隧道洞外亮度研究的發(fā)展歷程

許景峰，吳 靜，何 滎

（重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

隧道洞外亮度（Adaptation Luminance）是隧道照明的重要基準(zhǔn)參數(shù)之一[1]。為了使駕駛員在晝間行車進(jìn)入隧道過(guò)程中具有良好的視覺(jué)過(guò)渡，滿足人眼從洞外高亮度環(huán)境到洞內(nèi)相對(duì)低亮度環(huán)境的適應(yīng)需求，隧道洞內(nèi)各照明段的亮度值均需要進(jìn)行合理確定，其中最主要的設(shè)計(jì)依據(jù)即是隧道洞外亮度。通常情況下，隧道洞外亮度越大，其隧道內(nèi)部各加強(qiáng)照明段的路面亮度設(shè)計(jì)值越高。隧道洞外亮度值確定的合理與否對(duì)照明設(shè)施投資及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的影響很大，如，在日本東京灣海底隧道設(shè)計(jì)中曾進(jìn)行過(guò)對(duì)比分析，在其他條件相同的情況下，洞外亮度分別取值為4 000 cd/m2和6 000 cd/m2，則后者的設(shè)備費(fèi)比前者要多出34%，年照明耗電量多30%[1-2]。因此，在滿足駕駛員行車安全舒適的前提下，合理確定隧道洞外亮度值對(duì)減少設(shè)備投資、降低照明能耗具有重要意義。

自19世紀(jì)60年代開(kāi)始，各國(guó)學(xué)者就發(fā)現(xiàn)隧道入口段亮度與洞外亮度之間存在必然聯(lián)系。為合理確定隧道入口段及其他照明段的亮度水平，尋找入口段亮度與洞外亮度函數(shù)關(guān)系，許多學(xué)者開(kāi)始對(duì)隧道洞外亮度及其駕駛員的視覺(jué)狀態(tài)進(jìn)行模擬。然而，由于隧道洞外環(huán)境、景物多樣復(fù)雜，且駕駛員在駛向隧道過(guò)程中視場(chǎng)范圍內(nèi)的景物及其所占比例是不斷變化的，如何科學(xué)模擬隧道洞外光環(huán)境的亮度值及其對(duì)駕駛員視覺(jué)狀態(tài)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。因此，對(duì)隧道洞外亮度的研究，一直存在分歧與爭(zhēng)議。雖然隨著后續(xù)研究的不斷深入，各國(guó)學(xué)者在一定程度上取得了共識(shí)，但直至今日，對(duì)隧道洞外亮度的界定及其應(yīng)用仍未能完全統(tǒng)一，其研究仍在不斷深化與完善。

因此，對(duì)隧道洞外亮度研究發(fā)展歷程的梳理，便于隧道照明研究人員更加全面、深入地認(rèn)識(shí)和理解隧道洞外亮度的研究?jī)r(jià)值，提高設(shè)計(jì)與研究人員的理論知識(shí)水平，為隧道洞外亮度的后續(xù)研究及隧道照明事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)條件。

1 隧道洞外亮度的概念

隧道洞外亮度從廣義上來(lái)看，是指在隧道洞外一定距離處，駕駛員正對(duì)隧道洞口方向一定視野區(qū)域內(nèi)的亮度總體水平。但由于實(shí)際情況的復(fù)雜和實(shí)驗(yàn)研究條件的限制，在隧道照明的研究過(guò)程中，不同學(xué)者、不同研究階段對(duì)隧道洞外亮度的概念、取值及實(shí)驗(yàn)?zāi)M存在不同的界定。目前對(duì)隧道洞外亮度的定義主要有2種類型：一種是基于K值法的L20（S），以中國(guó)、日本等為例；另一種則是基于察覺(jué)對(duì)比法（以及SRN法）的等效光幕亮度Lseq，以CIE及美國(guó)為例。

1.1 洞外亮度L20（S）

根據(jù)中國(guó)現(xiàn)行的《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》，隧道的洞外亮度L20（S）是指在接近段起點(diǎn)S處，距路面1.5 m高正對(duì)洞口方向20°視場(chǎng)范圍內(nèi)環(huán)境的平均亮度[1]，也被稱之為接近段亮度（Access Zone Luminance）[3-6]。該起點(diǎn)S在隧道洞口外一個(gè)停車視距（SSD，Stopping Sight Distance）處，如圖1所示。

1.2 等效光幕亮度Lseq

等效光幕亮度（Equivalent Veiling Luminance）Lseq指的是一種作為進(jìn)入眼睛的散射光所產(chǎn)生的光幕現(xiàn)象，并用亮度來(lái)量化表達(dá)[7]，是駛向隧道時(shí)人眼適應(yīng)亮度的一種定量評(píng)價(jià)[8]，即考慮駕駛員駛向隧道時(shí)，隧道周邊景物光線入射到人眼中發(fā)生散射所產(chǎn)生光幕現(xiàn)象的等效亮度。其視看起點(diǎn)也是在距隧道入口外一個(gè)停車視距，距路面1.5 m高處，不同的是其采用的是56.8°的視場(chǎng)范圍。

然而，該等效光幕亮度Lseq并非簡(jiǎn)單地將56.8°視場(chǎng)范圍內(nèi)的環(huán)境亮度進(jìn)行平均，而是考慮了各個(gè)不同位置的景物光在人眼中發(fā)生散射所產(chǎn)生的等效光幕亮度的貢獻(xiàn)差異。根據(jù)CIE—88 1990與ANSI/IESNA RP-22-05標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[7-8]，等效光幕亮度Lseq可基于Holladay-Stiles修訂版的公式得出

式中：EGL為眩光源（景物光）在人眼中所產(chǎn)生的照度，l x；θ 為眩光源（景物光）發(fā)出的光線與人眼視線的夾角。

圖2所示的極坐標(biāo)圖則是以上述公式為基礎(chǔ)，將2°視場(chǎng)范圍之外劃分成若干部分，其劃分原則是使每個(gè)區(qū)域的散射光在人眼中心處產(chǎn)生的等效光幕亮度，如各區(qū)域內(nèi)亮度相等時(shí)，則每一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生等效光幕亮度的貢獻(xiàn)相同。從圖2可以看出，在2°～56.8°的視場(chǎng)范圍內(nèi)，按EGLi/θ12相等的原則分成9個(gè)環(huán)，每個(gè)環(huán)被等分為12區(qū)域，各環(huán)的角度關(guān)系如表1所示。

圖1 洞外亮度L20（S）示意圖

圖2 等效光幕亮度計(jì)算的極坐標(biāo)示意圖

表1 等效光幕亮度極坐標(biāo)圖的各環(huán)角度

2 隧道照明研究的發(fā)展歷程

上述2種隧道洞外亮度概念的產(chǎn)生是與隧道照明研究的發(fā)展歷程緊密相關(guān)的。通過(guò)對(duì)隧道照明研究歷程的梳理，了解2種隧道洞外亮度的由來(lái)及其歷史。

2.1 研究初期階段

自20世紀(jì)50年代，英國(guó)學(xué)者Waldram[5]率先指出行車進(jìn)入隧道時(shí)“黑洞現(xiàn)象”的危險(xiǎn)性及嚴(yán)重性之后，隧道照明作為隧道建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，受到各國(guó)學(xué)者的重視。在隧道照明研究之初，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的模擬實(shí)驗(yàn)和理論研究。但由于駕駛員駛?cè)胨淼肋^(guò)程的視看環(huán)境較為復(fù)雜，特別是用理論方法來(lái)建立實(shí)際駕駛過(guò)程中駕駛員視場(chǎng)范圍內(nèi)的亮度分布及其變化的數(shù)學(xué)模型則更加困難。因此，大部分學(xué)者都是從基礎(chǔ)的模擬實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始，再經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后，逐步形成并提出了相對(duì)完整的隧道照明理論體系。而這些基礎(chǔ)的模擬實(shí)驗(yàn)研究都基于一定的假設(shè)前提，并進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。不同學(xué)者在假設(shè)條件中選用的基本參數(shù)存在一定的差異，故而導(dǎo)致在研究之初出現(xiàn)了兩大對(duì)立的學(xué)派，即歐洲的Schreuder學(xué)派和日本的成定康平學(xué)派[2]。

在上述研究成果的基礎(chǔ)上，許多國(guó)家和學(xué)術(shù)團(tuán)體分別在70年代相繼制定了各自的隧道照明標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)指南。如，由北美照明工程協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱IESNA）提出的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《隧道照明指南》（ANS/IES RP-22—1970），國(guó)際照明委員會(huì)（簡(jiǎn)稱CIE）提出的《國(guó)際隧道照明建議》（CIE 23—1973），日本高速道路調(diào)查委員會(huì)提出的《隧道照明設(shè)計(jì)指南》和日本工業(yè)規(guī)范《隧道照明標(biāo)準(zhǔn)》等。但日本提出的隧道照明標(biāo)準(zhǔn)與歐美及CIE所推薦的標(biāo)準(zhǔn)在一些照明設(shè)計(jì)指標(biāo)（如折減系數(shù)k值）的取值上存在較大的差異。

2.2 第2發(fā)展階段

隨后，上述的兩大學(xué)派在隧道照明研究方面經(jīng)過(guò)了較為長(zhǎng)期的學(xué)術(shù)辯論后，在一定程度上取得了共識(shí)。在后續(xù)深入的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與理論成果基礎(chǔ)上，各國(guó)也對(duì)之前的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了補(bǔ)充與修訂。如，IESNA于1987年提出了《美國(guó)隧道照明國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（ANSI/IESNA RP-22—1987），CIE于1984年提出了第61號(hào)技術(shù)文件《隧道入口段照明——確定隧道入口段亮度的基礎(chǔ)性調(diào)研》（CIE 61—1984），英國(guó)《道路照明設(shè)計(jì)實(shí)用規(guī)程第二部分：隧道照明》（BS 5487/7—1992），日本《公路隧道照明工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（JIS Z 9116—1990）等。與此同時(shí)，中國(guó)也于1990年頒布了《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026—90），并于1999年專門對(duì)隧道的通風(fēng)照明進(jìn)行了修訂，編制了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026.1—1999）。

2.3 第3發(fā)展階段

近些年來(lái)，隨著人眼視覺(jué)科學(xué)的發(fā)展與隧道照明研究的深入，各國(guó)根據(jù)這一階段的研究成果對(duì)隧道照明標(biāo)準(zhǔn)又進(jìn)行了進(jìn)一步的完善和修訂。如，歐盟的《照明應(yīng)用——隧道照明》（CR 14380—2003（E））、CIE的《公路隧道和地下通道照明指南》（CIE 88—2004）、美國(guó)的《隧道照明實(shí)用規(guī)程》（ANSI/IESNA RP-22—2005），英國(guó)的《道路照明設(shè)計(jì)實(shí)用規(guī)程第二部分：隧道照明》（BS 5489-2：2003+A1：2008）等。中國(guó)也于2014年對(duì)原有《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了修訂，并出版了最新的《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）。

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研究，各國(guó)學(xué)者對(duì)隧道照明設(shè)計(jì)中的一些指標(biāo)、取值及其相關(guān)計(jì)算方法仍未能完全達(dá)成共識(shí)，各國(guó)隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)隧道照明段的劃分、各照明段長(zhǎng)度及路面亮度等指標(biāo)的確定也存在一定的差異。因此，其研究仍在不斷深化與完善。

3 隧道洞外亮度的研究綜述

如前所述，目前在隧道洞外亮度的概念界定及其計(jì)算取值上存在洞外亮度L20（S）和等效光幕亮度Lseq2種類型。這2種隧道洞外亮度的概念在20世紀(jì)60年代隧道照明研究之初就被提及，分別為接近段亮度L0和標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)等效亮度L'1，兩者的概念都是經(jīng)過(guò)大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和分析后被提出的。由于標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)等效亮度L'1的計(jì)算與實(shí)測(cè)較為復(fù)雜，在研究之初主要用接近段亮度L0替代標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)等效亮度L'1進(jìn)行入口段亮度Lth（原L2）的確定，兩者之間的關(guān)系通過(guò)大量反復(fù)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，如圖3、圖4所示。

此后，在1984年和1990年CIE提出的CIE 61—1984和CIE 88—1990技術(shù)文件中，正式提出了洞外亮度L20（S）的概念及作用，并補(bǔ)充了其定義和確定方法。在隧道洞外亮度的確定上，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定與建議，有些標(biāo)準(zhǔn)中直接給出了典型條件下隧道洞外亮度的建議值。CIE 88—1990、歐盟的CR 14380—2003（E），以及中國(guó)的JTJ 026.1—1999和JTG/T D70/2-01—2014等，都給出了不同環(huán)境條件下的隧道洞外亮度平均值，如表2、表3所示。

圖3 接近段亮度與標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域等效亮度的關(guān)系

與此同時(shí)，在1990年的CIE 88—1990技術(shù)文件的附錄中，也提出了等效光幕亮度Lseq的確定方法，并采用對(duì)比度C、SRN主觀評(píng)價(jià)值來(lái)確定入口段亮度Lth的值。但由于Lseq的相關(guān)研究還不夠成熟和完善，尚未被正式推薦和采用。

隨著相關(guān)學(xué)者對(duì)等效光幕亮度Lseq的進(jìn)一步研究和完善，CIE于2004年對(duì)CIE 88—1990文件進(jìn)行了修訂，并正式提出了基于等效光幕亮度Lseq的察覺(jué)對(duì)比法來(lái)確定入口段亮度Lth的值，即

式中：τws為汽車擋風(fēng)玻璃的光透射率；Latm為大氣的光幕亮度；Lws為汽車擋風(fēng)玻璃的光幕亮度；Lseq為隧道洞外的等效光幕亮度；τatm為大氣的光透射率；Cm為目標(biāo)物的最小察覺(jué)亮度對(duì)比度；ρ 為漫反射小目標(biāo)物的光反射比；qc為測(cè)點(diǎn)處路面亮度和小目標(biāo)中心點(diǎn)垂直面照度的比值（L/EV）。

從上述公式可以看出，CIE 88—2004技術(shù)文件中所推薦的察覺(jué)對(duì)比法考慮了人眼瞬時(shí)適應(yīng)的影響以及由空氣中光散射和汽車擋風(fēng)玻璃產(chǎn)生的光幕，以及影響駕駛員察覺(jué)路面上障礙物的各個(gè)因素，更符合駕駛員接近隧道時(shí)眼睛的視看環(huán)境，也能更真實(shí)地體現(xiàn)駕駛員在真實(shí)駕駛過(guò)程中的視覺(jué)反應(yīng)。相比而言，等效光幕亮度Lseq考慮了隧道洞外復(fù)雜亮度環(huán)境中不同角度景物光給人眼視覺(jué)所產(chǎn)生等效亮度的貢獻(xiàn)差異，對(duì)駕駛員視看環(huán)境的模擬相對(duì)更準(zhǔn)確，因此，近些年來(lái)也越來(lái)越受到研究人員的推崇與重視。

圖4 接近段亮度與入口段亮度的關(guān)系

表2 CIE和歐盟隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中的洞外亮度L20（S）kcd·m -2

表3 中國(guó)隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中的洞外亮度L20（S）

但由于等效光幕亮度Lseq的確定較為復(fù)雜，且目前尚未充分考慮人眼的視覺(jué)特征和駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)等問(wèn)題，駕駛員行車過(guò)程中人眼標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)等效亮度的研究仍在不斷完善。因此，中國(guó)、日本、英國(guó)等多個(gè)國(guó)家尚未將該方法列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行推廣，仍然以L20（S）作為隧道洞外亮度。

在洞外亮度L20（S）的研究方面，雖然各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其取值及計(jì)算方法都作了較為成熟的規(guī)定，但標(biāo)準(zhǔn)中所建議的洞外亮度取值主要是以大量的實(shí)測(cè)研究為依據(jù)，未能充分考慮不同地區(qū)、不同洞口朝向?qū)Χ赐饬炼热≈档挠绊懀@也是不同標(biāo)準(zhǔn)的洞外亮度取值存在差異的主要原因。因此，中國(guó)最新的《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）中明確指出該取值只能作為設(shè)計(jì)參考，而最終洞外亮度取值仍需待隧道洞口工程完工后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得。這在一定程度上也降低了隧道照明設(shè)計(jì)之初洞外亮度基準(zhǔn)參數(shù)取值的可靠性。

4 結(jié)論

通過(guò)上述2種洞外亮度取值的發(fā)展歷程可以看出，伴隨隧道照明研究的不斷深入，2種洞外亮度的研究也在不斷補(bǔ)充和完善。目前，這2種類型的洞外亮度在隧道照明設(shè)計(jì)中有各自的特點(diǎn)和適用范圍。但無(wú)論是洞外亮度L20（S）還是等效光幕亮度Lseq，都是隧道洞外光環(huán)境在標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)范圍內(nèi)等效亮度的一種表達(dá)方式，都是反映隧道洞外光環(huán)境的重要指標(biāo)和隧道照明設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)參數(shù)。

雖然目前大部分標(biāo)準(zhǔn)中仍繼續(xù)沿用基于洞外亮度L20（S）的K值法進(jìn)行入口段亮度Lth的計(jì)算。但隨著后續(xù)研究對(duì)等效光幕亮度Lseq和察覺(jué)對(duì)比法的不斷補(bǔ)充和完善，等效光幕亮度Lseq將會(huì)成為表達(dá)隧道洞外亮度的更為準(zhǔn)確的一項(xiàng)指標(biāo)，以及隧道照明設(shè)計(jì)的重要基準(zhǔn)參數(shù)之一。