基于可見度水平的側壁材料輔助隧道逆光照明效果分析

陳凱，喻海軍，汪滔

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.重慶航天職業技術學院，重慶 400021)

公路建設的日益發展使得公路隧道的數量和里程迅猛增加。截至2017年末，全國公路隧道為16 229處，長1 528.51萬m[1]。文獻[2]中規定長度大于200 m的高速公路隧道和一級公路隧道均需設置照明，以保證隧道內良好的行車視看環境。重慶每年的公路隧道照明費用約為40萬元/km，按此推算每年全國的公路隧道照明費用高達13億元[3-4]。在國家發改委發布的《節能中、長期專項規劃》中明確提出交通運輸及綠色照明工程是節能的重點。如何在節能降耗的同時，保證隧道內的照明質量是隧道照明領域研究的關鍵。

改變布燈形式和燈具的設計參數是提高隧道照明質量最簡單直接的措施。目前國內隧道照明的主要布燈方式有中央布燈和兩側布燈等，其中對新興的隧道逆光照明研究相對較少。逆光照明能夠改變隧道照明燈具的配光形式，提高障礙物和路面的對比度，從而保證路面的可見度水平[5-6]。但目前對逆光照明的研究主要是通過軟件模擬，模型試驗和工程應用都較少[7-8]。現行隧道照明設計規范采用亮度、均勻度等物理性評價指標評價隧道的照明質量[2]，并沒有考慮駕駛員在隧道內行駛過程中的人-車-隧道耦合作用的動態環境。隨著對隧道照明下人眼視覺特性研究的深入，越來越多的研究者采用小目標可見度來評價隧道照明質量[9-12]。但早在1938年Waldram就提出不能簡單地將路面的顯示能力取平均值，否則較高值會掩蓋較低的值[13]。小目標可見度即是可見度水平的加權平均值，也會夸大某些測點處的可見度水平，從而帶來潛在的安全隱患[14]。本文利用隧道模型裝置，以可見度水平為評價指標，研究逆光照明條件下隧道內的照明質量，以期為隧道逆光照明的設計和評價提供參考。

1 逆光照明和可見度水平

1.1 逆光照明

逆光照明是通過改變隧道照明燈具的配光角度，將光線集中投向交通流行進的反方向，提高障礙物的背景亮度，達到提高障礙物和路面對比度的目的，具有保證路面可見度水平、降低照明功耗的優點。

1.2 可見度水平

可見度水平是用來評價物體被看見的容易程度的指標。可見度水平越高，障礙物越容易被發現，對行車安全越有利。可見度水平計算式[15]為：

VL=ΔL/ΔL0，

(1)

式中：ΔL為目標亮度和背景亮度的差，ΔL=Lt-Lb，其中Lt為目標亮度，Lb為背景亮度，Lb=(Lb1+Lb2)/2，其中Lb1、Lb2分別為小目標板上下邊界處的路面亮度；ΔL0為目標剛好被看見時的亮度差閾值。

ΔL0的計算十分復雜，與目標物的對比度、人眼的適應水平等多個因素有關，同時還需要對觀察者的年齡、目標的正負對比度等參數進行修正。其最終修正模型[16]為：

(2)

式中：k為閾值亮度差的統計數據；L、φ為與背景亮度Lb有關的經驗公式計算值；a為被觀察正方體的邊長；Fcp為正對比閾值亮度差和負對比閾值亮度差之間的比例系數；f(Lb,a)為物體尺寸和背景亮度水平的函數；t為閾值亮度差下人的觀測時間；AF為年齡修正系數。

可見度水平絕對值越大，駕駛員的視看條件越好。因此可見度水平是綜合了物理亮度和駕駛員狀態的綜合指標，能夠很好地評價隧道照明質量。

2 試驗及數據分析

2.1 試驗裝置

相似原理是模型試驗的基礎。結構模型中的“相似”主要是指原型結構和模型結構的主要物理量相同或成比例。相似量包括荷載相似、幾何相似、邊界初始條件相似和現象相似等[17-18]。由于隧道照明模型試驗研究對象主要是光環境，因此在該模型試驗中的相似量為燈具光通量、隧道幾何尺寸、表面反射率、路面亮度。燈具的相關參數如表1所示。

表1 燈具參數

圖1 隧道照明模型試驗裝置

基于相似原理，自主研制了比例為1：10的兩車道隧道照明試驗模型裝置，模型寬0.85 m，高0.9 m。隧道側壁采用可以更換的活動裝置。隧道照明燈具采用小型調光調色溫的LED燈，可實現燈具光通量和色溫的調節，其光譜分布與實際隧道照明LED燈具一致。隧道模型布燈構件可以根據需要改變光源間距、角度和高度，以滿足不同的照明工況需求。隧道照明模型試驗裝置如圖1所示。

2.2 試驗目的

利用室內隧道照明質量評價裝置，以可見度水平為評價指標，研究不同隧道側壁材料和逆光照明布燈間距對隧道照明質量的影響規律。

2.3 試驗設計

按照1：10的幾何比例布置照明燈具的間距。模型拱頂涂刷隧道專用的防火涂料，路面表面為水泥砂漿，保證內表面的反射率與實際隧道相同。模擬實體隧道內的光學環境，調節燈具的光通量大小，采用Radiant成像式亮度計測量隧道模型內路面的亮度，保證其處于中間視覺亮度范圍內，并與實際運營隧道的亮度大小基本一致，充分模擬實際隧道的照明情況。

圖2 布燈間距9 m時隧道可見度測點布置

已有研究表明：當逆光角度為30°時能夠產生最好的照明效果[19-20]。本次試驗設計隧道中央逆光角度為30°,隧道側壁分別采用瓷磚和高漫反射材料，分析布燈間距分別為9、10、11、12 m時對隧道逆光照明效果的影響。

2.4 測點布置

試驗測量布置參考《IESNA-RP-8—2000》[21]的布點方式，如圖2所示，行車道按照可見度的計算要求均勻布置5條測線C1～C5，黑點表示測點位置，x1～x8為第1～8排測點，縱向測點間距為10 cm，因此實際中每增加1 m布燈間距需在圖2中增加一排測點(圖中單位為cm)。

2.5 測試方法

按照《IESNA-RP-8—2000》標準測量方法和試驗模型，亮度計距離第一排測點8.3 m，架高比隧道路面高14.5 cm，視角為1°。待參數調整完畢后，設置隧道側壁材料為瓷磚(漫反射率為0.5)，按設計工況和相似比設置布燈間距為90 cm(模擬實際布燈間距9 m)，在每排測量點上放置1.8 cm×1.8 cm、漫反射率為0.5的小目標板，采用Radiant成像式亮度計測量小目標板中心亮度Lt及小目標板上下邊界的路面亮度Lb1和Lb2，并通過Lb=(Lb1+Lb2)/2計算得到小目標板的背景亮度，如圖3所示。每一排測點的亮度數據測量完畢后，改變布燈間距分別為100、110、120 cm(分別模擬實際布燈間距10、11、12 m)再重復測量。待瓷磚側壁材料下的亮度測量完畢之后，更換側壁材料為高漫反射率材料(漫反射率為0.83)，按照同樣方法進行測量，直至完成實際布燈間距為9、10、11、12 m時各個測點的亮度測量。

圖3 測量方法示意圖

2.6 試驗數據處理及分析

測量得到每一種工況下的Lt和Lb及ΔL，并通過式 (2)對觀察者的年齡、目標的負對比等參數進行修正，計算ΔL0，再由式(1)計算得到VL的絕對值，整理得到各測線的可見度水平變化規律。

1)側壁材料為瓷磚時的可見度水平

瓷磚側壁材料各測線的可見度水平變化規律見圖4。其中橫坐標“測點位置”表示測點從第一盞燈開始所在的排數，縱坐標即為逆光照明下可見度水平的絕對值。

a)測線1 b)測線2 c)測線3

d)測線4 e)測線5圖4 側壁材料為瓷磚時各測線測點的可見度水平變化

由圖4可以看出：

圖5 燈具交疊范圍示意圖

①每一條測線上測點的可見度水平變化規律一致。隨著測點縱向位置的變化，可見度水平呈現先減小后增大的趨勢，每一條測線上的第3排即x3排(距第一盞燈具的水平距離為3 m處)測點可見度水平最低。這是因為：逆光照明下，小目標板比背景的亮度低，表現為負對比。在相同情況下，負對比越大，小目標板的可見度越高。由于照明光線在兩燈具之間存在照明重疊區域，如圖5所示。該區域會提高小目標板的正面亮度，從而降低了小目標板和背景的對比度，使可見度水平最低，因此減小照明光線之間的重疊區域有利于提高可見度水平。

②布燈間距不同時，每一條測線上第一排和最后一排測點的可見度水平基本一樣，證明在燈具正下方附近的小目標板可見度水平受相鄰照明燈具的影響很小，其可見度水平主要受正上方的燈具影響。

③從測線1～5上測點的可見度水平變化曲線可以看出，隨著布燈間距的增大，各測線上測點的可見度水平先增大后減小。當實際布燈間距為11 m時，各測線上測點的可見度水平最高，因此試圖通過減小布燈間距來提高隧道內的照明質量是不可取的。在一定的布燈間距范圍內，適當增大布燈間距不僅能夠提高隧道內的可見度水平，還能減少燈具數量，降低照明功耗，實現隧道的節能照明。

④測線上的可見度水平沿道路中線，在橫向上大致左右對稱，但縱向變化趨勢不一致。位于隧道兩側的測線1、5，其測點在縱向上的可見度水平變化幅度最大，位于燈具軸線正下方的測線3測點的可見度水平變化幅度最小。證明在側壁材料為瓷磚時，隧道中央的可見度水平較一致。在行車過程中，道路中央的視看條件更好，有利于駕駛員發現正前方的交通情況。道路兩側可見度水平波動范圍大，視看條件相對較差，駕駛員不易發現道路兩側的障礙物，給行車帶來潛在的安全隱患。因此提高實際運營隧道兩側的照明質量，能起到彌補照明質量“木桶效應”的作用，有利于提高隧道內整體的可見度水平。

2)側壁采用高漫反射率材料時的可見度水平

采用高漫反射率側壁材料時各測線的可見度水平變化規律如圖6所示。

由圖6可以看出：隧道路面的可見度水平和瓷磚側壁一樣，在第3排測點的可見度水平最低。隨著布燈間距的增加，可見度水平先增加后減少，布燈間距為11 m時可見度水平最高，說明布燈間距不是越小越好。因此在實際隧道照明設計中，布燈間距為11 m時，隧道內的照明質量最好。

a)測線1 b)測線2 c)測線3

d)測線4 e)測線5圖6 側壁采用高漫反射率材料時各測線測點的可見度水平變化

比較瓷磚側壁和高漫反射率材料側壁的可見度水平變化規律可以發現，側壁為高漫反射率材料時，路面的可見度水平變化趨勢比瓷磚更平緩。究其原因，高漫反射率材料比瓷磚的漫反射率高，能夠將入射到隧道側壁的光通量更多地漫反射回隧道路面，提高了隧道內的背景亮度和縱向均勻度，從而使可見度水平在縱向上的變化更平緩。因此在隧道內環境設計時，選用高漫反射率的漫反射性側壁材料能夠改善隧道內的照明環境，提高隧道內的行車安全性，對營造良好的行車環境具有重要的意義。

3 結論

1)中央逆光角度為30°，布燈間距為11 m時隧道內的照明質量最好，此時駕駛員有最好的視看環境，有利于隧道內的行車安全。

2)距逆光照明光線投射方向的第一盞燈具正下方的水平距離為3 m處測點的可見度最低。在隧道照明設計中，減小隧道照明的交疊區域，有利于提高隧道內的可見度水平。

3)中央逆光布燈條件下，隧道路面兩側的可見度水平變化幅度比路面中央大，提升兩側的可見度水平對提高隧道的整體照明質量具有重要的作用。

4)采用高漫反射率側壁材料能夠提高隧道內照明的可見度水平，對提升隧道內的行車環境具有重要意義。