整理后得

式中C為亮度對(duì)比，并由下式算得

由于采用了參考目標(biāo)物，它是一個(gè)立方體邊長為0．2 m、漫反射表面的光反射比為0．2的小目標(biāo)，因此有

式中:ρ0——漫反射表面的小目標(biāo)光反射比;

Ev——小目標(biāo)中心點(diǎn)的垂直面上照度，單位為lx。

由(5)式和(6)式可算得

代入(4)式后得

如果設(shè)入口段路面亮度為Lth，則有

又當(dāng)察覺對(duì)比為最小察覺對(duì)比Cm時(shí)，即有

則(8)式可寫成

(11)式即為CIE于2004年推薦的公路隧道照明察覺對(duì)比法的計(jì)算公路隧道入口段路面亮度的公式。

(11)式中對(duì)比顯示系數(shù)qc的大小不但直接影響公路隧道入口段亮度Lth的大小，而且也是公路隧道照明質(zhì)量主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

2 對(duì)比顯示系數(shù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)于2010年8月在福建省高速公路隧道內(nèi)封路后進(jìn)行，測點(diǎn)布置方法參考CIE88—1990技術(shù)報(bào)告推薦的亮度測量點(diǎn)的規(guī)定，分成3行3列，共9個(gè)測點(diǎn)，測量了路面上的亮度Lb和正對(duì)行車方向小目標(biāo)垂直面上的照度Ev。為了驗(yàn)證公路隧道人工照明設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)還采用眼動(dòng)儀測量駕駛員在行駛過程中發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間，并與國家標(biāo)準(zhǔn)JTG D 20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中的停車視距作比較，如果測得的反應(yīng)時(shí)間乘上勻速行駛的汽車速度的距離大于或等于規(guī)定值，則滿足安全停車的要求。

實(shí)驗(yàn)用車選用了三菱君閣MPV商務(wù)車，受測駕駛員共8名，駕齡在4年以上，受測人的平均年齡30歲，身體健康，無色盲、色弱，矯正視力均在5．0以上，無心理疾病。

被測量隧道高7 m，寬7．2 m，分成超車道和行車道，測點(diǎn)布置在行車道上。從頭到尾安裝的基本照明燈具在行車道上方且距隧道軸線1．6 m，燈具安裝高度6．3 m，功率為70 W，燈距7．2 m，隧道基本照明燈具安裝示意圖見圖1。

圖1 隧道基本照明燈具安裝示意圖(長度單位/mm)

測量位置選擇了燈距的間距、懸挑和光源一致性等方面有代表性地段，入口1的位置是距離洞口30 m開始的一組燈具區(qū)域內(nèi)，入口2的位置距離洞口80 m開始的一組燈具區(qū)域內(nèi)，中間段選擇隧道內(nèi)基本照明的一組燈具區(qū)域內(nèi)。從測點(diǎn)距離洞口大于30 m和洞高7 m的情況來看，根據(jù)天然采光設(shè)計(jì)理論，在一般情況下，這些測量位置的天然光影響可以忽略不計(jì)。

2．1 基本照明時(shí)對(duì)比顯示系數(shù)實(shí)驗(yàn)

各個(gè)隧道基本照明燈具在測點(diǎn)處產(chǎn)生路面亮度、小目標(biāo)垂直上照度值及對(duì)比顯示系數(shù)計(jì)算值見表1。

表1 不同情況時(shí)隧道內(nèi)各測點(diǎn)處路面亮度Lb(cd/m2)、垂直面上照度Ev(lx)和對(duì)比顯示系數(shù)qc

從表1中可以看出，在基本照明的條件下，如果隧道照明僅采用與圖1所示的燈具布置相似的單側(cè)布燈照明方式時(shí)，并且采用同一種配光的燈具時(shí)，對(duì)比顯示系數(shù)在0．23左右。這是由于這幾個(gè)公路隧道照明設(shè)計(jì)是由同一家單位完成的，所以隧道內(nèi)部裝修和燈具選擇等方面大致相同，即隧道內(nèi)光的多次反射影響差別不大，因此由實(shí)測值計(jì)算得到的對(duì)比顯示系數(shù)值較為接近。

為了驗(yàn)證如圖1所示的隧道照明設(shè)計(jì)的合理性，于2010年8月19日早晨7點(diǎn)30分對(duì)隧道1的照明工況為基本照明(整個(gè)隧道僅開啟基本照明燈具)時(shí)進(jìn)行安全停車視距實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)用汽車以80 km/h均速行駛，用眼動(dòng)儀記錄發(fā)現(xiàn)前方小目標(biāo)的行駛時(shí)間，于是可算得發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)距離，并與國標(biāo)規(guī)定值作比較。當(dāng)時(shí)天氣晴間多云，距洞口100 m處20°圓錐角視野范圍內(nèi)看不到天空，洞門形式為淺色端墻式，洞頂采用深色植被綠化，部分邊坡裸露，接近段鋪裝瀝青路面，由灰板亮度分析確定L20(S)為100 cd/m2，環(huán)境亮度不大，小目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離測量值見表2。

從表2中可以看出，當(dāng)時(shí)該隧道僅開啟基本照明燈就可以了，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)距離110 m已經(jīng)滿足國標(biāo)規(guī)定的安全停車視距，這樣就能在保證交通安全條件下，節(jié)約能源。

2．2 入口段照明時(shí)對(duì)比顯示系數(shù)實(shí)驗(yàn)

對(duì)比顯示系數(shù)與照明方式、燈具安裝位置及燈具配光曲線，以及光在隧道內(nèi)多次反射特性等有關(guān)，即與光通量空間相對(duì)分布有關(guān)，而與使用的光源功率大小關(guān)系不大，入口1和2燈具安裝示意圖見圖2、圖3。

圖2 1號(hào)隧道入口1燈具安裝示意圖(長度/mm)

圖3 1號(hào)隧道入口2燈具安裝示意圖(長度/mm)

從圖2中可以看出，7．2 m隧道長度范圍內(nèi)，入口1的光源功率為1 750 W加上720 W，總共為2 470 W。而從圖3中同樣可以看出，在7．2 m隧道長度范圍內(nèi)，入口2的光源功率為900 W加上320 W，總共為1 220 W。入口1光源功率為入口2的1倍以上，但對(duì)比顯示系數(shù)值接近相等，1號(hào)隧道入口1和2的對(duì)比顯示系數(shù)計(jì)算值見表3。

當(dāng)與基本照明一樣采用單側(cè)照明時(shí)，在兩盞70 W基本照明燈具之間均勻地增加2盞250 W加強(qiáng)照明燈，由于光的分布發(fā)生了改變，所以對(duì)比顯示系數(shù)增大了70%左右，即由原來0．23左右增大到0．39。相應(yīng)的1號(hào)隧道入口2的第2種布燈的燈具安裝示意圖見圖4，對(duì)比顯示系數(shù)計(jì)算值見表3。

圖4 1號(hào)隧道入口2第2種布燈的燈具安裝示意圖(長度/mm)

表3 1號(hào)隧道內(nèi)入口段各測點(diǎn)處路面亮度Lb(cd/m2)、垂直面上照度Ev(lx)和對(duì)比顯示系數(shù)qc

由表3分析得出，隧道長為7．2 m的入口1的光源功率是入口2的1倍以上，在行車方向左側(cè)是大功率的加強(qiáng)照明燈，在行車方向右側(cè)安裝了3盞燈，兩者的燈具安裝位置相似，但是光源功率不同。因此，兩者在路面上形成的亮度和小目標(biāo)垂直面上產(chǎn)生的照度幾乎相差1倍左右，即入口1與入口2的Lb和Ev均是前者比后者大1倍左右，所以他們之比值qc為0．38 和 0．39，接近相等。

從圖1、圖4和表1、表3中可以看出，雖然隧道基本照明燈具與入口2的第二種布燈的燈具均是采用單側(cè)照明方式，但是對(duì)比顯示系數(shù)的計(jì)算值差別較大，由此看來，對(duì)比顯示系數(shù)值大小不但與照明方式有關(guān)，而且還與燈具間距、光源功率和燈具位置等有關(guān)?？傊?，對(duì)比顯示系數(shù)與隧道內(nèi)光的空間相對(duì)分布有關(guān)。

3 小結(jié)

隨著國內(nèi)外對(duì)人眼視覺科學(xué)研究的發(fā)展和對(duì)隧道照明理論深入研究，CIE于2004年提出了采用察覺對(duì)比方法進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)，2010年CIE又提出了將基于察覺對(duì)比法的對(duì)比顯示系數(shù)作為隧道照明質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

在CIE 2004年《公路隧道和地下通道照明指南》中提出，對(duì)比顯示系數(shù)與隧道照明方式有關(guān)，在對(duì)稱照明方式時(shí)對(duì)比顯示系數(shù)值為0．2，逆光照明時(shí)為0．6。從實(shí)際隧道路面給定區(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分析表明，對(duì)比顯示系數(shù)不但與隧道照明方式有關(guān)，而且還與燈具間距和掛高、光源功率、燈具配光、隧道內(nèi)裝飾產(chǎn)生的多次反射等有關(guān)?？傊?，對(duì)比顯示系數(shù)與隧道內(nèi)光的照射方向、相對(duì)大小有關(guān)，即與隧道內(nèi)光的相對(duì)分布有關(guān)。

［1］ CIE Technical Report．88-1990．Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［S］．1990

［2］ JTJ 026．1—1999中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2000

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

［4］ 張青文，涂耘，胡英奎，翁季，陳建中，黃珂．基于生理和心理效應(yīng)的公路隧道入口段照明質(zhì)量檢測方法［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(2):8 ～14

［5］ JTG D 20—2006公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2006

［6］ CIE Technical Report．189-2010．Calculation of Tunnel Lighting Quality Criterion［S］．2010