察覺對比設計方法下對比顯示系數研究綜述

蔡賢云，翁 季，杜 峰，張青文

(重慶大學 建筑城規學院，重慶 400045)

0 引言

我國高速公路隧道建設的數量與通行里程快速增加，在未來一段時間內，公路隧道將以每年300 公里的速度增加。為滿足行車過程中安全、舒適、節能的要求，國內外對隧道照明設計做了大量研究工作。

在確定隧道入口段亮度時，國際照明委員會(CIE)在CIE 88—1990 Guide for the lighting of road tunnels and underpasses 中建議采用k(折減系數)值法來計算隧道入口段的亮度值Lth，并在附錄1 和附錄2分別介紹了主觀評價法SRN 和基于等效光幕亮度理論來確定隧道入口段亮度的方法。2004年vCIE 發布的CIE 88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》中，提出了利用察覺對比法計算公路隧道入口段路面亮度值的方法，該方法綜合考慮了光在空氣中的散射、汽車擋風玻璃的影響以及光源散射等實際情況，該亮度值Lth可通過公式(1)算得:

交通運輸部2014年v發布的最新行業標準《JTG/T D70/2—01—2014 公路隧道照明設計細則》中給出的入口段亮度計算方法仍然是k值法。行業內部分文章論述LED 燈的優點，將其應用于隧道照明中作節能照明研究，但是在確定入口段亮度時，依然采用k值法。對于k的合理取值，隧道照明工學歐洲D.A.Schreuder 學派和日本成定康平學派提出的k值相差達5 倍之多，我國現有規范將k 值取二者中間值也無十足的依據。k值法更為明顯的問題在于:該方法沒有考慮汽車通過隧道之時駕駛員的心理、生理變化和人眼視覺特性的差別，所以由k 值法確定的入口段亮度Lth與隧道照明實際需要差別較大。

雖然采用k 值法計算入口段亮度存在較大偏差，但是當今隧道照明設計中運用k 值法的情況依然大量存在。雖然全新的隧道照明設計理念察覺對比設計方法自CIE 88—2004 發布以來已有十年時間，但是對該方法的研究依然不足。因此，文章試圖理清察覺對比法的思路，并在此基礎上研究其重要參數對比顯示系數qc。

1 察覺對比設計方法

1.1 察覺對比法入口段亮度計算公式的物理意義

察覺對比的本質是隧道入口段的照明能保證目標的對比度不低于察覺對比。察覺對比與實驗室得到的所需的對比度不同，察覺對比考慮了光在空氣中的散射、汽車擋風玻璃的影響以及光源向眼睛的散射等實際因素。依據CIE 88—1990，入口段的亮度公式為

該公式表明了等效光幕亮度與目標物亮度對比度之間的關系，同公式(2)一樣，可以尋求察覺對比法下入口段亮度計算公式(1)的物理意義。結合可見度的公式VL=ΔL/ΔLs，經過公式推導可建立最小察覺對比與可見度之間的關系，如公式(3)所示。

結合公式(3)與公式(1)可將察覺對比法下的入口段公式改寫為

通過公式(4)即可建立可見度與察覺對比法入口段亮度公式之間的關系，此時分子中的Lm可以看做是等效光幕亮度，分母中的VL為可見度，C為亮度對比，當研究了一系列的參數之后，僅需研究對比顯示系數與亮度之間的關系即可。

1.2 Lth計算公式中參數的研究

殷穎在《隧道入口段亮度計算方法比較研究》一文中，通過重慶市真武山隧道實測計算發現采用k 值法計算的入口段亮度最高，用SRN 主觀評價法得出的入口段亮度值跨度很大，由此得出察覺對比法最適合我國的隧道入口段亮度計算。《公路隧道照明設計新理念》一文，對CIE 88—2004 中給出的入口段亮度計算公式進行了理論推導，并指出只要能得到入口段亮度最小值，即可通過人眼適應曲線的數學模型求得過渡段的亮度值，從而進行隧道照明設計。上述文章研究結果表明，察覺對比法更節能、更符合人眼的視覺特性。

在察覺對比法入口段亮度計算公式的相關參數研究上，重慶大學建筑光學團隊針對不同款式的汽車實測了擋風玻璃亮度及透射比。潘貝貝《公路隧道照明察覺對比設計方法中的大氣透射比取值初探》一文，在研究大氣透射比τ 相關理論的基礎上，通過室外實驗實測，發現CIE 88—2004 推薦的1.0 大氣透射比有失偏頗，并對大氣透射比作了修正。

在入口段計算公式中還有一個參數即最小察覺對比Cm，要搞清楚察覺對比法，應該先了解清楚該參數的意義及最小察覺對比實驗。依據CIE 61—1984 Tunnel entrance lighting:a survey of fundamentals for determing the luminance in the threshold zone 察覺對比度閾值即最小察覺對比是在某一亮度對比度情況下由觀測者對目標的正確察覺率決定的。通常當察覺率為75%時，認為對應的亮度對比度為該條件下的觀測者察覺閾值。殷穎《隧道入口段亮度計算方法研究》一文，以Schreuder 的隧道實驗模型為基礎，通過確定觀察者距離、目標物尺寸、目標物呈現時間等，得到了正負對比和不同背景亮度下察覺率為75%時的察覺對比度。關于最小察覺對比度CIE 88—2004 中推薦的值為0.28。

2 對比顯示系數

CIE 88—2004 給出了對比顯示系數的定義qc=Lb/Ev，其中Lb為給定區域的路面亮度，Ev為小目標物面向行車方向的中點處的垂直照度。在CIE 189—2010 Calculation of tunnel lighting quality criteria中，除了將對比顯示系數作為公路隧道照明質量的評價指標之一外，還給出了路面亮度與小目標物垂直照度的計算公式。

2.1 對比顯示系數與最低亮度閾值的關系

隧道照明中察覺對比法的核心思想是入口段的照明能夠保證目標的對比度不低于察覺對比，對比道路照明，在美國道路照明國家標準IESNA RP—8—00中頒布了小目標可見度的標準值。結合可見度的公式VL=ΔL0/ΔLs，經公式推導可建立最小察覺對比與小目標可見度之間的關系，如公式(3)所示。

通過上式可將小目標可見度VL、亮度對比C與最小察覺對比Cm之間建立關系。如公式(6)所示。

將可見度的概念運用到隧道照明中，嘗試解決對比顯示系數的問題。在歐盟隧道照明標準CR 14380—2003 Lighting applications-tunnel lighting 中的附錄A4 部分，給出了最低亮度閾值(minimum luminance threshold)ΔLs與對比顯示系數qc的關系式，如公式(7)所示。

經過變形之后可得到

在式(7)中，只要能夠確定最低亮度閾值(minimum luminance threshold)ΔLs即可確定該種情況下的對比顯示系數值。道路照明中關于最低亮度閾值ΔLs的研究已有很多。W·Adrian 在Visibility of targets:model for calculation 一文中，通過實驗與分析給出了最低閾限亮度的原始公式，如公式(9)所示:

在《城區機動車道路照明可見度研究》與《機動車交通道路照明設計標準研究》兩篇論文中，均對H·R·Blackwell 的“人眼閾限對比”實驗進行了計算機模擬，結合道路照明的現實情況，得到了不同視角條件和正對比與負對比狀態下，識別率為99.96%的最低亮度閾值公式。如依據《機動車交通道路照明設計標準研究》一文，當視角α=7.45＇時P=99.96%識別幾率下閾限亮度ΔLs與背景亮度Lb之間的關系如公式(10)所示。

式中:Lb為目標物的背景亮度;n為實驗方法調整系數，當Lb≥0.6 cd/m2，n=3.34;0.6 cd/m2＞Lb＞0.004 18 cd/m2，n=3.47。

但是上述研究方法主要運用于道路照明的實際情況下，在研究中并未將路面的反射情況考慮在內。而隧道內墻面、路面存在多次反射的情況，因此將最低閾限亮度置于隧道內考慮時，應將最低閾限亮度公式結合隧道內的反射增量系數進行修正，方可進一步的研究對比顯示系數qc。

2.2 對比顯示系數的影響因素

在《公路隧道照明對比顯示系數探討》一文中對基本照明與入口段照明下的對比顯示系數實驗作了研究，通過對福建省高速公路隧道的實測，得到了相關的路面亮度與垂直照度值，并由此得到了與之相對應的對比顯示系數值，最終發現對比顯示系數與隧道內光的相對分布有關。即對比顯示系數與隧道照明方式、燈具間距、燈具掛高、光源功率、燈具配光、隧道內的反射增量系數有關。

隧道照明方式包括順光照明、逆光照明與對稱照明三種形式，不同照明方式下的對比顯示系數取值不同，因此在研究三種不同照明方式時，可理解為是關于隧道內燈具安裝轉角的研究。在研究隧道內的反射增量系數時，除了要考慮不同界面(墻面、路面、頂棚)的反射比，還要考慮燈具光通在不同界面的分配情況，而燈具安裝仰角的角度范圍，就決定了光通在隧道內路面、墻面和頂棚上的分配情況。林勇《基于等效光幕亮度的隧道照明研究》一文通過研究發現在逆光照明時，燈具安裝轉角為530時，qc值最大。楊韜通過1 ∶10 隧道照明模型來研究反射增量系數，并得到了不同光通分配比下的隧道照明反射增量系數。該隧道模型對筆者的對比顯示系數研究具有借鑒意義，但是，當建立1 ∶10 的隧道模型時，對應的光通量是否也應該按比例縮小為原來的十分之一，值得進一步探討。

2.3 對比顯示系數的計算機模擬與編程計算

現有的計算機模擬軟件直接用于對比顯示系數研究并不理想，以DIAlux4.11 為例，選用中間段進行模擬，此時選擇的燈具為雷士照明高壓鈉燈NAV 150 W，墻面反射比為0.3，路面反射比為0.14，頂棚反射比為0.05，經模擬后得到的數據如圖1 所示。將路面反射比改為0.3，得到的數據如圖2 所示。從圖1 和圖2 中發現當改變界面的反射比之后模擬結果幾乎相同。在全面了解DIAlux 軟件與以DIAlux 軟件為基礎進行模擬的相關文章之后發現，當反射比改變不大時，模擬結果幾乎沒有變化，當界面反射比改變幅度較大時，模擬結果的變化也不大，因此可以發現該模擬軟件并沒有完全考慮反射增量系數的影響。同時，DIAlux 模擬，無法求得小目標物垂直面中點處的照度值。

圖1 對比顯示系數計算機模擬數值(路面反射比為0.14)

圖2 對比顯示系數計算機模擬數值(路面反射比為0.3)

由此，考慮通過計算機編程來研究對比顯示系數。依據《基于等效光幕亮度的隧道照明研究》，調用通過編程得到的對比顯示系數qc計算軟件(如圖3 所示)。當知道隧道的截面尺寸之后，就可以通過改變燈具的間距、掛高、反射增量系數、燈具安裝轉角、燈具安裝仰角、光通量、光源功率和燈具配光曲線，計算不同段的最佳對比顯示系數，當對比顯示系數值一定，其燈具布置方式等也就能相應確定。

圖3

在上述研究的基礎上，再通過實驗室實驗和現場實測進行論證。

3 小 結

文章對察覺對比法的現有研究成果作了進一步的論述，同時將道路照明中的相關內容引申到隧道照明中來。在此基礎上，分析對比顯示系數的影響因素，并嘗試通過對比顯示系數計算軟件來定量研究隧道各段的qc值，在此基礎上通過實驗室實驗和現場實測作進一步的論證。

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