利用光氣候數(shù)據(jù)確定隧道洞外景物亮度的方法

張 婷，翁 季

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045)

0 引言

駕駛員的適應(yīng)亮度在接近隧道過程中不斷變化，一般取距隧道一個停車視距處的適應(yīng)亮度作為隧道照明設(shè)計的基礎(chǔ)，并稱之為隧道洞外亮度。洞外亮度的取值直接影響隧道入口段亮度的設(shè)計值，進而影響過渡段等后續(xù)照明段的亮度設(shè)計值。隧道洞外亮度的合理取值對工程投資和運營過程中的能耗影響很大。日本東京灣海底隧道曾在設(shè)計中作過詳細(xì)比較，在其他條件(包括設(shè)計車速等)相同的情況下，如果洞外亮度分別設(shè)定為4 000 cd/m2與6 000 cd/m2，則設(shè)備費相差34%，年耗電量(kW·h)相差達(dá)30%。因此，合理確定隧道洞外亮度是科學(xué)確定隧道入口段亮度的前提條件，且對在保證交通安全的前提下實現(xiàn)隧道照明節(jié)能有著重要意義。

要想獲得可靠的洞外亮度值，需要大范圍、長時間地對各地隧道洞外各景物亮度測試，才可能獲得有代表性的、合適的亮度參數(shù)。我國目前沒有這樣大量的長期的洞外景物亮度測試數(shù)據(jù)作為制定標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，但可以利用長期以來通過氣象站觀測到的光氣候數(shù)據(jù)資料填補這一空白。如何通過光氣候理論將輻照度轉(zhuǎn)化為光照度，進而獲得參考亮度值，是筆者的研究思路。

1 隧道洞外景物亮度值及其重要性

隧道接近段亮度也叫洞外亮度L20(S)，是指在接近段起點S 處，距地面1.5 m 高正對洞口方向200視場環(huán)境的平均亮度值，如圖1。

圖1 L20(S)定義圖解

我國隧道照明技術(shù)起步較晚，經(jīng)驗和基礎(chǔ)性的工作不足。直到2000年v1月，在已有的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，借鑒國外公路隧道的成功經(jīng)驗和先進技術(shù)，國家頒布了JTJ 026.1.1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》。該規(guī)范在照明系統(tǒng)構(gòu)成、洞外亮度和減光、隧道各照明段的長度與亮度、照明總均勻度與縱向均勻度、調(diào)光分級、光源分級、燈具及布置、照度與亮度計算推薦方法等方面進行了詳細(xì)的說明。在該規(guī)范中，規(guī)定用K 值法計算入口段亮度，這也是CIE 88—1990《公路隧道和地下通道照明指南》中建議的入口段亮度計算方法，也就是用洞外接近段亮度值L20(S)乘以系數(shù)K 得到隧道入口段亮度值Lth。并以表格形式給出了常見狀況下的隧道洞外平均亮度值L20(S)(表1)和典型的隧道洞口景物亮度值(表2)。

表1 中國洞外接近段平均亮度L20(S)(cd/m2)

表2 我國洞外景物亮度推薦值(cd/m2)

由此，洞外亮度的值L20(S)可以通過查表得到，但通常還有另外一種非常重要的計算方法——環(huán)境簡圖法(公式1)。根據(jù)隧道口現(xiàn)場情況，選用隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中給出的不同環(huán)境條件下的洞外景物亮度值或通過實測亮度值，根據(jù)各種景物要素在視野內(nèi)的比例計算L20(S)。

式中r+Q +ε+τ=1

Lc，LR，LE——分別為天空亮度、道路亮度和景物亮度(cd/m2);

Lth——隧道入口段亮度(cd/m2);

r、Q、ε、τ——天空、道路、景物和隧道入口所占百分比。

(1)式中的Lc、LR、LE，應(yīng)根據(jù)隧道洞口所處的具體環(huán)境選擇隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中給出的典型景物亮度值，或者現(xiàn)場實測其亮度值。

(1)式中的r、Q、ε、τ 值，則通過由隧道洞口的20°圓錐角視場環(huán)境簡圖來確定。環(huán)境簡圖的獲得比較簡單，只需在接近段的起點距地面1.5 m 高度安裝相機，正對洞口中心并以洞口中心距地面1/4 洞高處作為拍照瞄準(zhǔn)點拍攝照片，從照片中可以很容易讀出各種景物在20°視場中所占的百分比。如果用數(shù)碼相機拍照，并將所拍數(shù)碼照片導(dǎo)入計算機，利用圖像處理軟件可以更方便地讀取各種景物在20°視場中所占的百分比。

另一種確定隧道入口段亮度Lth的方法則是采用等效光幕亮度Lseq這一參數(shù)(CIE 88—2004 正式采用)，它的計算仍然需要以隧道洞外景物的表面亮度為基準(zhǔn)。因此確定合適的隧道洞外景物的表面亮度是非常重要的，合理選取洞外景物表面亮度參考值是保證行車安全和隧道照明節(jié)能的關(guān)鍵。

2 隧道洞外景物亮度研究的難點與思路

隧道洞外景物亮度標(biāo)準(zhǔn)參考值的確定需要根據(jù)各地典型的氣候條件，經(jīng)過長期觀測的數(shù)據(jù)得到。我國關(guān)于隧道照明的研究起步晚，經(jīng)驗和基礎(chǔ)性的工作不足，2000年v以前在理論上的研究基本處于空白。我國JTJ 026.1.1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于隧道照明的設(shè)計基準(zhǔn)參數(shù)的隧道洞外景物亮度也僅僅是參照CIE 隧道照明指南和歐盟隧道照明標(biāo)準(zhǔn)制定的，既沒有長期的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，更沒有考慮我國的實際光氣候條件和地區(qū)差異。

要想獲得隧道洞外景物亮度，最精確的方法是對隧道洞外亮度長期觀測記錄數(shù)據(jù)。例如:Yoshikawa等人(1976)對位于日本中部山區(qū)的一個典型高速公路隧道進行了1年v連續(xù)的測量，測量隧道接近段的亮度變化。這種方法可以獲得準(zhǔn)確的隧道接近段洞外亮度值。但是這種方法本身存在兩個問題:(1)滯后性。隧道照明設(shè)計和安裝工程都是在隧道開通使用前完成的;(2)地區(qū)差異。一個地方的觀測數(shù)據(jù)只能用于某一特定的地點和環(huán)境，不具有普遍適用性。

實際上，不同的地理位置、不同的光氣候條件，以及洞口要素的不同材質(zhì)和反射性能，其表面亮度值差異很大。我國幅員遼闊，地理緯度跨度較大，光氣候條件差異巨大，想以一個地方的數(shù)據(jù)作為國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不夠嚴(yán)謹(jǐn)。要獲得不同地區(qū)隧道洞外景物亮度，需要大范圍、長時間地對各地隧道洞外亮度測試，才可能獲得有代表性的、適宜的亮度參數(shù)。我國目前還沒有這樣大量的長期的洞外景物亮度測試數(shù)據(jù)作為制定標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

因此，為了獲得符合我國國情，能反映不同地區(qū)的光氣候差異導(dǎo)致的隧道洞外景物亮度的差別，獲得更具普適性的隧道洞外景物亮度值，文章提出用已有的長期觀測的光氣候數(shù)據(jù)資料來研究隧道洞外景物亮度，即以光氣候理論為基礎(chǔ)，研究隧道洞外景物亮度的新方法。這種研究方法可以彌補隨機測量所帶來的偶然性誤差，也可以彌補我國沒有長期洞外景物亮度觀測數(shù)據(jù)的不足。具體思路如下。

對于任意被照表面，其表面亮度都是由被照表面亮度和表面反射特征決定的。因此要確定任意被照表面的亮度，首先要確定被照表面的照度。對于有些地區(qū)有光照度的觀測數(shù)據(jù)，比如水平面的總照度、散射照度和直射照度等光照度參數(shù)，那么可以直接用當(dāng)?shù)氐恼斩葴y量值，使用時只需要考慮被照面的方向和傾斜角度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

對于大多數(shù)地區(qū)沒有光照度觀測資料的氣象觀測站點，通常只有輻射照度資料。而我們知道太陽輻射跟照度存在對應(yīng)關(guān)系，研究兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，就可以從太陽輻射資料換算出所需要的光照度值。

所得光照度值為水平總照度，對應(yīng)到洞外景物表面照度還需要考慮被照面的方向和傾斜角度的轉(zhuǎn)換。最后，通過對洞外典型景物表面的反射特征研究，即可最終得到隧道洞外景物亮度參考值。

3 確定計算洞外景物亮度的基準(zhǔn)參考光氣候條件

為了確保任何情況下隧道出入段的交通安全，原則上，所提供的入口段亮度Lth必須設(shè)計為入口段亮度全年可能出現(xiàn)的最高值，也就是要以全年洞外景物最大表面亮度值為取值依據(jù)。但是，在實際的隧道照明設(shè)計時，幾乎不可能通過對該隧道進行長期的測量來精確確定接近段可能出現(xiàn)的最高洞外環(huán)境亮度，同時，如果用視野范圍內(nèi)的表面上出現(xiàn)的最高亮度值計算，將需要很高的入口段照明，無論從照明的經(jīng)濟性還是工程實施的必要性上考慮都是很難實現(xiàn)的。

CIE 88—2004 明確指出:“如果用視野范圍內(nèi)的表面上出現(xiàn)的最高亮度值計算將會需要很高的入口段照明。因此提議用一年中至少出現(xiàn)75 小時的最高亮度值作為計算參照值……”這種提法實際上是基于累積頻率的概念。從工程的實際需要出發(fā)，用最大亮度的累積出現(xiàn)頻率達(dá)到75 個小時的亮度值作為確定洞外景物表面亮度的標(biāo)準(zhǔn)參考值。

在無法測得長期的洞外景物亮度的情況下，無法獲得亮度的累積出現(xiàn)頻率。文章提出用長期的光氣候觀測資料，確定某一地區(qū)的參考光氣候條件，并以此參考光氣候條件為依據(jù)計算該地區(qū)的洞外景物亮度的依據(jù)。

我們知道當(dāng)被照表面反射系數(shù)一定時，表面亮度與該表面照度成正比，也就是說隧道洞外景物表面亮度累計出現(xiàn)頻率75 小時的最大亮度對應(yīng)著累計出現(xiàn)頻率75 小時的最大表面照度，因此某一地區(qū)累計出現(xiàn)頻率75 小時的最大水平面照度可作為計算該隧道洞外景物亮度的參考水平面照度。對于一定時間內(nèi)的某一特定地區(qū)，太陽輻射與光照度存在對應(yīng)關(guān)系，它們之間存在輻射光當(dāng)量K(lx/W·m-2)這一轉(zhuǎn)化系數(shù)，因此某一地區(qū)累計出現(xiàn)頻率75 小時的最大水平面照度又可進一步轉(zhuǎn)化為累計出現(xiàn)頻率75 小時的最大太陽輻射照度。這就是筆者所研究的計算隧道洞外景物亮度的參考光氣候條件。

4 根據(jù)光氣候資料從水平總輻射到水平總照度的轉(zhuǎn)換

太陽輻射(Q)是在某一指定表面上單位時間、單位面積上所接受的輻射能量(單位:W/m2)。如果沒有完整的天然光照度資料時，可以考慮將常規(guī)觀測的輻射資料轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的照度。太陽輻射和天然光照度關(guān)系可以用輻射光當(dāng)量值來表示。輻射光當(dāng)量K(lx/W·m-2)通常用來表示照度(lx)和同一時間太陽輻射(W/m2)之比。

為了研究中國的光氣候分區(qū)，1983年v1月1日至1984年v12月31日在全國14 個代表性光氣候觀測站(北京、黑河、長春、烏魯木齊、二連浩特、西安、西寧、玉樹、上海、重慶、長沙、福州、昆明、廣州)每日逐時進行了照度與輻射的觀測，這是我國比較全面的光照度觀測資料。根據(jù)這14 個站連續(xù)兩年的逐時照度與輻射的同步觀測資料，用多遠(yuǎn)線性回歸方程計算各測站的月平均輻射光當(dāng)量。月平均總輻射光當(dāng)量值用月平均總照度值(lx)與相應(yīng)月的平均總輻射(W/m2)之比表示。根據(jù)相關(guān)分析，把與月平均總輻射光當(dāng)量有關(guān)的參數(shù)——緯度、海拔高度、平均絕對溫度和日照時數(shù)作為相關(guān)因子，對月平均總輻射當(dāng)量進行多元回歸，設(shè)定以下方程式:

式中Ki——月平均輻射光當(dāng)量，(lx/W·m-2);

i——1、2、3……12(月);

N——地理緯度(°);

H——海拔高度(m);

M——月平均絕對濕度(MPa);

S——月平均日照時數(shù)(h);

Ai、Bi、Ci、Di、Fi——為方程的待定系數(shù)。

國家氣象局氣象科學(xué)研究院根據(jù)各測站的觀測數(shù)據(jù)和氣候參數(shù)求得回歸方程系數(shù)和相關(guān)系數(shù)(表3)。由表3 可見，回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.82～0.95之間，說明輻射光當(dāng)量K 與N、S、H、M 之間有很好的相關(guān)性。說明此法求得的輻射光當(dāng)量值能夠滿足使用精度的要求。在我國缺少多年照度觀測資料的情況下，可以利用多年輻射觀測資料及各地的氣象參數(shù)求得各地區(qū)的輻射光當(dāng)量值，再通過輻射光當(dāng)量來求得各地的總照度，即E=K×Q。這樣就完成了輻照度到光照度的轉(zhuǎn)化。

表3 回歸方程的相關(guān)系數(shù)和待定系數(shù)

續(xù)表

表4 室外水平面總照度

在沒有足夠的光照度資料情況下，根據(jù)輻射光當(dāng)量的概念，從輻射觀測資料計算得到光照度資料。表4 就是各個地區(qū)的輻射光當(dāng)量換算系數(shù)，知道了輻射光當(dāng)量換算系數(shù)就可以根據(jù)水平面總輻射計算出水平面總照度。

于是，根據(jù)《中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫》中給出的57 個城市的標(biāo)準(zhǔn)年全年的每小時的水平面散射輻射和直射輻射，可以計算出水平面的總輻射，找出累積頻率75 小時的最大水平面總輻射，再根據(jù)不同城市的輻射光當(dāng)量系數(shù)，就可以計算出對應(yīng)的累積頻率75 小時的最大水平面照度，結(jié)果見表5。

表5 五十七個城市參考水平面照度

續(xù)表

5 不同地區(qū)的參考水平面照度修正系數(shù)

如果有多個城市的光照度資料，就可以找出每個城市累積頻率75 小時的最大水平面照度作為參考水平面照度，并以某一個城市為基準(zhǔn)，找出其他城市與該標(biāo)準(zhǔn)城市的比例關(guān)系，作為參考水平面照度的修正系數(shù)。那么只要知道各個地區(qū)相對于標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)的參考水平面修正系數(shù)就可以計算出這一地區(qū)的參考水平面照度值。

6 水平面照度值與各方向垂直面照度值的轉(zhuǎn)換

對于任意隧道洞外景物表面，除了路面通常為是水平面之外，其他表面或是傾斜面或是鉛垂面。通常隧道口端墻、廣告牌、建筑物是鉛垂面或近似鉛垂面，而巖壁護坡和綠化通常為傾斜面。對于喬木和灌木由于跟視線的位置關(guān)系，可以將可見的樹冠面看作與視線方向垂直的鉛垂面。草坪和護坡巖壁也可以在微元單位上看作與視線垂直的鉛垂面。這樣就簡化了隧道口景物表面的亮度計算。

既然隧道洞口所有的景物表面都可以簡化為鉛垂面，那么如果能找到水平面照度和垂直面照度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以方便地將光氣候觀測數(shù)據(jù)中的水平面照度值轉(zhuǎn)化為垂直面照度。

垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)是指在某一標(biāo)準(zhǔn)天空下，即在確定的氣象和地理參數(shù)前提下，某一垂直面照度與水平面總照度的比值。重慶大學(xué)陳仲林教授對此進行了研究。

式中VKe、VKs、VKw、VKn——東、南、西、北四個方向上垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù);

Evqe、Evqs、Evqw、Evqn——東、南、西、北四個方向的垂直面照度;

Evq——水平面總照度。

影響水平面總照度和各垂直面照度的因素是日光狀況、云量、云狀、按時間分布的日照概率，以及地理緯度等。相應(yīng)的垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)也是上述氣象和地理參量的函數(shù)。因此可以列出關(guān)于垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)的線性回歸表達(dá)式:

式中VKe、VKs、VKw、VKn——年或月平均垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù);

N——地理緯度(o);

H——海拔高度(m);

M——年或月的平均絕對濕度(MPa);

S——年或月的平均日照時數(shù)(h);

C——年或月的平均總云量;

F——按時間的年或月的日照概率(百分比);

be0，…，be6，bs0，…，bs6，bw0，…，bw6，bn0，…，bn6——回歸方程待定系數(shù)。

在上述對垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響因素中，以日面狀況和總云量較大。選擇以日面狀況和總云量為分類前提統(tǒng)計出水平面總照度和各垂直面照度的年平均值，據(jù)此得到在某一特定日光狀況和總云量下的垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)。

7 隧道洞外景物表面反射特征與亮度計算

筆者根據(jù)隧道典型洞外景物要素及其表面亮度影響因素的相關(guān)研究提出:作為“自發(fā)光”表面——天空，其表面亮度由光氣候決定。作為視覺中心的洞外景物要素——隧道洞口的亮度可忽略外界光環(huán)境的影響，主要受到隧道內(nèi)人工照明的影響，并且因為本身亮度值較低，其取值對于洞外亮度平均值和入口段亮度影響不大，根據(jù)JTJ 026.1.1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》中入口段亮度與洞外亮度的換算關(guān)系，建議直接取固定值200 cd/m2。作為“被照面”的其他洞外景物要素:端墻、路面、巖壁、綠化、建筑和廣告牌等，其表面亮度主要取決于被照面的照度和表面反射特征和反射系數(shù)。

隧道洞外景物中除了天空和洞口，其他景物都可以看作反光表面，其表面亮度在照度一定的情況下，跟反射特征有關(guān)。材料表面的反射特征包括反射系數(shù)和定向反射度。根據(jù)隧道洞外各種景物表面的屬性不同、可控程度不同、以及與視線和光照方向和位置關(guān)系的差異，需要考慮的表面反射特征存在差異，為了研究的方便，本章將隧道洞外景物分3 類進行分別研究:一類是水平路面;一類是垂直表面的構(gòu)建筑物;一類是植物綠化。

對于水平路面，其表面亮度主要取決于路面的鋪設(shè)材料，與行車方向有一定關(guān)系，但是關(guān)系不是很大，故建議直接采用JTJ 026.1.1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》中平均亮度與平均照度間的換算關(guān)系(亮度系數(shù)q)計算，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取值，由公式L=E·q與已知參考水平面照度，即可計算出參考光氣候條件下的路面亮度值。

隧道洞外的構(gòu)建筑物，考慮通過規(guī)范限制使用高定向度的混合反射材料在隧道洞外構(gòu)建筑物表面的使用，只選用漫反射或類似漫反射材料。因此只需要考慮構(gòu)建筑物表面的反射系數(shù)。既然將表面看作漫反射表面，就可運用漫反射表面亮度和照度的計算公式L=E·ρ ∕π。根據(jù)參考光氣候條件中參考水平面照度的垂直面轉(zhuǎn)化系數(shù)可得到4 個方向的垂直面照度，然后再根據(jù)常用材料反射系數(shù)表選定材料的反射系數(shù)，最后運用公式L=E·ρ ∕π，就可以計算出不同方向的構(gòu)建筑物的表面亮度值。

而對于植物綠化的反射特征，由于綠化表面的特殊性，筆者建議測量綠化表面的平均反射系數(shù)。具體方法為標(biāo)準(zhǔn)灰板對比法，將標(biāo)準(zhǔn)灰板放于某種植物的典型植被面上，使用數(shù)字影像光度計PR-920 截取包含有標(biāo)準(zhǔn)灰板的一定面積的植被表面。由于在一個小范圍內(nèi)，植被表面與灰板表面的照度一致，那么植被表面的平均亮度值與灰板的亮度值之比就等于植被表面的反射系數(shù)與灰板的反射系數(shù)之比Lg∕Lb=ρg∕ρb，已知標(biāo)準(zhǔn)灰板的反射系數(shù)ρb與測得亮度之比即可求得植被的平均反射系數(shù)ρg。接下來同樣由漫反射表面亮度和照度的計算公式L=E·ρ ∕π 可得植物綠化表面的參考亮度值。

8 小結(jié)

本文以光氣候的基本理論為依據(jù)，以已有的研究成果為基礎(chǔ)，提出了研究隧道洞外景物亮度的新思路，主要解決以下問題:

(1)確定了計算隧道洞外景物亮度的參考光氣候條件，即累計出現(xiàn)頻率75 小時的最大水平面總照度和太陽輻射照度。

(2)利用光氣候數(shù)據(jù)將太陽總輻射轉(zhuǎn)換為水平總照度。

(3)水平面照度轉(zhuǎn)換為垂直面照度。

(4)根據(jù)不同景物表面的反射特征，求解隧道洞外景物亮度。

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［2］吳其劻.總輻射光當(dāng)量及其在光氣候計算中的應(yīng)用［J］.氣象學(xué)報，1987(3)

［3］奚于成，楊光璇，張青文.從水平面照度到垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)的探討［J］.照明工程學(xué)報，1994(9)

［4］張晴原.中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004

［5］中華人民共和國交通部.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范［S］.北京，2000