用视觉功效理论研究城市隧道出入口段与洞外道路照明

杨春宇，梁树英，张青文

(重庆大学建筑城规学院，重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

随着中国城市建设和交通事业的迅速发展，隧道的数量日渐增多。以重庆市为例，主城区城市隧道24座、内环高速隧道8座，全市高速公路隧道150余座，里程达280 km，每年用于照明的电费约为2亿元。长期以来，隧道和道路照明系统的安全性和节能性存在着此消彼长的矛盾，如何在保证行车安全的前提下，提高隧道和道路的运营效率、降低能源消耗，是目前亟待解决的问题。城市隧道白天和晚上对照明的要求存在很大差异:白天洞外亮度高，为了保证良好的视觉效果和安全行车，隧道出入口段的亮度为与之适应，其设置的照明亮度也较高;夜间，隧道洞外只有城市道路照明，其亮度较低，而隧道出入口段的照明却保持不变(相当部分出入口照明加强段没有降低照度值），这种隧道洞内外照明亮度对比太大的情况不仅不利于行车安全，对能源也是极大的浪费。因此，夜间隧道出入口段和洞外城市道路照明应根据人眼的视觉功效进行照明控制，才能创造出良好的行车视觉环境，从而有利于夜间行车安全。

1 国内外相关标准研究

1.1 隧道照明标准

国外公路隧道照明技术的研究开始较早，经过多年的理论研究和实践，技术相对成熟，各国都先后发布了相应的隧道照明标准。其中较有代表性的是国际照明委员会 (CIE）2004年出版的《公路隧道和地下通道照明指南》CIE 88－2004，美国北美照明工程协会(IESNA）2005年颁布的《美国隧道照明国家标准》ANSI/IESNA RP－22－05，日本国家标准委员会1990年发布的《机动车交通隧道照明标准》(JIS Z 9116－1990）等。我国对隧道照明的研究起步较晚，目前以《公路隧道通风照明设计规范》JTJ 026.1－1999和《公路隧道设计规范》JTG D70－2004作为现行的隧道照明标准。

白天洞外亮度L20(s）在20000 cd/m2～6000 cd/m2之间变化，而洞内入口段的照明各国并不相同。其中，日本规定车速在40 km/h时，隧道引入段最低亮度在24～97 cd/m2之间;车速在60 km/h时，隧道引入段最低亮度在63～108 cd/m2之间。我国标准规定车速在40 km/h时，隧道引入段路面最低亮度为30 cd/m2;车速在60 km/h时，隧道引入段路面最低亮度为50 cd/m2;车速在80 km/h时，隧道引入段路面最低亮度为80 cd/m2。另外，根据相关研究:在相同的假定条件下，分别依据 CIE 88—2004、美国的ANSI/IESNA RP—22—05和我国的 JTJ 026.1—1999三个现行标准的规定对不同行车速度下隧道入口段设计亮度进行计算模拟得出:在60 km/h计算行车速度时，CIE标准的隧道入口段亮度约为200 cd/m2，美国的标准约为140 cd/m2，我国的标准约为90 cd/m2;在80 km/h计算行车速度时，CIE的隧道入口段亮度约为240 cd/m2，美国的标准约为170 cd/m2，我国的标准约为140 cd/m2;在100 km/h计算行车速度时，CIE的隧道入口段亮度约为320 cd/m2，美国的标准约为200 cd/m2，我国的标准约为180 cd/m2。总体而言，在隧道入口段开始处的亮度上，CIE标准大于美国标准，美国标准大于中国标准，但随着计算车速的提高，中国标准的隧道入口段亮度水平逐渐接近美国标准，但仍远小于CIE标准。

1.2 道路照明标准

国际照明委员会 (CIE）1995年出版的《机动车交通道路照明的建议》115－1995针对不同等级的道路推荐了照明设计标准:M1级道路平均亮度为2 cd/m2，M2 级道路平均亮度为 1.5 cd/m2，M3 级道路平均亮度为 1 cd/m2，M4级道路平均亮度为0.75 cd/m2，M5 级道路平均亮度为 0.5 cd/m2。《美国道路照明实施标准》RP—8—00采纳了CIE关于路面分类方法和数据，规定快速路平均亮度为0.6～1.0 cd/m2，主干路平均亮度为 0.6 ～1.2 cd/m2，集散路平均亮度为0.4～0.8 cd/m2，地区性道路平均亮度为0.3～0.6 cd/m2。日本道路照明设计标准 JIS Z 9111规定除住宅区外的城市道路平均亮度为2 cd/m2。英国道路照明设计标准规定高速行驶道路平均路面亮度为1.5 cd/m2，重要道路为1 cd/m2，联络路为0.5 cd/m2。我国的《城市道路照明设计标准》CJJ45—2006中给出的道路照明标准值:快速路、主干路平均亮度为1.5～2 cd/m2，平均照度维持值为20～30 lx;次干路平均亮度为0.75～1 cd/m2，平均照度维持值为 10～15 lx;支路平均亮度为 0.5～0.75 cd/m2，平均照度维持值为8～10 lx。按照国内外机动车道道路照明的标准，机动车道道路照明的最高照明水平的路面亮度我国、日本和CIE的标准是2 cd/m2，北美的标准是1.2 cd/m2;最低照明水平的路面亮度我国和英国的标准是 0.5 cd/m2，CIE115—1995 也是0.5 cd/m2(最低级是 M5），2008修改后(增加了最低一级为M6）是0.3 cd/m2，北美的标准是0.3 cd/m2。总体而言，我国的道路照明标准与国际照明委员会(CIE）推荐的标准较为一致，并略高于美国的标准。

另外，我国的《城市道路照明设计标准》CJJ45—2006还考虑到交会区发生事故的几率较大，提高了交会区的照度水平:主干路与主干路、主干路与次干路、主干路与支路交会区路面平均照度维持值为30～50 lx，次干路与次干路、次干路与支路交会区路面平均照度维持值为20～30 lx，支路与支路交会区路面平均照度维持值为15～20 lx。但是，标准中交会区仅限于道路与道路的交会区，对城市隧道与道路连接处的照明问题没有涉及。

2 调研实测数据与分析

2.1 隧道照明实测与分析

隧道出入口段的照明一般包括基本照明、加强照明和应急照明，运行中通过对加强照明进行分组控制调节隧道出入口段的照明环境。根据统计，对于长度小于3000 m的中、长隧道，加强照明用电量占全隧道照明用电量的50%～70%。根据研究者在福建省进行实测的情况来看:黄山岭隧道在只打开基本照明时，出入口段路面亮度为30.1 cd/m2，路面照度为151.3 lx;在打开基本照明和加强4时，出入口段路面亮度为42.5 cd/m2，路面照度为 613.3 lx;在打开基本照明、加强1和加强3时，出入口段路面亮度为281.1 cd/m2，路面照度为2162.4 lx。石背角隧道在只打开基本照明时，出入口段路面亮度为39.3 cd/m2，路面照度为63.3 lx;在打开基本照明、加强2和加强3时，出入口段路面亮度为180.6 cd/m2，路面照度为753.4 lx;在打开全部照明时，出入口段路面亮度为231.6 cd/m2，路面照度为1588.7 lx。龙井隧道在打开基本照明、加强1和加强2时，出入口段路面亮度为213.8 cd/m2，路面照度为1315.9 lx。溪背山隧道在打开基本照明、加强2和加强3时，出入口段路面亮度为264.7 cd/m2，路面照度为 1442.3 lx。

另外，根据研究者对贵州、重庆两地隧道进行实测的情况来看:贵州黄果树隧道、尾纳隧道和孙家寨隧道的出入口段亮度设计值均为140 cd/m2;实测黄果树隧道路面最大照度为99.3 lx、平均照度为74 lx，尾纳隧道路面最大照度为89.1 lx、平均照度为67.1 lx，孙家寨隧道路面最大照度为98.6 lx、平均照度为79.0 lx。重庆鹅岭隧道路面最大照度为173.4 lx、平均照度为124 lx，向阳隧道路面最大照度为417 lx、平均照度为328.6 lx，八一隧道路面最大照度为390 lx、平均照度为334.05 lx，龙家湾隧道路面最大照度为130.3 lx、平均照度为84.9 lx，黄沙溪隧道路面最大照度为131.6 lx、平均照度为93.4 lx。从调研情况可以看出，隧道照明的照度值(亮度值）比标准规定的道路照明的照度值(亮度值）要高出许多，加上隧道内的光反射增量，其比值将更高。

2.2 道路照明实测与分析

根据研究者在北京、上海、成都、重庆等地的实测情况来看:北京城市主干道路面平均亮度为0.92～2.62 cd/m2，次干道路面平均亮度为1.1 ～3.92 cd/m2，支路路面平均亮度为 0.56 ～3.2 cd/m2;上海城市主干道路面平均亮度为0.71～3.1 cd/m2，次干道路面平均亮度为3.17～8.26 cd/m2，支路路面平均亮度为0.44～0.69 cd/m2;成都城市主干道路面平均亮度为1.45～5.06 cd/m2，次干道路面平均亮度为4.25 ～5.18 cd/m2，支路路面平均亮度为 2.58 ～4.81 cd/m2;重庆城市主干道路面平均亮度为2.12～5.76 cd/m2，次干道路面平均亮度为 0.42 ～5.69 cd/m2，支路路面平均亮度为 0.21 ～3.1 cd/m2。综合分析，四座城市主干道路面亮度在 0.71～5.76 cd/m2之间，其平均值为 3.1 cd/m2;次干道路面亮度在 0.42～8.26 cd/m2之间，其平均值为3.15 cd/m2;支路路面亮度在 0.21 ～ 4.81 cd/m2之间，其平均值为1.95 cd/m2。总体而言，我国城市道路亮度水平有迅速攀高的趋势，许多主干道、次干道，甚至支路的照明亮度过高，有的甚至超过国家标准很多倍。

3 视觉功效理论

夜间隧道出入口段和洞外道路照明应为驾驶员提供良好的视看条件，使其能可靠地察觉出障碍物的存在并且能做出及时正确的反应，从而确保驾驶安全和道路畅通。根据人视功能特点，在明暗环境过渡中其比值控制在3:1～5:1内为宜。通过对国内外有关隧道和道路照明标准的比对研究，并对中国福建、贵州、重庆11个隧道出入口段照明和北京、上海、成都、重庆部分道路照明现状进行测量和分析，发现隧道出入口段照明与洞外道路照明亮度对比差异过大，如重庆向阳隧道出入口段实测照度值为417 lx，而洞外道路照度值为30 lx(符合中国道路照明标准），但二者比值达到13.9:1。且隧道洞内因半球型围合，光反射增量突出，洞内空间光通量密度加大，整体空间视觉环境亮度极高。而洞外道路除路面有30 lx左右照度产生的亮度和路面上空有一定的光线外(空间开敞，光通量密度不大），在水平180°，上下130°的空间视野范围内多数为暗视觉环境，其视觉参照物弱，视看效果差。特别是从明亮的洞内行车到洞外时，是从洞内的明视觉环境到洞外暗视觉和中间视觉环境，因车速原因，视觉适应度差，存在安全隐患。

一般认为，人的视觉主要是视网膜上的锥状感光细胞和杆状感光细胞作用的结果。按照国际照明学会(CIE）的规定，亮度水平在几个cd/m2以上的视觉是明视觉(Photopic vision），主要是锥状细胞起作用;亮度水平在10－3cd/m2以下的视觉是暗视觉(Scotopic vision），主要是杆状细胞起作用;介于明视觉和暗视觉之间的是中间视觉(Mesopic vision），是锥状细胞和杆状细胞共同起作用，通常认为其亮度水平范围为0.001～3 cd/m2(CIE 1978）。根据上述研究可以看出:隧道出入口段亮度较高，处在明视觉范围内，而洞外道路亮度较低，属于中间视觉的范畴，如果洞外道路没有照明则是暗视觉。一方面，目前世界各国的现行道路照明标准均是在明视觉条件下确定的，不符合道路照明的实际情况;另一方面，各国的隧道和道路照明相关标准都没有考虑到道路和隧道连接处的照明问题。实际上，从隧道照明的明视觉过渡到洞外的暗视觉或中间视觉，人眼需要一定的视觉适应时间，如果处理不好，就容易导致交通事故。

目前，以反应时间为参量的视觉功效法可以用于直接评价隧道出入口段和洞外道路光环境中驾驶员是否看见目标、是否辨清目标以及对目标的反应速度，从而评价照明情况的优劣性。这一方法对于城市隧道出入口段与洞外道路照明质量的评价和改进有着较强的理论价值和实践意义。驾驶员的行车行为是一个复杂的“人—机”交互过程，在这个过程中驾驶员必须始终要采集大量的信息:方位、线型、路况、周围车辆、环境和行人等，并且需要对这些庞大的信息进行快速处理，并做出正确判断和采取措施，具体可用反应时间来衡量。反应时间的长短直接影响驾驶员遇到突发情况进行正确操作以避免交通事故的能力。从大量的实测与事故统计分析结果来看，反应时间一旦变长，往往就丧失采取应急措施的良机，酿成交通事故。在实际测量中，反应时间可以在不同背景亮度、目标偏心度、视角大小，以及不同光色的照明条件下的实验确定，即通过研究人眼察觉背景上随机出现的目标的反应时间而获得。

4 小结

通过对比研究国内外有关隧道和道路的照明标准，发现目前各国的标准中还没有针对城市隧道和道路连接处的照明相关规定。结合我国隧道和道路照明的实际调查分析，发现夜间城市隧道洞内外照明存在较大差别，这不仅容易导致安全事故，对能源也是一种浪费。针对上述情况，笔者认为城市隧道出入口段属于明视觉、洞外道路属于暗视觉或中间视觉，在夜间应该考虑明视觉向暗视觉或中间视觉过渡时视觉功效的变化对交通安全的影响。笔者从视觉特征出发，用反应时间为参量的视觉功效法研究城市隧道出入口段和洞外道路照明，通过反应时间来衡量其照明的安全性和合理性，这一方法对于城市隧道出入口段与洞外道路照明质量的评价和改进有着较强的理论价值和实践意义。同时，提出城市隧道出入口段在现有标准基础上减弱照明，在洞外道路上加强照明的方法，并根据目前的研究将城市隧道出入口段照明与洞外道路照明的对比值控制在3:1～5:1内，以适应视觉特点，为实现行车安全和照明节能提供了新的研究途径。

［1］CIE Technical Report.88—2004.Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［S］.2004

［2］ANSI/IESNA RP—22—05.American National Standard Practice for Tunnel Lighting［S］.2005

［3］中华人民共和国行业标准JTJ 026.1—1999.公路隧道通风照明设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2000

［4］中华人民共和国行业标准 JTG D70—2004.公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004

［5］日本.隧道照明指南［S］.1990

［6］中华人民共和国行业标准JTJ 026—1990.公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1990

［7］许景峰，胡英奎，何荥.国内外公路隧道照明标准中亮度水平对比研究［J］.照明工程学报，2010，21(5）:26 ～32

［8］CIE Technical Report.115—1995 Recommendations for the Lighting of Road for motor and pedestrian traffic［S］.1995

［9］ANSI/IESNA RP—8—00.American National standard practice for Roadway Lighting［S］.2000

［10］中华人民共和国行业标准CJJ45—2006城市道路照明设计标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006