基于視覺特性的短隧道照明節能設計研究

涂　耘，史玲娜，王小軍

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，交通工程與節能分院，重慶　400067)

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基于視覺特性的短隧道照明節能設計研究

涂耘，史玲娜，王小軍

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，交通工程與節能分院，重慶400067)

摘要：根據短隧道行車視覺特點，分析通透率對視覺適應過程的影響，并結合CIE在《公路隧道和地道路照明指南》提出隧道亮度變化規律，說明《公路隧道照明細則》規定的短隧道照明設計方法的合理性。此外，文中對具體短隧道采用《細則》方法結合最優化技術進行照明設計，將設計所得結果與原《規范》所得結果比較。結果表明：在《細則》規定基礎上結合優化設計方法，與原《規范》相比，可使每個照明區段的照明能耗都有不同程度降低，對于一般短隧道，總體節能可在原《規范》基礎上減少60%。

關鍵詞：短隧道照明；暗適應；明適應；通透率；優化設計

引言

近年來，隨著我國經濟建設的快速發展，高速公路逐年增多。根據交通部數據統計，截至2012年底，我國公路總里程達到423.75萬km，隧道達到1萬余處，總長805萬m，其中短隧道數占了隧道總數的50%左右[1，2]。與公路隧道建設同步的是隧道能耗問題日益突出，據不完全統計，在公路隧道機電系統中，照明負荷以總負荷30%左右的比重成為公路隧道運營中的最大開支[3，4]。其中短隧道在隧道照明設計中會受到通透率的影響，如果科學合理考慮該因素并進行優化設計，可以在短隧道照明設計和運營上提升更大的節能空間。因此，在目前隧道照明能耗問題日益突出的前提下，如何充分考慮短隧道的通透率對節能設計的影響，通過科學合理的照明優化設計，實現安全運營前提下的照明節能成為隧道照明設計及運營管理部門共同關注的問題。

2014年8月，交通運輸部發布了《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)(以下簡稱《細則》)，對2000年頒布的《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ 026.1—1999)(以下簡稱《規范》)進行了全面的修訂。其中針對短隧道提出了不同長度短隧道的照明設計方法，相比較原《規范》體現了短隧道設計思想的合理性和節能性[5，6]。

為了進一步說明短隧道照明節能優化設計的依據及效果，本文以駕駛員的隧道行車視覺特點為理論基礎，深入分析隧道通透率對短隧道照明需求的影響，并結合《細則》提出的短隧道照明設計方法和最優化方法，說明《細則》規定下的短隧道優化照明設計方法與原《規范》相比具有更大的節能空間。該研究成果既從理論上說明了《細則》所提出的短隧道照明設計方法的合理性，提出的最優化設計方法又可作為節能設計的有利補充，可為公路隧道照明實現科學、合理、安全的設計、運營管理及評價提供強有力的技術支撐。

1短隧道節能設計理論依據

1.1　短隧道行車視覺特點

根據人眼視覺特點，當駕駛員白天駕車駛入隧道時，會有一個暗適應過程，駛離隧道時會有一個明適應過程。通常暗適應的過程比較緩慢，到完全適應一般需要25~30 min的時間；而明適應過程相對較短，一般大約需要1 min左右的時間[7，8]。根據國際照明委員會(CIE)提出的《公路隧道和地道路照明指南》規定[9]，隧道內部照明區段的劃分及亮度設置應符合人眼的明適應和暗適應的變化規律，如圖1所示。根據這一變化規律，《細則》在原《規范》基礎上提出隧道入口段和出口段可各細分兩個照明段，每個照明段的亮度呈階梯狀遞減或遞增，這一劃分既符合人眼的亮度視覺需求規律，又有利于隧道的照明節能。

圖1　隧道亮度的變化趨勢Fig.1　Luminance evolution along the tunnel

對于短隧道而言，白天駛入短隧道的暗適應過程與隧道的長度及通透率有關。通常，隧道越短，受出口段洞外亮度對隧道內照明環境的影響，暗適應時間有所縮短；隧道的通透性越好，暗適應所需的時間就越短。同樣地，駛出短隧道的明適應過程也類似。正是因為如此，新《細則》在短隧道入口段亮度的規定上較長隧道有所降低，規定：300m

1.2　短隧道通透率

所謂隧道通透率(STP)是指在隧道入口前一個停車視距的主車道位置，駕駛員在1.5m高度看到的隧道出口面積占入口面積的百分比，圖2和式(1)分別為通透率的計算示意圖和計算式。

圖2　短隧道通透率計算示意圖Fig.2　Calculation of intervisibility for short tunnel

(1)

一般說來，隧道長度、線形和結構不同均會導致通透率不同，圖3分別表示了兩座不同長度雙車道直線短隧道的通透率情況。對于直線短隧道而言，隧道越短，通透性就越好；對于曲線短隧道而言，隧道曲線半徑越大，通透性越好。通透性好的洞外亮度對隧道內部視覺環境而言猶如大型自然光源，對隧道內部特別是出口段的照明起到有益的補充作用，圖4表示隧道洞外的自然光對洞口區域路面的照明效果(不考慮洞內照明的情況下)。除對洞口區域路面照明有貢獻之外，洞外的自然光對隧道內的側壁、內部空間的照明均會帶來增益效果。通透性越好，這種增益效果對明適應的貢獻越大，明適應的時間就越短，反之，明適應時間就會越長。新《細則》規定的不同長度的短隧道入口段亮度設置就是體現了這一原則，對于通透性差的短隧道，由于明適應時間較長，則在短隧道照明區段的設置上還需根據亮度梯度變化規律設置過渡段。《細則》規定：長度L≤300m的隧道，可不設置過渡段加強照明；300m

圖3　不同長度隧道的通透率對比Fig.3　Comparison of intervisibility between tunnels with different length

圖4　洞外亮度影響下的隧道洞口路面照明效果Fig.4　Luminance of entrance lighted by outside environment

2短隧道節能優化設計

原《規范》在隧道照明設計上由于未考慮短隧道通透率對照明節能設計的影響，一律根據相同的標準進行長短隧道照明設計，從而造成短隧道照明系統設計過于龐大。招商局重慶交通科研設計研究院有限公司在吸取CIE隧道內部亮度遞減規律并結合我國隧道的實際運營經驗，在編制《細則》時不僅提出了照明區段可進一步細分，并且規定不同長度短隧道的入口段亮度取值可一步降低，過渡段的區段設置可進一步減少，如1.2節所述。

為進一步說明在考慮隧道通透率前提下新《細則》相比原《規范》的節能效果，現以重慶市內一座約250m的短隧道為例進行說明，設計中，該隧道的洞外亮度取3000cd/m2,設計車速為80km/h，單向交通且交通量小于350 veh /(h·ln)，設計分別采用原《規范》和《細則》所提出的方法比較，為體現隧道照明節能的最大化，按《細則》設計時采用最優化算法并用DIALUX軟件進行效果驗證。圖5和圖6為利用《細則》所提出的方法得到的該隧道基本照明和入口段加強照明的照明效果仿真圖以及對應的亮度分布。

圖5　隧道照明效果Fig.5　Lighting effect of tunnel

該短隧道的原設計以《規范》為依據，現對該隧道采用《細則》提出的方法結合最優化算法對隧道照明進行優化設計，所得的隧道每一區段的劃分、對應的設計亮度以及所選用燈具的數量和功率與原《規范》相比如表1所示。

由表1可見，通過對兩種設計方案的比較，結合通透率對短隧道行車視覺適應性的影響，對短隧道按《細則》方法進行節能優化設計后，與原《規范》的設計結果相比，每一照明區段的燈具數和總功率都有不同程度降低，總體而言，采用《細則》的方法所用燈具數量可比原方案減少近34%，耗電功率可減少60%。由于依據通透率對短隧道行車視覺適應性進行短隧道照明區段和亮度規定的設置，完全符合短隧道的行車照明需求，因此，采用《細則》所提出的方法進行短隧道照明設計既可以滿足隧道行車照明需求，保證照明安全，又可以進一步減少隧道照明能耗，大大降低隧道運營成本。

圖6　隧道路面亮度分布Fig.6　Luminance distribution of tunnel

原方案優化方案長度/m亮度/(cd/m2)燈具數(加強+基本)/套總功率/W長度/m亮度/(cd/m2)燈具數(加強+基本)/套總功率/W入口段1427528+511500421512+43360入口段2————427.59+41680過渡段13522.511+32750————過渡段2427.59+41350————中間段1192116601211.510600出口段135108+41200304.54+3820出口段2————307.56+3540總計——8317460——557000

該研究成果結果表明，考慮短隧道的通透率對短隧道照明設置要求進行修正，并采用最優化方法進行節能設計不僅是解決高速公路隧道照明能耗高的一種有效途徑，也可以指導我國高速公路營運隧道的安全與節能管理方法的建立，對于提高我國公路隧道運營安全，降低高速公路隧道運營成本起到積極的作用。

3結論

本文通過分析短隧道行車的人眼視覺特性，在分析通透率對隧道內視覺環境影響的前提下，結合CIE在《公路隧道和地道路照明指南》提出的亮度變化規律說明新《細則》中短隧道照明設計方法的合理性。并以具體隧道為例采用優化算法對短隧道進行照明設計，得出新《細則》規定下采用優化設計方法在隧道照明方面的節能性，具體結論如下：

1)短隧道的通透性會影響短隧道行車的暗適應過程，通透性越好，暗適應過程越短；

2)對于通透性好的短隧道，入口段采用分段照明并結合通透率情況降低照明亮度要求，可大大降低入口照明能耗，實例表明與原《規范》相比，在采用優化算法的前提下，用新《細則》方法可比原《規范》使短隧道入口照明至少節能56%；

3)根據通透率來設置短隧道過渡照明，可進一步降低過渡段能耗，對于300m以下的短隧道由于取消過渡段照明，可使這區段節能100%；

4)由于短隧道中入口段和過渡段照明占了照明總能耗的70%左右，采用短隧道通透率的思想結合優化算法對入口段和過渡段進行照明節能設計，可使短隧道的能耗節減達60%以上。

總之，根據短隧道行車的人眼視覺特性，考慮通透率對隧道照明節能的影響，并借鑒CIE的隧道亮度等級劃分思想，對短隧道照明區段進行細分的基礎上進一步提出符合短隧道照明需求的亮度規定，結合照明優化方法進行短隧道照明節能設計，使短隧道照明既符合隧道行車的照明需求，保證隧道行車的安全，同時也可以進一步降低隧道照明的運營成本。

參考文獻

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[9] CIE 88:2004, Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses[S]. Vienna:Internatonal Commission on Illumination, 2004.

Research of Energy-saving Design for Short Tunnel Lighting

based on Visual Characteristic

Tu Yun, Shi Lingna, Wang Xiaojun

(TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunications

Research&DesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400067，China)

Abstract：Based on visual characteristic of short tunnel driving，the effect of intervisibility for visual adaptation is analyzed. Combined with luminance evolution along the tunnel in Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses proposed by CIE, the reasonability of design method for short tunnel is illustrated, which is proposed by Guidelines for Design of Lighting of Highway Tunnel. By lighting optimization design for a specific short tunnel with Guidelines, the energy consumption of each lighting zone can be reduced at different levels compared with that deduced by Speifications. And for general short tunnel, the total energy-saving can reach to 60% compared to earlier Speifications.

Key words:short tunnel lighting; light adaptation; dark adaptation; intervisibility rate; optimization design

通訊作者：涂耘，E-mail：tuyun@cmhk.com

基金項目：交通運輸部科技成果推廣項目(2013316350070)、陜西省交通廳科技項目(13-29K)、貴州省交通廳科技項目(2014-122-020)

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.006