我国公路隧道照明技术的发展与创新

王少飞，涂耘

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司隧道建设与养护技术交通行业重点实验室，重庆400067;2.国家山区公路工程技术研究中心，重庆400067)

0 引言

与铁路隧道相比，在很长一段时间里，我国公路隧道发展较为缓慢。我国高速公路隧道的修建，无论是从时间上还是在规模上，均落后于铁路隧道。因此，最初在设计公路隧道时，多是套用或者照搬铁路隧道设计标准，对其土建工程部分考虑得比较周详，而对交通安全问题等却考虑得很少［1］。20世纪90年代初，我国大部分公路隧道都无照明或仅悬挂几盏路灯供行人照明，仅有几座隧道安装了照明设施，且其技术标准也是很低的。进入21世纪，我国在公路隧道建设领域取得了举世瞩目的重大成就［2-5］，以秦岭终南山公路隧道为代表的一大批长大隧道的建成通车，标志着我国公路隧道的设计、施工、监理、养护和运营水平达到了一个新的高度。公路隧道照明技术也随着公路隧道修筑技术和运营管理水平的提升而不断发展［3］。据统计，截至2002年，我国1 km以上的公路隧道照明形式为完全照明占87%、局部照明占4%、无照明占9%［2］。由于公路隧道数量不断增加，长大公路隧道及隧道群不断出现，公路交通量不断上升，公路隧道照明技术也由此逐渐得到关注和重视。近20年来，我国交通运输部门投入大量科研经费，围绕公路隧道照明工程的实际问题开展技术研究并取得了许多重要成果，强有力地推动了公路隧道照明技术的进步。全面回顾我国公路隧道照明技术研究的发展历程，系统总结了公路隧道照明技术研究取得的创新成果，并指出目前研究存在的主要问题，最后对我国公路隧道照明技术发展趋势进行了展望，旨在为公路隧道照明技术深入研究提供借鉴和参考。

1 我国公路隧道照明技术的发展历程

我国在20世纪80年代初开始关注公路隧道照明课题［6-7］，而直到2000年，国内第1部有关公路隧道照明设计的专用技术规范才正式发布［8］。国内对公路隧道照明技术的研究大体上可以分为3个阶段。

1)第1阶段(1990年以前)——公路隧道照明理论引入和技术研究萌芽阶段。在这一时期，随着国外公路隧道照明理论的建立和发展，公路隧道照明课题在国内开始得到关注。很多国外公路隧道照明研究文献经翻译而在国内公开发表，如陈田中(1981)［9］、王太同等(1982)［10］翻译了日本学者成定康平和吉川孝次郎(日本公路隧道照明理论的2位创始人)有关短隧道照明研究的文献;董国贤(1984)［7］介绍了法、意合建的勃朗峰隧道(Mount Blanc Tunnel)照明系统设计方案;徐正言(1988)［11］翻译了国外公路隧道照明控制系统构成的文献;林贤光等(1990)［12］翻译了荷兰学者范·波莫、德·波尔(2位著名道路照明专家)的著作——《道路照明》，将公路隧道照明理论正式引入国内。此外，国内在学习和借鉴的基础上，也开始了公路隧道照明设计的尝试性工作，如李尊爱(1983)［6］介绍了某越岭隧道照明系统设计方案;颜叔屏(1987)［13］介绍了上海在借鉴荷兰、阿根廷、香港、台湾等地隧道修筑技术的基础上，对延安东路隧道照明系统所做的探索性研究工作;朱应龙等(1988)［14］介绍了在考察香港隧道设施以及参照日本公路隧道照明标准的基础上，对福(州)马(尾)一级公路鼓山隧道照明系统进行的设计;杨公侠等(1989)［15］对上海打浦路隧道遮阳棚改建方案进行了模拟试验，为设计提供可靠依据。

2)第2阶段(1991年—1999年)——公路隧道照明技术研究发展阶段。此阶段以JTJ 026—1990《公路隧道设计规范》［4］开始实施为标志，自此我国公路隧道照明设计有了相应的技术标准。但由于其不很完善［16］，为了适应我国公路隧道照明技术发展需求，国内主要在以下3个方面进行了相关研究:①介绍国外公路隧道照明设计标准及实践经验，为国内公路隧道照明工程设计提供借鉴和帮助。郑汉璋(1993)［17］分析了CIE《公路隧道和地道照明指南NO.26/2.1990》的主要贡献及其不足;刘南山(1993)［18］综述了国外公路隧道照明的研究成果及实践经验;夏永旭［19］叙述了我国公路隧道照明目前存在的一系列问题，并就如何解决这些问题，提出了一些对策和建议;郑晋丽(1995)［20］介绍了挪威道路隧道照明设计准则;齐向军(1995)［21］编译了瑞士公路隧道照明系统必须满足的几个要求;王华牢(1995)［22］翻译了《公路隧道和地道照明指南CIE NO26.1990》。②研究如何设计公路隧道照明系统，以消除“黑洞效应”、“白洞效应”等实际工程问题;陈之启(1991)［23］介绍了香港海底隧道的照度分布图以及全线照明设计成照度可控的系统;王芃(1993)［24］论述了北京西客站前机动车隧道照明光源选择高压钠灯的必要性与合理性;李小泉(1994)［25］介绍了在没有成熟的经验和方案可供选择的情况下，我国第1座城市公路隧道——珠海板樟山隧道的照明系统设计方案;漆光荣(1994)［26］介绍了泉(州)厦(门)高速公路隧道照明系统设计思路;王源昆(1994)［27］探讨了公路隧道照明设计原则、光源与灯具选择、照明方式等问题;张祉道(1994)［28］提出1种用等间距光带公式计算遮光栅内亮度的方法;李满航等(1996)［29］介绍了广州珠江隧道照明系统设计方案的成功经验;过廷献等(1996)［30］介绍了公路隧道的照明要求及技术处理;吴德兴等(1998)［31］介绍了107国道清连一级公路焦冲隧道照明设计标准、布灯及配光方案;李玉文(1998)［32］提出根据灯具厂家提供的光强表进行隧道照明数值计算的方法;朱树强等(1998)［33］阐述了北隈子隧道照明系统设计方案;赵忠杰(1999)［34］探讨了公路隧道照明设计的原则和标准，并提出1种改进后的隧道照明曲线。③研究设计公路隧道照明控制系统，对隧道照明进行动态控制;洪刚(1994)［35］从控制方式与控制对象等2个方面，阐述了公路隧道照明控制设计问题;王学堂等(1999)［36］研究了隧道内光强的亮度函数，建立了速度、亮度和入/出口段长度之间的数学关系，设计了隧道内亮度动态控制方案;赵鸿鸣等(1999)［37］提出结合隧道照明灯具的分布及其控制设备，对隧道照明进行集散控制与监测，保证白天洞外照度与洞内照度的平缓过渡，并从节能角度考虑，保证根据车流量进行照明控制。

3)第3阶段(2000年—至今)——公路隧道照明技术深入研究和应用实践阶段。此阶段以JTJ 026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》［8］开始实施为标志，自此我国公路隧道照明设计有了专用的技术标准。这在我国是一项具有开创性的成果［38］，并先后获得重庆市科学技术进步二等奖(2000)和中国标准创新贡献奖三等奖(2006)。在这一阶段，国内主要研究方向不再集中于讨论如何设计公路隧道照明系统，其焦点是如何在确保隧道运营安全的基础上实现照明节能的最大化。①公路隧道照明设计参数研究，主要包括洞外亮度L20(S)和隧道照明设计指标。在洞外亮度L20(S)研究方面，上海市照明灯具研究所采用黑度测试法对浙江甬台温高速公路、福建福厦高速公路和罗宁高速公路的山岭隧道进行了一系列实测，分析了隧道洞外亮度变化规律及代表性洞外景物亮度值［39］;重庆交通科研设计院曾在国内首次采用环境简图法，对京珠高速公路粤境北段和南段隧道群进行了大量的现场实测和数据分析，为公路隧道照明工程建设提供了科学合理的指导意见，节约了近千万元的投资和运营费用［40］;文献［41-42］提出基于数码技术的隧道洞外亮度L20(S)测试方法，使大规模、高效率地测试隧道洞外亮度成为可能。在隧道照明设计指标研究方面，郑晅等(2007)［43］提出基本段照明指标可以降低，过渡段照明设置可以简化的思路;重庆交通科研设计院与福建高速公路建设指挥部对短隧道照明设计参数进行了初步研究［44］。②对公路隧道照明节能与运营安全技术开展研究，以平衡“节能”与“安全”二者之间的关系。在隧道照明节能技术研究方面，重庆交通科研设计院先后开展了《特大断面隧道的节能能技术研究》［45］、《山区高速公路隧道节能型照明系统研究与应用》［46］、《高速公路隧道照明需求与节能技术研究》［47］等课题，从系统工程角度提出了解决公路隧道照明节能问题的一整套关键技术。在隧道照明安全技术研究方面，同济大学承担了《公路隧道进出口运行安全研究》课题，提出了“视觉震荡”的概念［48］，以及基于视觉适应的隧道进出口照明公式［49］;张天乐(2009)［50］研究了小半径曲线隧道照明对交通行车安全的影响;刘洋(2009)［51］对人长时间处于隧道光环境下的生理、心理变化情况进行了研究，并提出长隧道照明设计的优化思路。③公路隧道照明光源研究，主要集中在LED灯和电磁感应灯。白炽灯、高压汞灯、低压钠灯、荧光灯和金卤灯都曾在国内隧道照明中得到应用［24，35，52］，目前国内公路隧道照明大多采用高压钠灯和荧光灯(主要用于洞内紧急停车带和横通道照明)。受国家“节能减排”战略的导向，以LED灯和电磁感应灯为代表的新型高效节能光源得到广泛关注，韩直(2007—2009)［53-56］认为，隧道LED灯照明在均匀性方面具有高压钠灯不可比拟的优势，并指出采用显色指数较高的LED灯时，可适当降低隧道照明标准;王亚琼等(2009)［57］提出采用高压钠灯与LED灯组合照明技术尝试解决照明成本和能源短缺方面难题，即隧道加强段照明采用高压钠灯与LED灯组合照明，以解决冷暖光源对隧道入口段的影响，在中间段则采用LED灯照明，以降低隧道运营成本;广州珠江黄浦大桥建设有限公司编制了国内首部《公路隧道LED照明企业标准》［58］。

2 我国公路隧道照明技术的创新成果

我国公路隧道照明技术的创新突出表现为原始创新和集成创新，尤其是自2000年以来，我国在公路隧道照明技术研究方面取得了丰硕的成果，集中体现在以下3个方面。

1)新理论的提出。在公路隧道照明理论研究方面，复旦大学陈大华课题组［59-62］与重庆大学陈仲林课题组［63-68］对中间视觉进行了深入研究。陈文成(2008)［59］通过视觉功效实验建立了新型中间视觉S光度学模型，由此计算出各种光源在不同亮度水平下的中间视觉修正系数，并将其应用于公路隧道照明设计;崔璐璐(2008)［66］研究了光源显色性和色表对驾驶员视觉的影响，研究结果表明显色性较高的LED灯照明效果比显色性较低的高压钠灯照明效果好，并且显色性较高的LED光源可以在不提高路面亮度的情况下提高彩色小目标的正确识别率，更有利于公路隧道照明节能。

2)新技术的推广。①基于数码技术的洞外亮度L20(S)的测试方法已在福建、重庆、广东、河北等地进行成功应用并取得了良好的实践效果［69］，该方法将纳入《公路隧道照明设计细则》在国内全面推广［70］。②公路隧道照明节能成套技术的应用和示范在重庆、广东、安徽等地产生了较好的经济效益和社会效益，在国内“节能减排”政策导向的作用下，公路隧道照明节能技术在交通运输行业值得全面、大力推广。③公路隧道特殊灯光带照明在陕西秦岭终南山隧道、湖南雪峰山隧道、甘肃麦积山隧道、山西宝塔山隧道等特长公路隧道中得到了成功应用［71-73］，在缓解驾驶员视觉疲劳、减少隧道交通事故等方面发挥了重要作用。④对太阳能技术在公路隧道照明中的应用进行了初步探索［74-78］，太阳能交通安全设施在109国道东方红隧道中得到成功应用;国内最大的太阳能隧道照明系统在承德市韩郭公路小梁东隧道投入使用;吉林省建成全国首座公路隧道太阳能智能LED照明系统。⑤公路隧道照明控制系统先后经历了集中式控制系统、集散式控制系统和现场总线控制系统等3个阶段［79］，新建隧道目前多采用基于工业以太网的现场总线控制系统［80］;模糊控制、神经网络等智能控制技术在公路隧道照明控制中得到初步应用［81-83］;高压钠灯主要采用分级控制法，LED灯、电磁感应灯和荧光灯等类型灯具则进行了无级调光控制试验;相关研究表明，基于洞外亮度、交通量和车速为参数的照明控制模式节能效果显著，相对于天气分级控制模式节能达36.6%［84］。

3)新设备的应用。①在世界范围内首次将LED灯及其无级调光技术应用于公路隧道照明［85-89］，陕西前义坪隧道、广东龙头山隧道、安徽前家山隧道、河北司马台隧道等先后进行了工程示范，其应用前景非常光明。②电磁感应灯在公路隧道照明中获得应用［90-93］，江西雁列山隧道应用实践表明，与传统高压钠灯相比，采用电磁感应灯可节能12.8%。③逆光照明灯具和宽光带照明灯具在浙江、福建、陕西等地进行了应用［94-96］，浙江大溪岭—湖雾岭隧道在国内首次采用了逆光照明技术和宽光带照明技术，研究表明，在灯具功率相同的情况下，与传统普通对称照明配光相比，采用对称宽光带照明配光，路面平均亮度提高64.3%，采用逆光照明配光，路面平均亮度提高121%。④LED诱导灯在公路隧道中的应用具有较大发展潜力［76，97］，其能使隧道轮廓线更加清晰，缓解驾驶员的心理压力，同时在满足隧道行车安全性的前提下，可以适当降低隧道照明亮度(尤其是在夜间)。⑤电子镇流器和智能调压设备等照明节电设施得到应用［98-101］，福建漳诏高速公路鼓志山隧道采用电子镇流器后，与采用传统电感镇流器相比，年节约电费可达214 492.04元;山东济莱高速公路隧道安装智能调压设备后，节电率达39.02%。⑥在公路隧道照明计算分析软件研制方面，浙江丽水永通照明科技有限公司牵头开发的R＆TLAS软件，可在任意布灯的情况下，通过二维数值分析模拟隧道的照明情况，综合分析壁面反射对路面亮度的影响等［94，102］;重庆交通科研设计院开发出照明计算软件，采用逐点法的数值计算方法可实现繁琐的重复计算工作［103］。

3 我国公路隧道照明技术研究存在问题

虽然我国在公路隧道照明技术研究方面取得了一些创新成果，但是必须要清醒地看到，国内在公路隧道照明技术研究方面还存在很多问题。

1)专业人才不足。我国在培养隧道照明专业人才方面存在一定不足［104］，主要表现在对隧道照明专业不够重视、隧道照明专业师资严重匮乏、获取隧道照明专业教育的途径太少，致使国内道路(隧道)照明专业人才非常短缺，这是制约我国隧道照明设计水平提高和技术理论创新的重要因素之一。

2)基础研究不够。国内目前开展的公路隧道照明科研项目，主要以应用型研究课题为主，基础理论研究非常薄弱，洞外亮度参数、入口段亮度折减系数、连续隧道照明折减率、各照明区段亮度设计参数、中间视觉理论、色温及显色性对隧道照明影响等问题均需深入研究。此外，部分理论观点还存在分歧，文献［105-106］认为色温的高低在光环境评价中产生的心理影响是比较微妙的，不像直接影响工作效能的生理因素那样具体实在，不宜过于强调其作用，不宜将其夸大作为照明的质量指标来对待，这与文献［65，107］研究成果相矛盾;文献［35］指出不宜将不同显色性光源的灯具混合布置以避免给人造成不舒适的心理及视觉感受，与文献［57］研究成果相抵触。

3)成果转化不力。由于无法实现资源共享，加之技术交流不畅，很多公路隧道照明科研成果未得到推广应用，致使公路隧道照明科研与设计、管理工作脱节，公路隧道照明的现代化、自动化水平有待进一步提高。

4)技术竞争不强。洞外亮度仪、洞内照度仪等隧道照明检测设备目前多为进口，国产设备在可靠性、稳定性、准确性方面与国外产品相比还有较大差距;隧道LED灯芯片主要采用日本或欧美公司产品，国内生产企业尚未掌握其核心技术［108］;在国际隧道照明学界，尚未形成中国理论流派，原始创新还需要有新的更大突破。

4 我国公路隧道照明技术发展趋势展望

随着自动控制、通信工程、计算机、软件工程、半导体照明等相关技术的进步与发展，我国公路隧道照明技术也必将会有新的突破。在全球“低碳经济”背景和国家“节能减排”战略导向下，公路隧道照明的发展趋势是环保节能、安全舒适的“绿色照明”。公路隧道照明技术研究应围绕以下方向开展:

1)不断健全行业技术标准体系。国内已先后发布了JTJ 026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》［8］、JT/T 609—2004《公路隧道照明灯具》［109］，《公路隧道照明设计细则》［70］和《公路隧道和地道照明指南》也正在编制之中，公路隧道照明行业标准日臻完善，但这些设计规范和技术标准还不够全面，隧道LED灯、隧道LED诱导灯、洞外亮度仪、洞内照度仪、照明节能控制设备等至今尚无行业技术标准，编制公路隧道定向光照明设计指南亦迫在眉睫。

2)不断深入开展基础理论研究。围绕中间视觉等研究课题实现重大技术创新，针对公路隧道照明设计参数开展模拟试验，基础理论研究成果应能在国际隧道照明学术界占有一席之地。

3)新型隧道照明技术应用研究。研发以光纤照明［110-113］为代表的新型隧道照明系统，实现成套技术开发产业化和典型工程示范化，研制色温可调［114-116］的公路隧道LED照明系统，研究太阳能、风能等新能源在公路隧道照明中的有效利用，实现公路隧道照明关键设备国产化，形成拥有自主知识产权的核心技术，进一步提升国产设备的国际竞争力。

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