高寒地區(qū)公路隧道照明設(shè)計(jì)速度優(yōu)化方法

韓直 王俊瑩 關(guān)雨嫣

摘要 為了減少隧道經(jīng)營中隧道照明的投資，且考慮高寒地區(qū)隧道行駛的風(fēng)險，對高寒地區(qū)隧道照明亮度進(jìn)行影響因素分析，提出洞外亮度與容許交通風(fēng)險的關(guān)系，基于考慮了與容許交通風(fēng)險、設(shè)計(jì)速度和投資的約束條件，對不同約束條件對照明功率的影響進(jìn)行分析。首先，考慮高寒地區(qū)的雪盲現(xiàn)象導(dǎo)致雪地場景所需的洞外亮度遠(yuǎn)大于3 000 cd/m2，以置信度來表示行車安全所需的容許交通風(fēng)險;其次，以照明功率為約束條件，分析各照明段落所需的照明功率，以投資不變?yōu)榍疤?，分析高寒地區(qū)以降低設(shè)計(jì)速度為方法來改善洞外亮度增加對行車安全造成的影響，最后通過分析對比確定優(yōu)化后的設(shè)計(jì)速度是否滿足公路最低限速。研究發(fā)現(xiàn)，在投資條件不變的前提下，降低設(shè)計(jì)速度可以提高高寒地區(qū)隧道行駛的安全性。

關(guān)鍵詞 高寒地區(qū);隧道照明;照明功率;設(shè)計(jì)速度優(yōu)化;容許交通風(fēng)險

中圖分類號 U453.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0052-03

0 引言

截至2019年底，我國公路隧道19 067處，總長達(dá)1 896.66萬m[1]。較去年增加了1 329處，173.05萬m。高寒地區(qū)由于冰凍期長，雪盲現(xiàn)象嚴(yán)重，使得洞外亮度L20可達(dá)10 000 cd/m2以上，洞外亮度大加上入口段駕駛員的視野變小，易使駕駛員操作失誤造成交通事故。若使安全問題得到有效解決，須增加洞內(nèi)亮度，這無疑增加了隧道的建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用[2]。

隧道路段成為道路事故黑點(diǎn)，其中最大的影響因素就是隧道的光環(huán)境。為了改善隧道光環(huán)境帶來的影響，目前主要采用遮光設(shè)施、照明設(shè)施和視線誘導(dǎo)設(shè)施三種方式[3]。但遮光設(shè)施實(shí)際應(yīng)用普及性并不高，照明設(shè)施廣泛使用的同時也伴隨著了高能耗的不足[4]，視線誘導(dǎo)設(shè)施則在隧道路段事故頻發(fā)點(diǎn)——隧道出入口的效用并不明顯。針對隧道出入口處“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”帶來的不利影響，主要采用降低洞外亮度和增加洞內(nèi)亮度兩種方式[5]。胡思濤等人對入口照明狀態(tài)對交通安全影響的研究發(fā)現(xiàn)，降低洞內(nèi)外的速度差可以增加入口段的交通行車安全[6]。

因此，該文針對高寒地區(qū)公路隧道照明設(shè)計(jì)，如何在不增加投資條件下，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)速度來改善照明效果進(jìn)行研究。闡述設(shè)計(jì)速度優(yōu)化的約束條件和方法，分析隧道照明段落及照明功率的影響因素，建立照明亮度與影響因素之間的關(guān)系模型。

1 約束條件

1.1 容許交通風(fēng)險

1.1.1 按L20定義分析

隧道照明的優(yōu)化除了投資條件的限制，還應(yīng)受到速度與洞外亮度L20的約束。根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2—01—2014）[7]（以下簡稱“設(shè)計(jì)細(xì)則”）可知洞外亮度只受到天空面積百分比、洞口朝向或洞外環(huán)境、設(shè)計(jì)車速三個條件的約束，未考慮冰凍期冰雪的高反射率對洞外亮度的影響[3]。

根據(jù)國內(nèi)外對于L20的定義為：洞外亮度一年中至少出現(xiàn)75 h（白天時間）最高亮度值。這也就意味著前74 h的亮度不能滿足照明設(shè)計(jì)，這是存在交通風(fēng)險的，以RT表示容許的交通風(fēng)險，則：

（1）

在設(shè)計(jì)階段，洞外亮度無實(shí)測資料時，一般按L20=

3 000 cd/m2取值。冰雪的高反射率使得冰凍期的洞外亮度遠(yuǎn)大于非冰凍期洞外亮度。若要保持原洞外亮度不變，所需要接受的交通風(fēng)險會對應(yīng)增加。根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《中國地面累年值日值數(shù)據(jù)集（1981—2010年）》查詢可知，高寒地區(qū)最長冰凍期為180天。由（2）式可知，若要保持洞外亮度水平不變，則容許的交通風(fēng)險會增加。

（2）

1.1.2 按臨界交通量分析

以ST表示停車距離（m），以v表示設(shè)計(jì)速度（km/h），則目前國內(nèi)外采用的照明停車視距，可按下式計(jì)算：

（3）

式中：v為設(shè)計(jì)速度，km/h;t為反應(yīng)時間，取1.2 s;k為安全系數(shù)，取1.2～1.4;φ為路面摩擦系數(shù)，取0.4;i為道路縱坡坡度，上坡取“+”，下坡取“?”;l0為安全距離（m，含車輛長度）。

以Δt表示車間臨界安全時距，即：

（4）

臨界最小交通量，也就是交通流狀態(tài)為自由行駛，此時車輛到達(dá)服從泊松分布，在Δt時間內(nèi)，到達(dá)的車輛數(shù)不大于車道數(shù)，在此按單洞雙車道，坡度為零，臨界交通量為350輛/（h·ln）時，對應(yīng)的概率如表1所示。

由表1可見，靜態(tài)障礙物容許的交通風(fēng)險區(qū)間為0.043～0.131。

綜合上述分析，目前國內(nèi)外實(shí)際容許的隧道照明交通風(fēng)險為0.043～0.200。隧道照明容許風(fēng)險可以是一個定值，也可以根據(jù)道路功能與經(jīng)濟(jì)條件來確定，工程中一般5%的風(fēng)險是允許的，故可以認(rèn)為，隧道照明的容許交通風(fēng)險范圍為0.05～0.20。

1.2 照明功率

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國公路隧道近2萬座，全國公路隧道每年耗電量高達(dá)數(shù)百億度，費(fèi)用更是超過數(shù)百億元。高昂的運(yùn)營成本使得不少隧道出現(xiàn)“建得起養(yǎng)不起”的現(xiàn)實(shí)問題。更有甚者，為了節(jié)約開支，選擇不開燈或少開燈，大大地增加了交通風(fēng)險[5]。因此，在滿足不增加投資的條件下，選擇優(yōu)化速度來改善照明效果，降低交通行駛風(fēng)險。

1.3 設(shè)計(jì)速度

車輛行駛速度（V′）應(yīng)不低于公路最低限速（Vmin），即：

V′≥Vmin （5）

2 照明段落與照明功率影響因素

2.1 照明段落劃分

根據(jù)“設(shè)計(jì)細(xì)則”和CIE的規(guī)定[8]，將單向交通隧道照明分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明和出口段照明四個照明段落。

根據(jù)隧道長度要求可將隧道照明分為三種情況：

（1）隧道長度足夠設(shè)置過渡段1。

（2）隧道長度足夠設(shè)置過渡段2。

（3）隧道長度足夠設(shè)置過渡段3。

根據(jù)“設(shè)計(jì)細(xì)則”，可將隧道各段落的長度和照明亮度的計(jì)算總結(jié)[9]如表2。

2.2 k、L20、v和設(shè)計(jì)交通量與照明常亮度的關(guān)系

洞外亮度的大小決定了L20的取值，當(dāng)交通條件（車輛設(shè)計(jì)速度、高峰小時交通量以及交通組織等）一定時，L20的大小不僅決定了入口段的照明標(biāo)準(zhǔn)Lth，同時也決定了過渡段的照明標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)表2可知，入口段亮度與K、L20成正比，而根據(jù)“設(shè)計(jì)細(xì)則”，k與v和設(shè)計(jì)交通量Q（veh/h·ln）相關(guān)，Lin又與Q、v相關(guān)，根據(jù)“細(xì)則”的數(shù)據(jù)，k、Lin與速度的關(guān)系總結(jié)如下表3。

3 數(shù)學(xué)模型

該文采取僅優(yōu)化設(shè)計(jì)速度的方法。根據(jù)約束條件，須計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)速度后的照明功率。

根據(jù)“設(shè)計(jì)細(xì)則”，隧道照明墻面亮度不低于路面亮度的60%，設(shè)墻面亮度為路面亮度的60%，以Si表示第i個照明段落的面積，Pi表示該段落的照明功率，η表示燈具利用率，φ表示燈具的額定光通量，μ表示路面亮度與照度的換算系數(shù)，M表示養(yǎng)護(hù)系數(shù)，Di表示第i個照明段落的長度（m），Li表示第i個照明段落的亮度，則：

（6）

（7）

令 （8）

則： （9）

對于三種情況下的隧道照明功率所滿足的幾何關(guān)系為y=f（P，V，L20）。

（10）

式中：P1為只設(shè)過渡段1的照明功率;a1、b1為參數(shù)k的回歸系數(shù);a2、b2為參數(shù)Lin的回歸系數(shù);Dth為入口段長度;DZ為中間段長度。

情形一推導(dǎo)得出結(jié)果如式（11）。

情形二、三對應(yīng)只設(shè)置過渡段1、2和設(shè)置過渡段1、2、3的情況，由于推導(dǎo)過程與情形1相同，因而僅給出推導(dǎo)結(jié)果，分別為式（12）、（13）。

4 示例

某高寒地區(qū)隧道長5 000 m，設(shè)計(jì)交通量Q≥

1 200 veh/h·ln，設(shè)計(jì)速度v=120 km/h，隧道凈空高度6 m，隧道縱坡坡度為0。原設(shè)計(jì)L20按“設(shè)計(jì)細(xì)則”取值為3 000 cd/m2，冰雪晴天洞外亮度為8 000 cd/m2。按該文方法進(jìn)行設(shè)計(jì)速度優(yōu)化。

（1）各段落長度及照明亮度。根據(jù)“設(shè)計(jì)細(xì)則”，各照明段落劃分如表4所示。

（2）各段落的照明功率。根據(jù)式（8）可得，各照明段落的照明功率如表5所示。

考慮約束條件且完全考慮雪盲現(xiàn)象，對運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的速度（v′）：

v′=71 km/h （14）

5 結(jié)束語

該文針對高寒地區(qū)隧道照明與影響因素之間的關(guān)系分析，得到：

（1）針對高寒地區(qū)的冰凍期，容許風(fēng)險度隨冰凍時長的增加而呈上升趨勢，增加了高寒地區(qū)行車的風(fēng)險，為了降低行車風(fēng)險，且不增加投資的前提下，僅通過降低行車速度可以達(dá)到目的。

（2）該文僅提出現(xiàn)有規(guī)范下隱含的存在的容許交通風(fēng)險，但未對降低交通風(fēng)險進(jìn)行研究，故而后續(xù)可對此開展研究。

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