高寒地區公路隧道照明設計速度優化方法

韓直 王俊瑩 關雨嫣

摘要 為了減少隧道經營中隧道照明的投資，且考慮高寒地區隧道行駛的風險，對高寒地區隧道照明亮度進行影響因素分析，提出洞外亮度與容許交通風險的關系，基于考慮了與容許交通風險、設計速度和投資的約束條件，對不同約束條件對照明功率的影響進行分析。首先，考慮高寒地區的雪盲現象導致雪地場景所需的洞外亮度遠大于3 000 cd/m2，以置信度來表示行車安全所需的容許交通風險;其次，以照明功率為約束條件，分析各照明段落所需的照明功率，以投資不變為前提，分析高寒地區以降低設計速度為方法來改善洞外亮度增加對行車安全造成的影響，最后通過分析對比確定優化后的設計速度是否滿足公路最低限速。研究發現，在投資條件不變的前提下，降低設計速度可以提高高寒地區隧道行駛的安全性。

關鍵詞 高寒地區;隧道照明;照明功率;設計速度優化;容許交通風險

中圖分類號 U453.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0052-03

0 引言

截至2019年底，我國公路隧道19 067處，總長達1 896.66萬m[1]。較去年增加了1 329處，173.05萬m。高寒地區由于冰凍期長，雪盲現象嚴重，使得洞外亮度L20可達10 000 cd/m2以上，洞外亮度大加上入口段駕駛員的視野變小，易使駕駛員操作失誤造成交通事故。若使安全問題得到有效解決，須增加洞內亮度，這無疑增加了隧道的建設與維護費用[2]。

隧道路段成為道路事故黑點，其中最大的影響因素就是隧道的光環境。為了改善隧道光環境帶來的影響，目前主要采用遮光設施、照明設施和視線誘導設施三種方式[3]。但遮光設施實際應用普及性并不高，照明設施廣泛使用的同時也伴隨著了高能耗的不足[4]，視線誘導設施則在隧道路段事故頻發點——隧道出入口的效用并不明顯。針對隧道出入口處“黑洞效應”和“白洞效應”帶來的不利影響，主要采用降低洞外亮度和增加洞內亮度兩種方式[5]。胡思濤等人對入口照明狀態對交通安全影響的研究發現，降低洞內外的速度差可以增加入口段的交通行車安全[6]。

因此，該文針對高寒地區公路隧道照明設計，如何在不增加投資條件下，通過優化設計速度來改善照明效果進行研究。闡述設計速度優化的約束條件和方法，分析隧道照明段落及照明功率的影響因素，建立照明亮度與影響因素之間的關系模型。

1 約束條件

1.1 容許交通風險

1.1.1 按L20定義分析

隧道照明的優化除了投資條件的限制，還應受到速度與洞外亮度L20的約束。根據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2—01—2014）[7]（以下簡稱“設計細則”）可知洞外亮度只受到天空面積百分比、洞口朝向或洞外環境、設計車速三個條件的約束，未考慮冰凍期冰雪的高反射率對洞外亮度的影響[3]。

根據國內外對于L20的定義為：洞外亮度一年中至少出現75 h（白天時間）最高亮度值。這也就意味著前74 h的亮度不能滿足照明設計，這是存在交通風險的，以RT表示容許的交通風險，則：

（1）

在設計階段，洞外亮度無實測資料時，一般按L20=

3 000 cd/m2取值。冰雪的高反射率使得冰凍期的洞外亮度遠大于非冰凍期洞外亮度。若要保持原洞外亮度不變，所需要接受的交通風險會對應增加。根據中國氣象局發布的《中國地面累年值日值數據集（1981—2010年）》查詢可知，高寒地區最長冰凍期為180天。由（2）式可知，若要保持洞外亮度水平不變，則容許的交通風險會增加。

（2）

1.1.2 按臨界交通量分析

以ST表示停車距離（m），以v表示設計速度（km/h），則目前國內外采用的照明停車視距，可按下式計算：

（3）

式中：v為設計速度，km/h;t為反應時間，取1.2 s;k為安全系數，取1.2～1.4;φ為路面摩擦系數，取0.4;i為道路縱坡坡度，上坡取“+”，下坡取“?”;l0為安全距離（m，含車輛長度）。

以Δt表示車間臨界安全時距，即：

（4）

臨界最小交通量，也就是交通流狀態為自由行駛，此時車輛到達服從泊松分布，在Δt時間內，到達的車輛數不大于車道數，在此按單洞雙車道，坡度為零，臨界交通量為350輛/（h·ln）時，對應的概率如表1所示。

由表1可見，靜態障礙物容許的交通風險區間為0.043～0.131。

綜合上述分析，目前國內外實際容許的隧道照明交通風險為0.043～0.200。隧道照明容許風險可以是一個定值，也可以根據道路功能與經濟條件來確定，工程中一般5%的風險是允許的，故可以認為，隧道照明的容許交通風險范圍為0.05～0.20。

1.2 照明功率

據統計，我國公路隧道近2萬座，全國公路隧道每年耗電量高達數百億度，費用更是超過數百億元。高昂的運營成本使得不少隧道出現“建得起養不起”的現實問題。更有甚者，為了節約開支，選擇不開燈或少開燈，大大地增加了交通風險[5]。因此，在滿足不增加投資的條件下，選擇優化速度來改善照明效果，降低交通行駛風險。

1.3 設計速度

車輛行駛速度（V′）應不低于公路最低限速（Vmin），即：

V′≥Vmin （5）

2 照明段落與照明功率影響因素

2.1 照明段落劃分

根據“設計細則”和CIE的規定[8]，將單向交通隧道照明分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明和出口段照明四個照明段落。

根據隧道長度要求可將隧道照明分為三種情況：

（1）隧道長度足夠設置過渡段1。

（2）隧道長度足夠設置過渡段2。

（3）隧道長度足夠設置過渡段3。

根據“設計細則”，可將隧道各段落的長度和照明亮度的計算總結[9]如表2。

2.2 k、L20、v和設計交通量與照明常亮度的關系

洞外亮度的大小決定了L20的取值，當交通條件（車輛設計速度、高峰小時交通量以及交通組織等）一定時，L20的大小不僅決定了入口段的照明標準Lth，同時也決定了過渡段的照明標準。根據表2可知，入口段亮度與K、L20成正比，而根據“設計細則”，k與v和設計交通量Q（veh/h·ln）相關，Lin又與Q、v相關，根據“細則”的數據，k、Lin與速度的關系總結如下表3。

3 數學模型

該文采取僅優化設計速度的方法。根據約束條件，須計算優化設計速度后的照明功率。

根據“設計細則”，隧道照明墻面亮度不低于路面亮度的60%，設墻面亮度為路面亮度的60%，以Si表示第i個照明段落的面積，Pi表示該段落的照明功率，η表示燈具利用率，φ表示燈具的額定光通量，μ表示路面亮度與照度的換算系數，M表示養護系數，Di表示第i個照明段落的長度（m），Li表示第i個照明段落的亮度，則：

（6）

（7）

令 （8）

則： （9）

對于三種情況下的隧道照明功率所滿足的幾何關系為y=f（P，V，L20）。

（10）

式中：P1為只設過渡段1的照明功率;a1、b1為參數k的回歸系數;a2、b2為參數Lin的回歸系數;Dth為入口段長度;DZ為中間段長度。

情形一推導得出結果如式（11）。

情形二、三對應只設置過渡段1、2和設置過渡段1、2、3的情況，由于推導過程與情形1相同，因而僅給出推導結果，分別為式（12）、（13）。

4 示例

某高寒地區隧道長5 000 m，設計交通量Q≥

1 200 veh/h·ln，設計速度v=120 km/h，隧道凈空高度6 m，隧道縱坡坡度為0。原設計L20按“設計細則”取值為3 000 cd/m2，冰雪晴天洞外亮度為8 000 cd/m2。按該文方法進行設計速度優化。

（1）各段落長度及照明亮度。根據“設計細則”，各照明段落劃分如表4所示。

（2）各段落的照明功率。根據式（8）可得，各照明段落的照明功率如表5所示。

考慮約束條件且完全考慮雪盲現象，對運行速度進行調整，調整后的速度（v′）：

v′=71 km/h （14）

5 結束語

該文針對高寒地區隧道照明與影響因素之間的關系分析，得到：

（1）針對高寒地區的冰凍期，容許風險度隨冰凍時長的增加而呈上升趨勢，增加了高寒地區行車的風險，為了降低行車風險，且不增加投資的前提下，僅通過降低行車速度可以達到目的。

（2）該文僅提出現有規范下隱含的存在的容許交通風險，但未對降低交通風險進行研究，故而后續可對此開展研究。

參考文獻

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[2]張德錢， 洪遠泉， 周永明. 公路隧道照明優化設計與計算方法研究[J]. 隧道建設， 2017（7）： 803-807.

[3]杜志剛， 余昕宇， 向一鳴， 等. 基于交通事故預防的高速公路隧道光環境優化研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版）， 2018（5）： 715-719.

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[8]International Commission on illumination. Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses： CIE 88： 2004[S]. Beijing： China Communications Press， 2004： 1-32.

[9]張逸. 公路隧道入口段照明計算方法概述[J]. 西部皮革， 2019（4）： 97.