公路隧道照明察覺對比設計方法中的大氣透射比τatm取值研究

潘貝貝，翁 季

(重慶大學 建筑城規學院;山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

0 引言

隧道入口段是整條隧道的起點，入口段亮度是隧道照明設計的計算基礎，對于CIE 推薦的三種用于計算隧道入口段亮度的方法，即k值法、SRN 主觀評價法和察覺對比設計方法而言，察覺對比法最能真實反映駕駛員在接近隧道時的視看環境，以及全面地考慮影響駕駛員察覺能力的各種因素，目前最適用于隧道入口段亮度計算。

CIE 于2004年v推薦的利用察覺對比法計算公路隧道入口段亮度的公式為

式中:Cm——目標物的最小察覺對比度;

ρo——漫反射表面的小目標光反射比，取為0.20;

qc——對比顯示系數，即測點處的路面亮度Lb與小目標中心點垂直面照度Ev的比值;

Latm(R)——汽車前方1 個停車距的近地面大氣散射光亮度，cd/m2;

τatm(R)——汽車前方1 個停車距的近地面大氣透射比;

Lws——汽車前擋風玻璃透射光亮度，cd/m2;

τws——汽車前擋風玻璃光透射比;

Lseq——由駕駛員眼睛掃視前方景物亮度產生的等效光幕亮度，cd/m2。

作為察覺對比公式中的一項重要參數，一個停車視距的近地面大氣透射比τatm(R)對隧道入口段亮度的計算結果有著重要影響，針對這一參數取值，CIE 88—2004 標準的建議值為1.0。然而，大氣透射比τatm屬于大氣光學物理量，其值會隨著大氣狀況、天氣條件、地理環境等因素的變化而變化。作者認為，CIE所給出的τatm(R)推薦值1.0 雖然具有一定參考價值，但是這一取值的嚴謹性、科學性以及地域適宜性都值得商榷。因此，為了提高察覺對比方法在實際運用中的普適性和精確性，針對一個停車視距的大氣透射比τatm(R)的合理取值進行研究是極其必要的。

針對隧道照明設計來說，《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)曾對不同設計速度下的照明停車視距取值作出規定，若隧道照明的設計速度為80 km/h，其對應的一個停車視距的長度不超過100 m。為了便于研究討論，文中的τatm(R)設定為汽車前方100 m 近地面水平傳輸路徑上的可見光大氣透射比，即τatm(0.1)。

1 大氣透射比τatm計算方法的確定

通過對相關理論的分析與總結，筆者將大氣透射比的現有測定方法歸納為四種，即能見度計算法、大氣輻射傳輸軟件計算法、透射式能見度直接測定法以及大氣視覺理論計算法。

1.1 能見度計算法

能見度計算法即利用散射式能見度儀測得的實時能見度數據，根據Koschmieder 定律得到大氣消光系數，再由Bouguer-Lamber 定律計算大氣透射比數值。這種方法在理論上是可行的，但是散射式能見度儀在研制開發階段，一般采用是Koschmieder 定律的修正公式，而此公式信息又無從得知，導致大氣消光系數的計算數據存在一定誤差，大大降低了這種計算方法在實際運用中的可操作性。

1.2 大氣輻射傳輸軟件計算法

軟件計算法是利用國際上已建立的大氣光譜參數數據庫，通過專業大氣傳輸軟件可實現對大氣透射比的高精度測量。這一方法雖然快速精確，但是需要設置大量的氣象參數，因大氣始終處于運動變化的狀態，這些數據繁瑣復雜又很難測量，增加了這一方法的實施難度。而且這種方法專業性較強，最終產生的數據量十分龐大，本研究畢竟不同于氣象觀測領域的專項研究，不需要如此精準、龐雜的數據結果，因此該方法對本研究的適用性有待商榷。

1.3 透射式能見度儀直接測定法

透射式能見度儀是基于透射比定義研發的一種能見度測量儀器，即通過對基線方向上大氣透射比的直接測量獲得這一參數的實時數據，根據Bouguer-Lamber 定律及Koschmieder 定律計算得到大氣能見度。該儀器可實現對一定路程的大氣透射比的實時測量，因而透射式能見度儀直接測定法是一種最為簡便、有效且最具說服力的測量方法。但是，該儀器造價極為昂貴，高達數百萬元，且安裝及維護難度大，致使這一方法的可行性大打折扣。

1.4 大氣視覺理論計算法

大氣視覺理論以人眼的視覺理論為基礎，綜合考慮了大氣對光輻射的衰減和增強效應，很好地闡述了目標物光輻射在到達人眼之前與大氣發生了何種作用。在這里，特別指出的是，在到達人眼之前，目標物所發出的可見光始終沿近地面水平方向傳輸。其計算模型可利用亮度這一光學參數來表達。

式中:Lo，p——目標光輻射經過厚度為R 的大氣層之后，人眼所察覺到的目標物亮度，cd/m2;

Lo——目標光輻射經過大氣層之前的固有亮度，cd/m2;

Latm(∞)——天空背景亮度，在觀測條件不變的情況下，此為恒定值，cd/m2;

τRatm——水平傳輸距離為R 時，可見光近地面大氣透射比。

關于亮度測量，光學領域存在多種類型的儀器設備能夠完成相應的測量工作，如簡易型亮度計、成像式亮度計和高準確亮度計等，且這些測量儀器的普遍性和適用性都很強。較之其他三種計算方法，大氣視覺理論計算法的可操作性更強。因而，式(2)可作為計算大氣透射比τatm的重要公式。

文章研究對象是對于可見光而言的近地面水平大氣透射比τatm，這一參數依據自身定義，其大氣傳輸路徑為1 km。而研究的最終目的是要落實一個停車視距的大氣透射比τatm(0.1)數值，也就是完成短距離上近地面大氣透射比的測量工作。以上四種測定方法各有利弊，經過綜合分析，筆者認為大氣視覺理論計算法比較適合近地面大氣透射比的測量。

2 重慶地區大氣透射比τatm的測定

我國幅員遼闊，氣候類型多樣，地理環境懸殊，這必然會造成各地區的大氣透射比變化規律及數值大小的千差萬別。本研究不可能面面俱到，在此以重慶地區為例研究大氣透射比取值，同時建立可行性強、普適性高的研究方案。

2.1 實驗原理

由于本實驗是在天然光環境下進行的，實驗天氣的合理選擇對研究重慶地區大氣透射比τatm極其重要。由相關理論可知，大氣透射比與大氣能見度具有直接的相關性。因此，在實驗天氣的選擇上，筆者主要從能見度角度出發，兼顧考慮天空狀況的穩定性，確定了六種實驗天氣類型，即高能見度晴天空、高能見度陰天空、中能見度晴天空、中能見度陰天空、低能見度晴天空和低能見度陰天空。

本實驗是基于大氣視覺理論進行的，利用A1 號白板(表面均勻噴涂BaSO4材料)、LM-3 亮度儀、XYI-III照度計等實驗器材，對大氣透射比τatm進行測定。實驗之初，對LM-3 亮度儀及XYI-III 照度計進行精度校正，并利用漫反射表面反射系數測定公式ρ=πL/E對A1 號白板的反射系數進行精確測定，得到其值為0.91。其后，在適宜的室外環境下，利用XYI-III照度計所測得的A1 號白板表面垂直照度Ev求得其固有亮度Lo，利用LM-3 亮度儀測定A1 號白板在不同觀測距離下的觀測亮度Lo，p;在已知固有亮度Lo、觀測亮度Lo，p、觀測距離R 的情況下，結合大氣透射比計算公式(2)，通過數據處理軟件對所得實驗數據進行擬合，求得不同實驗條件下的τatm和τatm(0.1)數值。

2.2 實驗過程

測定工作是以重慶大學B 校區田徑場為實驗場地，每次測試選擇在當日接近中午時分進行，時間控制在11 ∶00—11 ∶30 之間。具體實驗步驟如下:

(1)在實驗場地沿田徑場的長邊方向布置測點，將LM-3 亮度儀置于西北0 m 處，在0～120 m 的范圍內以間隔10 m 的距離布置一個測點，分別為10 m、20 m、30 m……100 m、110 m、120 m(圖1)。

(2)將一部照度計水平放置于空曠地面上，用于測定太陽輻射的水平照度Eh，另一部照度計固定于A1 號白板上，用于測定A1 號白板的垂直照度Ev。

(3)首先將A1 號白板置于120 m 處，讀取此時白板的垂直照度Ev、觀測亮度Lo，p以及太陽輻射的水平照度Eh(一定要確保各數據讀取地同時性)，并將數據記錄下來。

圖1 實驗測點布置

(4)保持亮度儀位置不變，將白板位置移至110 m處，依照步驟4 再次進行測試，記錄相關實驗數據。

(5)將白板依次置于100 m、90 m…10 m 處，以相同的步驟進行測試，并記錄測試結果(圖2)。

圖2 實驗測試現場

(6)本組測試結束后，將白板再次放置在10 m、20 m、30 m……120 m 測點處，依照以上步驟進行測試，記錄第二組測試結果。

(7)測試完畢后，將白板重新放置在120 m、110 m……10 m 測點處，以相同的步驟進行測試，記錄第三組測試結果。

(8)整理實驗數據，每個測點的測試距離R、觀測亮度Lo，p可直接獲取，固有亮度Lo則需根據漫反射表面反射系數測定公式ρ=πL/E，由垂直照度Ev計算得到。

(9)結合公式(2)，將相關數據通過1stOpt5.0 及Origin8.5軟件進行擬合，得出當時天氣條件下的τatm及τatm(0.1)。

2.3 結果

每次實驗對10 m～120 m 這12 個測點均進行了三次測試，也就是說每種天氣狀況擁有三組實驗數據。以高能見度晴天條件下的測試數據(見表1)為例，對數據處理方法進行介紹。

表1 高能見度晴天條件下測試數據

在對以上數據進行擬合時，首先結合公式(2)并利用1stOpt5.0 軟件對前兩組數據進行多元非線性擬合，得出τatm、Latm(∞)的擬合數值分別為0.783 和3 057.4。將其代入式(2)中，便得到固有亮度Lo和觀測亮度Lo，p的函數表達式，即Lo，p=3 057.4-(3 057.4-Lo)×0.783^R。然后，利用各天氣狀況下的第三組數據驗證τatm和Latm(∞)擬合值的準確性。具體方法是，將第三組數據中的Lo及R 數值代入上述與之對應的函數關系式中，得到Lo，p計算值。利用Origin8.5軟件對Lo，p計算值與Lo，p實測值進行比較(見圖3)，并求出二者之間的誤差率在0.05%～0.20%之間，由此可見，前兩組數據擬合得到的τatm和Latm(∞)數值具有一定的合理性與準確性。

圖3 高能見度晴天空Lo，p計算值與實測值之間的比較分析

利用上述方法，作者依次對其他五種天氣條件下的測試數據進行了擬合處理，得到τatm和Latm(∞)擬合值，并且利用第三組數據對擬合值的精確性進行了驗證，誤差均在合理范圍內。根據公式可以求得100 m 傳輸路徑上的大氣透射比τatm(0.1)，本實驗測試結果見表2。

表2 大氣透射比τatm測試結果

2.4 τatm(0.1)計算值與CIE 標準推薦值的比較與分析

CIE 88—2004 曾對察覺對比公式中的τatm(0.1)作出一定推薦，即在沒有當地大氣光學數據的情況下，τatm(0.1)可取為1.0。顯然這一推薦值與上述取值范圍存在一定差別，現對τatm(0.1)計算值與CIE 88—2004 文件的推薦值進行如下比較與分析。

(1)在此次大氣透射比τatm實驗中，，不同的大氣能見度條件下，τatm(0.1)大小存在差異。而CIE 88—2004 對推薦值1.0 的運用并未給出嚴格的限定條件，沒有明確說明在什么樣的天氣條件或光學環境下，τatm(0.1)取1.0。

(2)從重慶地區來說，高能見度天氣的τatm(0.1)計算值與CIE 推薦值1.0 十分接近，誤差小于3.4%;中能見度天氣的τatm(0.1)取值與推薦值1.0 略有差異，誤差在3.4%～13.7%;低能見度天氣的τatm(0.1)大小與推薦值1.0 的誤差要大于13.7%(表3)。

表3 τatm(0.1)計算值與CIE 推薦值之間的誤差率

(3)在重慶地區，不同測試天氣下τatm(0.1)的不同取值，必然會導致察覺對比設計方法計算結果數值上的波動，與τatm(0.1)直接取為1.0 的情況相比，其對隧道照明設計的影響更為復雜。

如果測試天氣為高能見度時，τatm(0.1)計算值接近于1.0，但并不能說明此時的τatm(0.1)可取作1.0。而在中、低能見度條件下，τatm(0.1)計算值與推薦值1.0 相差懸殊，顯然，τatm(0.1)也不能直接套用1.0 這一數值。因此，無論處于何種天氣條件下，τatm(0.1)取值直接照搬CIE 推薦值，既不科學也不精確。

3 小 結

筆者以重慶地區為例，通過實驗研究得到六種不同天氣條件下τatm(0.1)的取值范圍，結果證明，不管在哪種天氣條件下，τatm(0.1)計算值均與CIE 推薦值1.0 存在一定差距，因此，在重慶地區的隧道照明設計中，τatm(0.1)取值不能簡單地用1.0 來表示。

［1］CIE Technical Report.88—2004.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.2004

［2］中華人民共和國行業標準.(JTG/T D70/2-01—2014)公路隧道照明設計細則［S］.北京:人民交通出版社，2014

［3］李春亮.能見度測量技術100 問［M］.北京:氣象出版社，2009

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［5］康圣，王江安.能見度光學測量方法［J］.中國科技成果，2010(23)

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