基于視覺適應性的公路隧道太陽光光纖照明技術應用研究

李　松，史玲娜，涂　耘，張　恒，王小軍，安文娟

(1.貴州省公路局高速公路建設營運中心，貴州 貴陽　550081;2.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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基于視覺適應性的公路隧道太陽光光纖照明技術應用研究

李松1，史玲娜2，涂耘2，張恒1，王小軍2，安文娟2

(1.貴州省公路局高速公路建設營運中心，貴州 貴陽550081;2.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)

針對公路隧道行車白天入口段因駕駛員的暗適應使得隧道入口照明能耗過高，難以滿足駕駛員的視覺適應性問題，提出一種采用太陽光光纖照明技術進行隧道入口段投射照明的方案。以具體工程隧道為依托，提出太陽光光纖投射照明的應用方案，并通過應用方案的計算和仿真分析，得出采用太陽光光纖投射照明應用方案，可較好的解決駕駛員駛入隧道入口的視覺不適應問題，提高行車安全性，從而為該方案的工程應用提供技術指導意見。

隧道照明；視覺適應性；光纖照明；節能；安全

引言

隨著我國基礎建設速度的加快，公路隧道規模越來越大，截至2014年底，我國高速公路隧道數量達到12 404處，總長1075.67萬m，與之相隨的是隧道能耗問題日益突出[1-2]。據不完全估算，隧道每公里每年的照明電費高達15萬元左右，全國公路隧道年照明電費高達16億元，隧道照明作為公路隧道運營中的最大開支已成為運管管理單位沉重的負擔。

由于隧道入口段是隧道內部密閉黑暗空間與外部明亮空間的交界處，因白天洞內外巨大的亮度差異，導致駕駛者進入隧道時產生巨大的視覺明暗突變，形成進洞時的“黑洞效應”，極易引發行車安全事故[3-4]。為避免這種現象，需要在隧道入口段大幅度增加照明燈具的安裝密度、增大照明燈具的功率，從而形成一個特殊的“加強照明”區段，以緩解洞內外的巨大亮度差，這就導致隧道入口段加強照明的建設成本與營運成本都要翻番，其平均建設成本約占總投資的30%，而平均能耗更占了照明總能耗的40%左右[5]。此外，要使公路隧道入口段的照明指標與隧道洞外亮度相匹配，還必須在加強照明區段額外增加自適應控制系統，使其隨洞外亮度的變化而自動改變亮度，這更進一步增加了入口段加強照明的技術難度與建設成本。

考慮到隧道入口段是隧道內部密閉黑暗空間與外部明亮空間的交界處，如果能將外界的陽光引入隧道內照明，則既可以實現隧道照明的零能耗、零排放、零開支，又可以在無任何控制系統情況下、實現洞內亮度與洞外亮度的自然匹配，是真正與大自然和諧的可持續綠色照明。采用太陽光光纖照明技術就可以充分利用隧道洞外取之不盡、用之不竭的太陽光資源，將太陽光直接引入隧道入口段代替傳統的電光照明，不但可以從根本上解決白天隧道入口段視覺適應性需求與照明高能耗的矛盾問題，而且還可為道路交通實現綠色照明提供全新的解決方案。

本文根據公路隧道行車的視覺適應性特點，分析太陽光光纖照明技術用于隧道入口段對視覺適應性的解決思路，并以具體工程為例，研究符合視覺適應前提下的公路隧道太陽光光纖照明技術應用的布設規模、布設方案及應用效果，從而為太陽光光纖照明技術用于實際工程提供理論依據及技術指導意見。

1　隧道光纖照明的視覺適應性分析

根據人眼視覺特點，當人從比較明亮的地方進入相對較暗的地方時，視網膜上的視細胞由桿狀細胞代替錐狀細胞，由于桿狀細胞的敏感反應時間較長，一般需要(4～6)min才能對暗環境有所適應，但是要達到完全適應一般需要(25～30)min的時間，此為暗適應過程。反之，當人從黑暗的環境進入明亮的環境時，開始會感到刺眼，但過一會就可恢復正常，這個過程稱為亮適應過程，時間相對較短，一般大約需要1 min左右的時間[6-8]。

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

對于隧道行車，如圖1所示，當車輛從較亮的洞外空間駛入隧道時，由于暗適應過程使駕駛員人眼不能適應，即便是車速為60 km/h，產生10 s的暗視覺影響，相當于在盲視或不適應狀態下行駛了167 m的距離，從而存在很大的交通隱患。為切實有效緩解隧道行車的“黑洞效應”而產生的暗適應過程，同時也避免由于入口段布設加強照明而引起的照明高能耗，本研究提出將太陽光光纖照明技術應用于隧道入口段，具體原理如圖2所示。

圖2　太陽光光纖照明系統示意圖Fig.2　Sketch map of solar fiber lighting

通過安裝在隧道洞外的帶有跟蹤系統的太陽光采光裝置收集太陽光，由一端位于采光裝置焦點處的大口徑石英光纖將耦合進入光纖的太陽光傳輸至入口段照射區域，再由符合隧道照明配光分布要求的尾燈將太陽光投射出來，從而實現太陽光在隧道內的照明。由于隧道入口段的照明要求直接與洞外亮度有關，洞外亮度越高，入口段照明需求越大，而太陽光光纖照明所傳輸的光能量亦直接與洞外光照條件有關，洞外光照越強，所收集傳輸的太陽光能就越高，出射的太陽光強度就越大，從而可以實現無調光控制下的全綠色自動照明調節。

2　隧道光纖照明技術應用方案

為解決公路隧道入口段照明的視覺適應性問題，課題組在前期對太陽光光纖照明可行性及應用方案研究的基礎上[9-10]，以務正高速一座典型的中隧道為例進行視覺適應性的太陽光光纖照明技術應用研究，在結合現在隧道電光照明方式基礎上，在入口段兩側分別以投射方式布置太陽光陽光采集系統。由于隧道洞口緊臨洞外空間，根據洞外自然光散射對隧道內光照的影響研究結論[11]和《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)規定，隧道內的照明可從隧道入口10 m之后開始布置[12]。并通過對太陽光光纖照明系統規模確定研究建立起隧道照明需求與所需系統規模之間的關系，由式(1)和式(2)可以確定所需投射光通量需求下的太陽光光纖照明系統的規模。

(1)

(2)

式中S表示所需太陽光光纖照明系統的規模， Φs、Φr和Φw分別表示太陽光投射照明需照明區域的總光通量、路面光通量和兩側墻面光通量，M和η表示燈具的維護系數和利用系數，η1、η2和η3分別表示太陽光光纖照明系統的太陽光采集效率、耦合傳輸效率和出射效率，Eth、Eth.w、Sth和Sth.w則分別表示采用太陽光投射方式解決視覺適應性下提供的入口段照明區域的路面和墻面的照度水平，以及所照射的路面和墻面的面積。

在晴天光照充足的條件下，解決該隧道入口視覺適應性的太陽光光纖照明系統需投射的太陽光能為100 000 lm，結合所采用的太陽光光纖照明系統的光效參數，由式(1)和式(2)可得所需的系統為10套，其中光纖尾燈的具體布置如圖3所示，太陽光光纖尾燈在隧道兩側各以1 m的間距沿隧道前行方向投射，投射角度為50度，并采用低度照明的安裝方式安于兩側2.5 m的高度，旨在將太陽光充分投射到隧道前方路面、兩側墻面和前方車尾，提高駕駛員對入口段視場環境的易識別性。

圖3　太陽光光纖照明系統尾燈在隧道內的布置圖Fig.3　The arrangement of tail lights of sunlight fiber system in tunnel

系統中太陽光陽光采集器根據該隧道所在位置地理經緯度、太陽高度角的與跟蹤效果相關的參數，充分利用洞口頂端的平臺空間，采用分排布置的方式進行陽光采集器的布設。為避免前排采光器的影響對后排采光器的遮擋，要求第二排比第一排的安裝高度高0.5 m，第三排亦比第二排高0.5 m，以達到最大的陽光采集效果，具體如圖4所示，其中(a)圖為隧道洞門平臺的縱斷面，(b)圖為陽光采集器的洞頂平臺的布置。

通過這種安裝在隧道洞口頂部的陽光采集器采集匯聚太陽光，經高傳輸效率的大口徑石英光纖將太陽光傳到隧道入口段，通過光纖尾燈將太陽光投射至行車方向的前方路面及墻面，從而實現一種與洞外亮度變化實時一致的符合適應視覺性的綠色照明。

圖4　安裝隧道的洞門平臺尺寸及陽光采集器的布置圖Fig.4　Platform size on the hole of tunnel and the arrangement of sun collector

3　隧道光纖照明技術應用效果研究

在當地太陽輻射照度為60 000 lx的情況下，按上述應用方案用于該隧道入口段的投射加強照明，與現有的隧道電光照明系統相結合，得到在采用太陽光光纖投射照明技術后，入口段的光照明效果如圖5(a)所示，與未采用該技術的照明效果(圖5(b))相比，由于采用了太陽光光纖投射技術，沿著行車方向看，路面和墻面特別是行車方向的前車尾部的亮度水平均得到較大提高。并且由于太陽光光纖照明的出射光強度與洞外光照強度實時一致，當隧道洞外亮度水平降低時，在未經任何調光控制前提下，隧道內的太陽光照明強度也降低，圖6顯示了當洞外太陽輻射照度為30 000 lx時，隧道入口段太陽光投射照明效果，其對應路面、墻面和前車的亮度水平明顯低于洞外太陽輻射照度為60 000 lx的情況。

圖5　隧道入口段照明效果比較Fig.5　Comparison of lighting effect in tunnel entrance section

圖6　洞外亮度較暗下的太陽光光纖投射照明應用效果Fig.6　Lighting effect of projection lighting by sunlight fiber system in the case of darker luminance outside tunnel

為進一步說明太陽光光纖照明系統在隧道入口段采用投射方式對隧道行車視覺的自動調節性，研究采用仿真計算的方式得到在不同洞外光照條件下，在該應用方案下得到的投射區域路面亮度與洞外光照強度之間的關系如圖7所示。

圖7　洞外光照度與隧道內隧道投射地面光照度之間的關系Fig.7　The relation of illuminance between outside and inside tunnel

從圖7中可見，隨著洞外光照強度的降低，通過太陽光光纖照明進行投射的照明區域路面亮度水平降低，兩者呈線性正比關系，而這一關系恰恰符合隧道行車“洞外越亮、洞內亮度需求越高；洞外越暗、洞內亮度需求越低”的視覺需求，從而實現隧道洞內照明與洞外亮度的和諧一致，達到隧道照明舒適、安全和節能的目的。

4　結論

本文針對公路隧道入口段白天由于駕駛員的暗適應時間較長，存在較大交通安全隱患，而在入口段增設加強照明又會使照明能耗成倍攀升的現狀，提出一種在隧道入口段采用太陽光光纖照明技術，利用太陽光光纖照明系統將在洞外收集的太陽光用高效的石英光纖傳至洞內，采用沿行車方向向前投射的方式將太陽光照射至前行區域的路面、墻面和前方汽車尾部，從而使人眼在剛進入隧道空間時提高對隧道空間結構及前方物體的易辨識性。并且，由于太陽光直接照明技術可以實現洞內照明光亮度與洞外亮度的實時一致性，達到一種符合人眼視覺特性的綠色自然的照明控制。并以具體工程隧道為例提出了太陽光光纖照明技術的工程應用方案，總體結論如下：

1)采用太陽光光纖照明技術用于隧道入口段的加強照明，可從駕駛員視覺適應性角度解決隧道行車的入口段的暗適應問題，提高駕駛員在剛駛入隧道時對隧道環境的辨識性；

2)太陽光光纖照明出射尾燈采取投射低度照明方式可有效利用太陽光能，并提高駕駛員對前方車輛的辨識能力，保證隧道行車的交通安全；

3)太陽光光纖照明技術應用于隧道入口段照明，可在隧道明暗交替的入口段提供一種與洞外亮度變化實時一致的綠色照明解決方案，實現“洞外越亮、洞內也越亮；洞外越暗、洞內也越暗”的符合隧道行車視覺需求的自然照明控制方式，為從根本上解決隧道照明入口段的黑洞效應提供技術解決方案。

[1] 交通運輸部綜合規劃司.2014年交通運輸行業發展統計公報[EB/OL].(2016-02-08)[2015-04-30]. http://www.gov.cn/xinwen/2015-04/30/content_2855735.htm.

[2] 王夢恕.中國是世界上隧道和地下工程最多、最復雜、今后發展最快的國家[J]. 鐵道標準設計,2013(1):1-4.

[3] 季佳俊.三車道大斷面公路隧道照明節能參數優化研究[D].重慶：重慶交通大學，2012.

[4] 涂耘,史玲娜,王小軍.公路隧道按需照明節能運營控制技術應用[J].公路交通技術,2015,6:113-126.

[5] 涂耘,王少飛,鄧欣.基于低碳理念的公路隧道綠色照明技術研究 [J].公路隧道,2013,83(3):10-15.

[6] Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses：CIE 88:2004[S]. Austria:Internatonal commission on Illumination, 2004.

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[9] 涂耘，陳建忠.太陽光光纖照明在公路隧道中的應用研究[J].公路交通技術,2012(6):120-123.

[10] 劉興茂，史玲娜，涂耘，等.隧道入口段太陽光直接照明的光能分析[J].照明工程學報,2005,26(6):91-96.

[11] 史玲娜，涂耘，王小軍.太陽光光纖照明在短隧道中的應用方案研究[J].公路交通技術，2015(6):109-112.

[12] 重慶交通科研設計院.公路隧道照明設計細則：JTG/T D70/2-01—2014[S].北京:人民交通出版社,2014.

Feasible Analysis of the Appliance of Solar Fiber Lighting in Tunnel

LI Song1, SHI Lingna2, TU Yun2, ZHANG Hen1, WANG Xiaojun2， AN Wenjuan2

(1.GuiZhou Highway Construction Operation Center, Guiyang550000, China;2.TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400067,China)

Aiming at the problem of high energy consumption in entrance section of tunnel lighting, which is caused by dark adaptation when driving in tunnel during the day, a solution used by sunlight fiber optic lighting technology which is projected to entrance section of tunnel is proposed. Based on the specific engineering tunnel, a projection lighting solution of sunlight optic system is proposed. And by calculation and simulation analysis, the result illustrates that by that solution, the problem of visual adaptation when driving to entrance section can be better solved, and the driving safety can be improved. That can provide technical guidance for engineering application of this solution.

tunnel lighting; visual adaption; fiber lighting; energy saving; safety

貴州省交通廳科技項目(2014-122-020)；陜西省交通廳科技項目(13-29K，15-29K)；重慶市科委項目(cstc2015shmszx90004)

史玲娜，E-mail:shilingna@cmhk.com

TU113.665;U453.7

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.009