公路隧道照明理論與應用技術研究綜述

吳 江，蔡賢云，張遠旭，蔣征洋

（重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074）

公路隧道數量隨著高速公路通車里程的增加而明顯增加，隧道光環境成為交通安全的重要環節。國家標準規定長度超過100 m的公路隧道都必須安裝照明系統[1]。當車輛剛進入隧道時，視野中隧道外亮度遠比隧道洞口內亮度高，導致駕駛員無法在短時間內辨認出洞口附近的物體和狀況，這種現象被稱作“黑洞”效應[2-3]。車輛從隧道駛出時，視野中隧道內亮度遠比隧道洞口外的亮度低，駕駛員無法在短時間內辨認出洞口外面的物體和狀況，這種現象被稱作“白洞”效應[3]。“黑洞”效應和“白洞”效應會影響公路隧道行車安全，引發交通事故。通過調查挪威多個隧道的交通事故情況發現隧道的出入口處是事故的高發區域，且事故的嚴重程度高于其他區域[4]。

文章梳理了隧道照明設計理論和方法，探討了察覺對比法及其核心影響因素，如對比顯示系數、小目標可見度和隧道照明燈具安裝方式。基于此，分析了太陽能發電和數字輔助等應用技術在隧道照明中的使用情況。最后提出應綜合考慮隧道照明設計理論、方法和相關的應用技術，以達到隧道照明安全、舒適、節能的目的。

1 隧道照明設計理論與方法

鑒于“黑洞”和“白洞”效應影響行車安全和視覺舒適性，研究人員對此做了大量的基礎理論研究。

1.1 察覺對比法與對比顯示系數

國際照明委員會（Commission Internationale De L’Eclairage，CIE）在1990年的研究報告中，提出了采用k值法確定公路隧道入口段亮度值Lth。基于隧道洞外56.8°視野內的各個景物亮度得到洞外亮度L20后乘以亮度折減系數k得到隧道入口段亮度Lth。還推薦了SRN（Subject Rating Number）主觀評價法、等效光幕亮度Lseq和基于小目標物與路面之間的亮度對比度C確定隧道入口段亮度Lth的方法[5]。然而，k值法中亮度折減系數k的取值在學術界存在很大爭議。歐洲D.A.Schreuder 學派和日本成定康平學派對k的取值相差非常大，我國現有的規范是取兩個學派的中間值，但這也沒有充分的依據。其次，亮度折減系數k的取值沒有考慮到人體生理和心理相關指標變化的影響[6]。SRN主觀評價法中關于SRN的不同取值確定隧道入口段亮度Lth差別較大，基于小目標物與路面之間的亮度對比度C確定隧道洞外等效光幕亮度Lseq的方法也沒有考慮人眼視覺效應和天空亮度的影響。胡英奎[7]指出了Adrian和Augdal使用的計算方法的不足，等效光幕亮度Lseq的關鍵是確定人眼視線和坐標中各圓周所對應的圓心角θi，但因公式內其中一個因子的原函數不是初等函數，給計算造成困難。Adrian和Augdal分別通過兩種近似計算得出了差異較大的θi值，因此估算出的等效光幕亮度Lseq的值并不準確，建議采用更為精確的矩形積分法計算該積分因子[7]。

CIE在2004年的研究報告中提出了全新的計算方法——察覺對比法[8]。該方法涉及對比顯示系數qc，定義為區域路面亮度Lb與小目標物面向行車方向中點處的垂直照度Ev之間的比值。對比顯示系數作為公路隧Lth[9]。2010年，CIE在研究報告[9]中指出了對比顯示系數道照明質量評價的重要指標，影響隧道入口段的亮度值qc又可以分為平均對比顯示系數和最小對比顯示系數2個子系數[10]。翁季[11]通過實際測量和計算隧道路面給定區域測點處的路面亮度和小目標垂直面上照度的比值發現，對比顯示系數不但與隧道照明方式有關，還與燈具間距和高度、功率、隧道內裝飾產生的光線反射等因素有關。林勇[12]通過模擬計算發現路面反射系數和墻面的反射系數均與對比顯示系數qc呈線性關系，對比顯示系數qc隨路面反射系數和墻面反射系數的增大而增大。當燈具安裝轉角為53°時，對比顯示系數qc取最大值。陳仲林[13]認為從對比顯示系數qc的定義看，取值未考慮駕駛人生理和心理狀態的變化，建議使用察覺對比顯示系數qcp，該系數與目標物亮度、背景亮度、大氣亮度、擋風玻璃亮度、大氣透射比、擋風玻璃光透射比等因素有關，同時又與駕駛人對眩光感受的程度和最小察覺對比2個生理和心理因素有關。

1.2 小目標物可見度

通常用可見度水平(visibility level，VL)衡量小目標物可見度（small target visibility，STV），它表示目標物亮度與背景亮度之間的差值與其閾限狀態時亮度差（閾限亮度差）之間的倍數。閾限亮度差與小目標可見度、對比顯示系數緊密相關。1946年，Blackwell通過對19名正常視力的女性觀察者的實驗確定了目標物顯示時間為6 s的情況下不同視角和背景亮度下識別概率從10%到95%的亮度對比情況，由此得到識別概率為99.93%的人眼閾限亮度對比數據[14]。CIE 1981年發布的研究報告[15-16]，在Blackwell實驗的基礎上通過后續實驗建立了閾限亮度對比Cref與背景亮度Lref之間的關系，將相對亮度對比的概念加入實驗數據處理過程中，得到閾限亮度對比Cref的數學模型。蔣宏指出目標物的物理特性、天氣狀況、駕駛人的身體素質和心理狀態均會影響小目標可見度的取值，總結了小目標物可見度的研究存在未考慮路面反射光的影響、車輛前照燈的影響、未考慮人眼非中心視野物體等幾點不足。對于人眼非中心視野物體影響，建議在計算小目標可見度時首先修正目標亮度和背景亮度，其次在觀察時間修正系數中增加光譜以修正反應時間[17]。

翁季等[18]在閾限亮度實驗的計算模型中，使用定值刺激法進行閾限對比實驗，得到了簡化的閾限亮度差計算模型。為了在實際道路照明中應用，提出需要通過正負亮度對比修正系數Kf、小目標物顯示時間修正系數Kt和年齡修正系數Ka進行修正。陳仲林等[19]通過上述3個系數修正實驗數據，結果表明，在其他條件相同情況下，不同識別概率的閾限亮度差之間的比例為一個常數。蔡賢云[20]將小目標物可見度引入對比顯示系數的研究中，得出在不同觀察視角α和不同背景亮度下的閾限亮度差ΔL0，并求出對比顯示系數閾值qc0。崔璐璐[21]在重慶市交通科研設計院的實驗隧道和虎溪大學城隧道中間段的研究中，發現在不提高路面亮度的情況下，不同色彩的光源對小目標識別率有影響，且使用高顯色性的光源可提高目標物的辨識率。

1.3 隧道照明燈具安裝方式

燈具的類型、安裝方式與隧道內的光照分布有很大的關系。如果亮度不足，對駕駛人的行車安全存在威脅；如果太亮，造價又太高，也不符合節能減排的理念。公路隧道照明設計首先要根據當地環境狀況，對洞口進行專門的照明設計，盡量減少“黑洞”效應和“白洞”效應的影響[22]。同時，在隧道內采取有效的節能照明措施，既保證看清前方目標，又可節省照明費用。

公路隧道照明費用在公路隧道運營中占比較大[22]。屈志豪[23]通過實驗發現，相比傳統的雙側壁交錯（或對稱）布置照明燈光帶的方案，拱頂側偏單光帶的布置方案效率更高、更節能、更有效降低運營費用、更利于維護管理。黨偉榮[24]使用軟件模擬陜西境內的一條高速公路隧道，分析了拱頂側偏單光帶布燈方案諸多的不足：第一，該方案僅適用于兩車道，兩車道以上因路面較寬而亮度不足，不能很好滿足照明需要；第二，該方案僅適用于車流量較小的隧道。另外，在燈具安裝位置方面，發現當平曲線半徑小于1 000 m時，照明燈帶對駕駛人的視覺有一定影響，因此，燈具應沿曲線外側布置并縮小間距，考慮大型車輛遮擋燈光而產生陰影，影響后車行駛，建議將燈帶向左偏移，與行車道中心線的距離應為1～2 m。目前，LED燈已經成為隧道應用的新型光源。LED燈的發光效率在隧道中可達80～100 lm/W，壽命可達50 000 h，且老化速度慢，使用大約20 000 h后發光量仍有原來的85%～90%，顯色性也優于其他燈具[25]，因此，LED燈逐漸取代高壓鈉燈等光源。

2 隧道照明應用技術研究

除了關注隧道照明中的基礎研究之外，也有大批學者結合其他學科領域的技術開展相關的應用研究，以解決隧道照明中供電、控制系統等方面的問題，給隧道照明研究帶來新的視角和解決方案。

2.1 太陽能發電技術

在較偏僻的地區，電網供電系統的施工較為困難，遂提出了利用太陽能來發電的設想。太陽能光伏發電現已在山區隧道的節能領域有了實際價值，節省了對供電系統的投資，也避免了電網供電不穩定的影響[26]。張文俊通過的光伏發電實驗，研究太陽光強度、太陽能板輸出功率和LED燈功率之間的關系。實驗表明：第一，三者間具有線性正相關關系；第二，當陽光充足時，太陽能電板給蓄電池充電，同時也給LED燈供電，當陽光不充足時，太陽能電板給LED燈供電；第三，太陽能光伏電板角度固定時，LED燈的功率在上午10時至下午1時達到最大；第四，自動追蹤模式下發光效能和穩定性的優勢更突出[27]。

2.2 數字輔助技術

隨著計算機和電子信息等數字技術的發展，“智慧交通”成為交通發展的新趨勢，目前隧道照明領域也有眾多結合計算機和電子信息的相關“智慧”技術研究。

聯動BIM系統的VR技術。傳統的隧道照明設計只是從理論和經驗層面分析可能的場景，難以模擬還原完全真實的駕駛情況。BIM技術有直觀、動態、便捷、易于管理的特點，可以把所建物的三維模型導入計算機中，并對其進行各種分析和模擬。使用BIM軟件將隧道的設計信息錄入計算機中，調整其中某些燈光的參數進行光照分析，保存得到的通用格式文件作為其他軟件的接口，再使用其他軟件（如3DS MAX）對模型信息稍作調整，最后可通過虛擬模擬引擎系統（如Unreal Engine）進行虛擬駕駛，提高設計效率。在計算機外部設備方面，用戶可通過VR頭盔進入虛擬駕駛系統沉浸式體驗公路隧道環境[28]。

物聯網技術。在公路隧道照明的節能減排方面，提倡合理選擇燈具、優化照明參數、正確布置燈具間距，但節能減排是一個復雜的任務，靠這些方法并不能完全達到節能減排目標。楊翠等[29]將物聯網技術引入公路隧道照明，打造“智慧交通”。將物聯網引入隧道照明是為了根據實際情況自動調整隧道內的燈光，從而高效率節能減排。

隧道照度自動采集系統。隧道的建造和后期運營維護階段，需要對隧道內照明系統進行檢測，確認照明效果能達到設計要求。系統檢測通常采取人工現場檢測，使用手持照度計定點進行采光檢測，最后將檢測數據處理并比對需求。但這種方法檢測效率低下、人員易疲勞、數據誤差大且不易處理。基于這個問題，長安大學賈光偉提出一種能夠自動進行采集分析的設備模型。整個設備安裝在小汽車內，有照度傳感器、單片機和上位機3個小設備。通過實踐表明，該自動檢測設備效率遠高于人工檢測，且在經濟上也能節省相當一筆費用，時間效益和經濟效益也很明顯[30]。

3 結論

隧道照明的首要任務是盡可能緩解“黑洞”效應和“白洞”效應的影響，由此解決隧道行車安全、駕駛員視覺舒適度和節能的問題。對比顯示系數、閾限亮度差、小目標物可見度等概念和計算方法，以及SRN主觀評價方法、察覺對比法等隧道亮度評估法，均與人眼視覺存在密切聯系。隧道照明設計的要點包括燈具的材質和排列方式，目前LED燈和拱頂側偏單光帶的排列方式效率較高。

以上述研究為基礎，和其他學科領域知識交叉應用，能夠使隧道內的各種要素更可控。利用太陽能光伏電板可節約電能和節省偏遠地區照明設備的施工成本，通過VR和IoT等數字輔助技術可模擬隧道照明設計的情景，自動決策燈具開關，自動采集隧道內照度等。通過上述設計理論與方法、技術的綜合應用，達到公路隧道照明安全、舒適、節能的目的。