灌陽至平樂高速公路隧道照明設(shè)計(jì)研究

文章以灌陽至平樂高速公路施工項(xiàng)目的欄刀嶺1號隧道為例，分析了無極調(diào)光的公路隧道照明設(shè)計(jì)方法，在修正標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上提出了遮陽棚輔助照明設(shè)計(jì)方法。研究表明：設(shè)置遮陽棚優(yōu)化后其照度變化值顯著低于未設(shè)置的，且云圖變化層次感更強(qiáng)，有助于緩解人眼的明適應(yīng)與暗適應(yīng)問題。

LED；無極調(diào)光技術(shù)；公路隧道；舒適性；遮陽棚

U453.7A351134

作者簡介：

覃" 衛(wèi)（1990—），工程師，研究方向：交通機(jī)電系統(tǒng)、公路隧道機(jī)電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)。

0" 引言

由于隧道結(jié)構(gòu)本身的特殊性，駕駛員在駛?cè)胨淼罆r(shí)產(chǎn)生暗適應(yīng)，駛出隧道產(chǎn)生明適應(yīng)［1-2］，因此隧道入口段與出口段發(fā)生交通事故的概率顯著高于中間段。隧道入口段、中間段以及出口段的照明不僅會(huì)對駕駛員的行駛安全產(chǎn)生重要的影響，而且會(huì)因?yàn)槊鬟m應(yīng)與暗適應(yīng)問題使駕駛員心率增快、人眼出現(xiàn)不適，進(jìn)而對其駕駛判斷產(chǎn)生負(fù)面影響［3-4］。隧道內(nèi)的道路照明是一個(gè)漸變過程，當(dāng)汽車從明亮的洞口外部進(jìn)入幽暗的洞穴環(huán)境再離開隧道時(shí)，會(huì)經(jīng)過多個(gè)照明區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的照度都不一樣［5］。在隧道照明設(shè)計(jì)中，發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）因其效能較高、響應(yīng)速度較快的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在公路隧道照明設(shè)計(jì)中，且在部分地區(qū)使用率已經(jīng)＞70%。然而，當(dāng)前國內(nèi)關(guān)于公路隧道照明設(shè)計(jì)的相關(guān)細(xì)則僅對照明設(shè)計(jì)中的安全性做了規(guī)定，并未對舒適性問題進(jìn)行專門規(guī)定［6］。因此，本文研究以灌陽至平樂高速公路施工項(xiàng)目的欄刀嶺1號隧道為例，在輸出功率控制以及光衰控制層面，對LED無極調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的使用效率，減輕了使用成本。此外，在修正標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上提出了遮陽棚輔助照明設(shè)計(jì)方法，同時(shí)在考慮遮陽棚的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新的公路隧道發(fā)光二極管照明布置方法，其目的是解決當(dāng)前公路隧道照明設(shè)計(jì)中舒適性不足的問題。該方法為入口與出口段的照明提供了理論依據(jù)，在提升安全性的同時(shí)也提高了舒適性，而實(shí)際中也為提高LED與遮陽棚的應(yīng)用價(jià)值提供了幫助，具備一定創(chuàng)新性。

1" 基于LED燈源無極調(diào)光的公路隧道照明設(shè)計(jì)

1.1" 基于LED燈源無極調(diào)光的修正曲線分析

針對當(dāng)前國內(nèi)缺乏公路隧道舒適性照明設(shè)計(jì)方法的問題，研究利用LED燈源無極調(diào)光技術(shù)優(yōu)化了公路隧道照明設(shè)計(jì)。由于公路隧道特有的結(jié)構(gòu)使白天駕駛時(shí)間段駕駛員在進(jìn)入隧道后出現(xiàn)明顯的明適應(yīng)和暗適應(yīng)現(xiàn)象，然而人眼對于兩種現(xiàn)象均需要一定的時(shí)間來適應(yīng)，由此產(chǎn)生的適應(yīng)滯后性問題會(huì)導(dǎo)致駕駛員對隧道路況判別不清，進(jìn)而引發(fā)交通事故［7-9］。LED無極調(diào)光技術(shù)與傳統(tǒng)的躍變式調(diào)光技術(shù)相反，其是通過連續(xù)性及斜坡式實(shí)現(xiàn)調(diào)光的，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

LED無極調(diào)光系統(tǒng)的燈具控制還引入了對輸出功率的控制，這是因?yàn)楣匪淼涝诎滋烊菀壮霈F(xiàn)視覺黑洞效應(yīng)，因此出入口應(yīng)該增強(qiáng)燈光亮度。系統(tǒng)控制器會(huì)依據(jù)出入口亮度差距、車流量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行輸出功率的調(diào)節(jié)。研究以DC0～5 V的模擬信號精確控制其輸出功率，以此調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動(dòng)電流，夜間隧道內(nèi)外不再存在較大的亮度差時(shí)，即可關(guān)閉輸出功率的控制回路。此外，隧道內(nèi)照明燈長期處于使用狀態(tài)，這將導(dǎo)致其發(fā)生光衰現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)照度計(jì)數(shù)值不滿足標(biāo)準(zhǔn)的問題，因此研究增加了隧道左右側(cè)的加強(qiáng)控制回路以及基本控制回路。這種新型結(jié)構(gòu)能夠極大程度上減輕電纜耗量。與以往的高壓鈉燈對比，在外觀上更加美觀，性能上更加節(jié)能高效。為確保信號傳輸?shù)拈L距離效果，其電源更換為電壓控制電流源，輸入端為高輸入阻抗?？刂茻艟吡炼鹊木嚯xS（km）如下頁式（1）所示：

S=ΔVN*Ic*R（1）

式中：N——燈具總數(shù)（個(gè)）；

IcΔV——控制電流（A）和最大電壓降（V）；

R——每公里控制線線組（Ω/km）。

LED因其光色多樣性且高強(qiáng)度的LED十分接近太陽光而被廣泛應(yīng)用于道路照明中［10-12］。目前國際照明委員會(huì)頒布的相關(guān)照明規(guī)范中主要利用適應(yīng)曲線來對公路隧道照明進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此本研究從人眼舒適性來對標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)曲線進(jìn)行修正。在標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)曲線中，過渡區(qū)域范圍內(nèi)的3個(gè)光照過渡段的實(shí)際照度比為9∶3∶1，則隧道縱向變化下的實(shí)際照度表達(dá)如式（2）所示：

ZTR=ZTH1（1.9+τ）-1.4（2）

式中：ZTR——公路隧道中相關(guān)過渡段的實(shí)際照度（lux）；

ZTH1——公路隧道入口處過渡段1的實(shí)際照度（lux）；

τ——駕駛員適應(yīng)光度的時(shí)間（s）。

標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)曲線僅考慮了照明度設(shè)計(jì)的問題，并未考慮人眼舒適性的問題，因此研究引入曲線擬合原理來對該曲線進(jìn)行修正。由于數(shù)字關(guān)聯(lián)查詢程序（Eureqa）可以運(yùn)用連續(xù)擬合的方式來發(fā)現(xiàn)數(shù)值間的關(guān)聯(lián)，且在不斷迭代的過程中準(zhǔn)確度也在不斷提升，因此研究選擇Eureqa程序作為標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)曲線的修正擬合工具，以此得到人眼對公路隧道明暗適應(yīng)性的修正適應(yīng)性曲線［13］。根據(jù)灌陽至平樂高速公路隧道的實(shí)際情況得到相應(yīng)的計(jì)算公式，其表達(dá)如式（3）和式（4）所示：

Zin=Z（s）0.2+0.2ττ+τ2+sin（0.2+τ）-0.011（3）

式中：Zin——公路隧道入口段的實(shí)際照度（lux）；

Z（s）——公路隧道外部的實(shí)際照度（lux）。

Zex=Z（s）［0.01τ+0.33/（77.69-5.15τ）-0.092 5sin（0.129τ）］（4）

式中：Zex——公路隧道出口段的實(shí)際照度（lux）。

1.2" 基于修正曲線的公路隧道照明設(shè)計(jì)方法

在隧道駕駛員舒適性問題中，公路隧道洞口常規(guī)設(shè)置的遮陽棚具有一定的調(diào)節(jié)作用，因此本研究利用修正后的適應(yīng)曲線來設(shè)置公路隧道遮陽棚，以輔助照明設(shè)計(jì)。在進(jìn)行遮陽棚設(shè)計(jì)前，必須先確定其外立面的相應(yīng)尺寸以及實(shí)際設(shè)定的長度。由于公路隧道入口處安裝的遮陽棚是一種功能性建筑，因此需要在滿足功能正常使用的基礎(chǔ)上才可以進(jìn)行外立面的相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以灌陽至平樂高速公路隧道為例，隧道內(nèi)照明設(shè)備與剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，公路隧道內(nèi)照明以低壓供電，LED燈明裝于橋架下方，照明燈具安裝高度為5.2 m。以其為起點(diǎn)照射地面的光軸線交點(diǎn)距離道路中線1 m，上面安裝遮陽棚進(jìn)行輔助照明，材料選擇高透光率聚碳酸酯板（Polycarbonate，PC）夾30%或15%透光率光伏薄膜材料。在遮陽棚的實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于垂直面的具體輻射總量僅維持在50%～70%，因此需要規(guī)避在垂直面布置相應(yīng)的光伏發(fā)電材料。研究以2012—2020年灌陽至平樂高速公路施工項(xiàng)目為例，其以廈蓉高速公路灌陽至全州段相接為起點(diǎn)，終點(diǎn)與包茂高速公路陽朔至平樂段相接，途經(jīng)灌陽縣、恭城瑤族自治縣、平樂縣，全長約137.268 km。在該公路中選擇欄刀嶺1號隧道為分析對象，將公路隧道入口照明的范圍分割為5個(gè)部分，即入口段Ⅰ、Ⅱ，過渡段Ⅰ、Ⅱ與基本段?？紤]研究區(qū)域隧道的實(shí)際情況與修正適應(yīng)曲線來進(jìn)行LED燈入口段的布置：在入口段Ⅰ和Ⅱ的中間和兩側(cè)布置LED燈，燈間距為1 m和2.25 m；在過渡段Ⅰ、Ⅱ和基本段中間布置LED燈，燈間距為2.25 m、4.5 m和9 m。

同時(shí)，試驗(yàn)中設(shè)置LED燈具布設(shè)對比方案為A～C，研究方案為D。方案A在入口段Ⅰ和Ⅱ、過渡段Ⅰ、Ⅱ和基本段的中間布置LED燈，燈間距為10 m、5 m、20 m、9 m和3 m。方案B在入口段Ⅰ和Ⅱ的兩側(cè)布置LED燈，在過渡段Ⅰ、Ⅱ和基本段的中間布置LED燈，燈間距為20 m、10 m、20 m、9 m和3 m。方案C僅過渡段兩側(cè)布置LED，燈間距為20 m、9 m和3 m，其余與研究方案均相同。而隧洞外采用LED路燈照明，在隧道左右線兩端洞口外，道路單側(cè)布置9座（燈具為150 W的LED燈）10 m低桿路燈，布設(shè)長度為240 m?？紤]到夜間行車安全在遮陽棚上按照間距9 m設(shè)置70 W的LED燈。

2" 輔助照明設(shè)計(jì)方法與布置方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證研究構(gòu)建的遮陽棚輔助照明設(shè)計(jì)方法與LED燈布置方案的有效性，首先驗(yàn)證提出的修正適應(yīng)曲線的有效性，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，在適應(yīng)時(shí)間處于0～2 s時(shí)的照明變化值處于4 000～8 000 lux，強(qiáng)度較高的情況可以有效緩解駕駛員“黑洞效應(yīng)”；在1～6 s的曲線對比中，修正曲線的照明變化更為平穩(wěn)，且在6 s后的照明變化值顯著低于對比曲線，該結(jié)果更益于人眼去適應(yīng)外部的光環(huán)境。從圖3（b）中可以看出，在出口段1～13 s內(nèi)修正曲線照明變化值顯著高于對比曲線，13 s時(shí)達(dá)到8 000 lux，這使駕駛員對于明適應(yīng)的應(yīng)對能力顯著提升，降低不適影響。綜合來看，研究提出的修正曲線具備有效性。

（a）入口段曲線對比

（b）出口段曲線對比

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遮陽棚輔助照明設(shè)計(jì)方法的驗(yàn)證，考慮遮陽板使用材料實(shí)際透光率在初始段需要維持在0.3～0.5，而末尾段需要維持在0.2～0.5，且相鄰之間差值≤0.5，總計(jì)篩選出4種遮陽棚輔助照明組合方案。方案1初始段與末尾段透光率分別為0.30和0.15，方案2為0.20和0.05，方案3為0.15和0.05，方案4為0.20和0.10。同時(shí)，設(shè)定汽車行駛速度為80 km/h，模擬仿真選擇DIALUX軟件。不同季節(jié)下設(shè)置遮陽棚與不設(shè)置遮陽棚的照度變化如圖4所示。

（a）春季與夏季的照度變化

（b）冬季與不設(shè)置遮陽棚的照度變化

從圖4（a）中可以看出，在80 km/h的車速下季節(jié)的變化對照明變化的影響較小，春季與夏季曲線基本保持一致，不同方案中方案2與適應(yīng)曲線的變化更為接近，相較于其他曲線來講更優(yōu)秀。從圖4（b）中可以看出，不布置遮陽棚的照度變化在行車距離0～60 m時(shí)基本維持在20 000 lux，60～80 m后急劇下降，但＞6 000 lux。綜合來看，通過布置遮陽棚可以顯著改善人眼視覺適應(yīng)度。在考慮遮陽棚的基礎(chǔ)上，繼續(xù)針對LED燈具布設(shè)方案A～D進(jìn)行驗(yàn)證，不同方案的模擬云圖如圖5所示。

（a）方案A的云圖變化

（b）方案B的云圖變化

（c）方案C的云圖變化

（d）方案D的云圖變化

綜合圖5可以看出，方案A集中于中部，方案B入口段集中于兩側(cè)，過渡段集中于中間，二者變化面向公路隧道洞口未呈現(xiàn)層次感，使駕駛員難以適應(yīng)光度變化。方案C和方案D由于過渡段的LED布置不同使得二者云圖區(qū)別較大。整體上研究方案D的層次感更強(qiáng)，并未出現(xiàn)過于明顯的光源集中。而4個(gè)方案的具體照度結(jié)果如圖6所示。

（a）不同布燈形式下平均照度

（b）研究方案與修正曲線計(jì)算對比結(jié)果

圖6中，不同方案在入口段至過渡段3的照度均不斷降低，符合實(shí)際情況。從圖6（a）中可以看出，方案A的平均照度從130 lux降低至14 lux；方案B的平均照度從200 lux降低至13 lux；方案C的平均照度從335 lux降低至10 lux，最低達(dá)到0.1 lux；方案D的平均照度從333 lux降低至7.5 lux。從圖6（b）中可以看出，轉(zhuǎn)換后的曲線情況研究方案的結(jié)果更接近于修正曲線下的照度理論計(jì)算值。綜合來看，實(shí)質(zhì)上從公路隧道入口段至過渡段需要將LED的布置數(shù)量不斷減少，而整體上研究方案相對于其他方案來講并未出現(xiàn)起伏，更易于駕駛員逐漸適應(yīng)“黑洞效應(yīng)”，其具備更高的適用性和有效性。為了更進(jìn)一步驗(yàn)證研究方案的有效性，研究對設(shè)置遮陽棚和不設(shè)置遮陽棚的布置LED燈的方案的成本進(jìn)行了對比（分別設(shè)置為Y和N），其結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，使用研究方案后的前期投入成本僅為4.8萬元，后期運(yùn)營成本3.5萬元，均低于不設(shè)置遮陽棚的布置方法。同時(shí)，依據(jù)公路隧道施工設(shè)計(jì)中實(shí)際運(yùn)行100年的年限來算，總計(jì)可以節(jié)省1 300萬元，表明研究方案不僅可以有效緩解駕駛員本身出入隧道中產(chǎn)生的明適應(yīng)與暗適應(yīng)問題，還可以有效降低成本，因此具備實(shí)用性。為進(jìn)一步對駕駛員舒適度優(yōu)化效果進(jìn)行分析，對公路隧道視覺效果進(jìn)行了模擬。研究選取了10名志愿者分別進(jìn)行試驗(yàn)。其中，瞳孔面積變化率表示瞳孔面積受到光照強(qiáng)度的影響。當(dāng)光強(qiáng)度增加，瞳孔面積就會(huì)減小，反之會(huì)增大。當(dāng)變化量超出20%的閾值之后，就表示試驗(yàn)者存在緊張等心理現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

在20次試驗(yàn)對比中，未經(jīng)優(yōu)化的隧道光照，導(dǎo)致駕駛者的瞳孔面積變化率均值達(dá)到了28%，而優(yōu)化后的瞳孔面積變化率均值下降了12%。視覺震蕩時(shí)間也是對瞳孔瞬時(shí)變化面積的反應(yīng)。當(dāng)其振蕩值≤0.1 s時(shí)，表示駕駛員較為舒適，在（0.1，0.2）區(qū)間，表示駕駛員稍有不適，隨著數(shù)值的增加，其不適程度也會(huì)增加。優(yōu)化前的視覺震蕩時(shí)間均值為1.879 s，與優(yōu)化后的0.764 s相比，增加了59.34%。眨眼頻率與試驗(yàn)者的心理狀態(tài)較為相關(guān)，若其感到焦慮，頻率就會(huì)上升。優(yōu)化后的眨眼頻率均值為12次，與優(yōu)化前相比，下降了42.41%。綜上可知，研究提出的LED燈源無極調(diào)光技術(shù)，能夠滿足對駕駛員的舒適性優(yōu)化。

3" 結(jié)語

針對當(dāng)前國內(nèi)缺乏公路隧道舒適性照明設(shè)計(jì)方法的問題，研究通過在設(shè)置遮陽棚的基礎(chǔ)上利用LED燈源無極調(diào)光技術(shù)優(yōu)化了公路隧道照明設(shè)計(jì)，并對其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，修正曲線驗(yàn)證中0～2 s照度值維持在4 000～8 000 lux，且變化更為平穩(wěn)。在設(shè)置遮陽棚的基礎(chǔ)上，其照明變化值顯著低于不設(shè)置的結(jié)果。另外，在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的LED燈具布設(shè)方案中，研究方案云圖變化層次感更強(qiáng)，有助于緩解人眼的明適應(yīng)與暗適應(yīng)問題，且其平均照度從333 lux降低至7.5 lux，更接近于理論計(jì)算值，同時(shí)耗費(fèi)成本更低。綜合來看，研究針對人眼在公路隧道駕駛出入的適應(yīng)性提出的照明設(shè)計(jì)方法具備有效性與實(shí)用性。但是，研究并未進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)來對修正曲線進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)在實(shí)際中汽車的擋風(fēng)玻璃也會(huì)對人眼產(chǎn)生一定的影響，因此后續(xù)還需要增加諸多其他因素進(jìn)行綜合分析。

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20240415