隧道高效照明防眩光技術研究

于建游，于國功，李春杰，侯曉青，夏明穎

(1.河北省高速公路延崇管理中心，河北 張家口 075400；2.河北高速公路集團有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北省交通規劃設計研究院有限公司，河北 石家莊 050000；4.自動駕駛技術交通運輸行業研發中心，河北 石家莊 050000；5.車路云網河北省工程研究中心，河北 石家莊 050000；6.河北立德電子有限公司，河北 石家莊 050200)

引言

根據公安部和國家安全生產監督管理局的公布數據，由于交通事故造成的經濟損失逐年上升，隧道內的交通事故又是正常路面的2至3倍；長期以來，我們對于交通安全的考慮往往強調駕駛員的安全意識，甚至將90%的事故責任歸結到駕駛員身上。隨著系統科學和安全科學的發展，逐漸認識到道路交通事故是多種因素綜合作用的結果，應該達到人、車、路三者的協調，而照明系統是保障隧道行車安全的一個重要組成部分。早在20世紀60年代，歐洲就對隧道的照明進行了專門研究并制定標準[1]。80年代后，世界各國相繼出臺了隧道照明規范，以規范隧道照明的設計和施工，減少交通事故。但照明標準目前大多是針對傳統光源設計的，主要以高壓鈉燈為主。近5年來，隨著LED照明技術的發展以及在國家發改委等部委的大力推廣下，LED逐步應用到隧道照明領域，但仍以替換傳統燈具為主，主要表現在點對點的替換，個別采用了LED日光燈管進行替換，效果不佳。由于設計沒有考慮到在半封閉空間內視覺的局限性、眩光指數等指標，尤其是對于螺旋隧道。彎曲隧道不同于平直隧道，彎曲段駕駛員視野的正前方是隧道的外側墻壁，目標識別及判斷變得尤為重要，前方外側墻壁的照明燈具如果采用傳統照明光源，必然有直射入駕駛員眼睛的眩光從而影響目標識別，因此有效防止眩光、安全并舒適行駛是螺旋隧道照明設計的關鍵。

本文通過分析高速公路隧道內彎道及螺旋隧道照明環境及與普通公路隧道的照明環境差異，建立一套通用的、更節能、更安全、更高效、更環保、更人性化的隧道照明體系，極大地減少了眩光，提高了照度均勻性。

1 螺旋隧道內照明燈具眩光分析

高速公路隧道的高度在7～8 m，燈具的布置一般是雙側布置。由于隧道的低矮空間，燈具安裝高度不足，對稱配光的燈具中心光軸垂直路面，迎著駕駛員方向的光線必然會形成眩光。眩光不但會造成視覺上的不舒適，還會延長人對物體的辨認時間，強烈的眩光會損害視覺甚至引起短暫失明，因此控制眩光對安全照明非常重要。

常規道路及隧道照明產品，無論是蝙蝠翼還是朗伯配光，都是對稱配光的光源，對某一固定點來說，光線中心光軸與路面垂直，圖1是常規隧道照明燈具產品的光線軌跡模擬圖。可見在常規的燈具設計中，眩光的影響較大。

圖1 常規隧道照明燈具光線軌跡Fig.1 Light trace of conventional tunnel lighting fixtures

螺旋隧道是近年來快速發展的高速公路建設項目，項目大多位于山區，主要是通過大角度的轉彎，完成出入口的高度差，比如，金家莊特長螺旋隧道項目通過360°螺旋上升，使得出口和入口的高度差達到了112余米。

在螺旋隧道的特殊照明應用環境下，正前方不是平直路面，而是隧道的外墻壁，如果采用目前市面通行的蝙蝠翼配光或朗伯配光的燈具，由于都是對稱配光，會比平直隧道有更多的法線光投射至司駕人員的眼睛，如圖2所示。

圖2 螺旋隧道照明燈具光線軌跡Fig.2 Light trace of spiral tunnel lighting fixtures

為了解決眩光問題，設計中心光軸順著車流方向與路面成一定角度的非對稱配光、定向LED照明燈具。控制燈具的光軸順向行駛方向，減少眩光，削減直射入車內的直射光。圖3、圖4模擬的是理想隧道照明光線軌跡布置，削減掉逆向行車方向的光線，使得照明光線指向行車方向，這樣既有利于目標識別，又克服了眩光。

圖3 模擬直隧道無眩光燈具光線軌跡Fig.3 Light trace of simulated straight tunnel lighting fixtures without lens flare

圖4 模擬螺旋隧道無眩光燈具光線軌跡Fig.4 Light trace of simulated spiral tunnel lighting fixtures without lens flare

2 非對稱性光學系統設計

眩光主要是由于光源位置與視點的夾角造成的，它不但會造成視覺上的不舒適，還會延長人對物體的辨認時間，甚至引起短暫失明。

由上述分析可知，如果要減少眩光對司駕人員的影響，需要削減直射入面向行車方向的光線，保留順向光線，但又不能簡單地削減，否則會極大影響燈具的發光效率，達不到節能減排的目標。應盡量將逆向光通過光學設計，使其變為順向光，充分提高發光效率。

非對稱配光燈具的重點在光學的設計上，考慮到通用性，本研究針對隧道內的目標區域進行分析，設計了非對稱配光透鏡組。燈具沿隧道兩個側壁均勻連續布置，0～180°角覆蓋半幅隧道，90～270°角向車行方向偏光，減少并避免車行相反方向的光。

圖5是獨立的透鏡系統結構圖，通過多層透光結構組合，將對稱分布的光線調整為單向光線，并且透光效率大于90%。透鏡系統與PCB板之間結合結構，凹槽用于灌膠密封，如圖6所示。

圖5 透鏡結構圖Fig.5 Structure diagram of lens

圖6 透鏡與燈板組裝示意圖Fig.6 Assembly diagram of lens and lamp plate

考慮到產品應用，同時給出了組合光學系統模式，可大幅度提高生產效率，便于應用推廣。考慮到相鄰透鏡之間的遮擋及光的利用率等問題，透鏡距離遠近會影響光效，相鄰兩個透鏡互不遮擋，并盡量接近時為最佳，最佳間距為22 mm，如圖7和圖8所示。

圖7 多透鏡組合光線分布圖Fig.7 Light distribution map of multilens combination

圖8 多透鏡系統組合圖Fig.8 System composition diagram of multilens

透鏡與LED燈板組合后，測試的配光曲線如圖9所示。由圖9可知是非對稱配光，產品具有單向性，滿足防眩光的需求。

圖9 燈具配光曲線Fig.9 Luminous intensity distribution diagram

3 防閃爍干擾

隧道內除了眩光干擾司駕人員，有安全隱患外，亮度不均所造成的頻閃也是另外一個不安全因素。

《公路隧道照明設計細則》(JTG/TD 70/2-01—2014)[2]規定：燈具布置應滿足閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz，以設計時速80 km/h計算，亮度變化間距應大于8.88 m或小于1.48 m，這是點狀布置燈具無法實現的。因此，采用視覺連續照明技術，減少閃爍光斑對于司駕人員視覺的干擾，需設計滿足視覺連續照明光源布設的低功率密度線狀燈具。

燈具布置設計為準連續布燈，燈具間距設計為1 m，燈具長度≥0.8 m，燈具出光面長寬比≥18，如圖10所示。燈具沿隧道兩側洞壁連續布置，如圖11所示。

圖10 燈具圖紙Fig.10 Drawings of lighting fixtures

圖11 燈具布置圖Fig.11 Arrangement diagram of lighting fixtures

燈具約200 m一個標準段，根據燈具布置圖紙、燈具配光，對一個標準段進行了照度計算，觀察者位置選在道路行車方向居中位置，如圖12和表1所示。由表1可知，照度均勻性明顯優于點光源布置，且眩光值小于10。

圖12 照度計算書Fig.12 Statement of illuminace calculation

表1 照度計算眩光值Table 1 Illuminance calculation glare value

根據上述計算分析，基于防眩光線性準連續布置，視覺連續性燈具布置也會提高司駕人員對隧道走向判斷準確度。所有研究成果均已用于金家莊隧道照明系統的建設，現場測試眩光小于10，實現了無眩光、高均勻度和高效率的隧道照明的目標。經施工方初步測定，比常規技術(設計值)節能60%～70%。圖13為金家莊螺旋隧道實施的現場照片，金家莊螺旋隧道是半徑為860 m的螺旋線，左幅長4 228 m，右幅長4 104 m，雙向四車道，最大行車速度100 km/h，共使用燈具17 324套，防眩光線性燈具連續布置，現場測試路面中間段平均照度82 lx，測試數據如表2所示，該隧道均勻度大于90%，眩光指數小于10，行駛環境明顯較其他隧道舒適。

圖13 金家莊螺旋隧道Fig.13 Jinjiazhuang spiral tunnel

表2 照度測試值Table 2 The test value of illuminance

4 結語

根據《2020年交通運輸行業發展統計公報》[3]，隨著高速公路建設不斷發展，截至2020年底，全國公路隧道共21 316處、2 199.93萬延米，其中特長隧道1 394處、623.55萬延米；長隧道5 541處、963.32萬延米。隨著后奧運時代的到來以及西部大開發的進行，貫穿山區的螺旋隧道及長隧道在迅速增加。因此防眩光準連續布置照明燈具，是螺旋隧道照明設計的關鍵技術，有望推動我國LED照明技術引領隧道照明設計，將產生顯著的經濟和社會效益。