烟雾对隧道灯光透过性影响的模拟实验研究

孟繁宇，李 波，赵元莹，潘晓东，邓 其

（同济大学 交通运输工程学院，上海 201804）

到2006年底，中国已建成的公路隧道有4100多座，单洞累计长度达160km.目前，已建和在建的3km以上的公路隧道有近60座，5km以上的特长公路隧道有14座，10km以上特长隧道有1座［1］.由于公路隧道属于封闭空间，其交通空间有限，空气不易流通，环境噪音较大，洞内与洞外亮度差异悬殊，在隧道内极易发生交通事故并造成难以想象的后果［2］.在隧道设计、运营管理中，必须保证隧道的通畅与安全.《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1－1999）给出了通风量和照明设计计算方法［3］.近年来，高速公路交通量大幅增长，在一些山区点隧道，尤其是纵坡较大的长隧道内，烟雾排放量不断增多，且通风系统难以短时间内迅速消散稀释烟雾，对后续驾驶人行车视觉造成较为严重的影响.在目前隧道运营管理中，通过增加通风机通风量及提高照明水平以达到稀释隧道烟雾浓度、向驾驶人提供良好通视环境的目的但随之而来的通风和照明费用也会成为运营单位的巨大负担，使得隧道通风和照明节能设计成为必然［4］.隧道内烟雾下光源照明特性的测定能为隧道通风和照明设计提供有益参考.

1 隧道烟雾问题与照明

1.1 隧道烟雾环境

1.1.1 隧道主要污染物成分及其危害

隧道烟雾主要包括车辆（尤其是大型重载车辆）及车辆驶过后的扬尘.汽车排放出的废气是气态、液态和浮游固态颗粒的混合物，它包括：一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物 （NOx）和微粒物（碳粒和铅氧化物等重金属氧化物及烟灰等组成）等［1］.其中，CO，HC和 NOx多由汽油机车产生，而对于柴油机车，其排放出的废气主要为黑色碳粒.

一氧化碳（CO）是在内燃机中由于不完全燃烧产生的一种无色、无味的气体.CO在人体内比氧气更容易与血红蛋白结合，使得血液中氧气含量不足，导致人体缺氧，引起头痛、头晕和呕吐等中毒症状，严重的会造成休克甚至死亡.碳粒是柴油发动机不完全燃烧的产物［5］.碳粒在一段时间内可以在空气中悬浮，对光线起折射和散射的作用，降低了道路上的能见度，并对驾驶视觉任务造成干扰.另外，碳烟中还含有少量特殊臭味的乙醛，往往会引起人们头晕和恶心等.

1.1.2 隧道烟雾设计浓度

在公路隧道中，为了描述光透过空气的能力，分别用E，E0表示同一光源所发出的光线，通过100m的污浊空气和清洁空气后的照度，用τ100表示光通过100m的透过率［6］，则：

世界道路协会（Permanent International Association of Road Congress，简称为PIARC）对行驶速度和光透过率指标提出要求.当V＝40km／h时，τ100＝0.4；V＝60km／h时，τ100＝0.48；V＝80 km／h时，τ100＝0.6.

在《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1－1999）中，定义k烟雾浓度，单位为m－1，计算式为［3］：

式中：L为烟雾透过距离，m.

规范同时对k做出规定，取值见表1.

表1 烟雾设计浓度kTable 1 Designing concentration of smoke

1.2 隧道照明环境

通常，道路与隧道照明水平以平均路面亮度均匀度及眩光水平来衡量.中国隧道照明设计按照隧道长度和等级分类，并分别按照入口段、过渡段、中间段和出口段的顺序进行分段照明设计.该设计方法并没有考虑隧道烟雾对光线的影响.

光在空气介质中的传播规律符合Lambert－Beer定律，即光的强度随着传输距离的增加或者空气介质消光系数的增大而减小.波长为λ的光波在烟雾中传输时，其光强的衰减用Lambert－Beer定律［7］来描述：

式中：I0为入射光强；It为出射光强；σ（λ）为消光系数；l为传输距离.

若用T表示透射率，则式（3）可变为：

从式（4）中可以看出，透过率与光波长、烟雾消光系数及光程有关.

2 基于相似模拟室内光的烟雾透过率实验方案

目前，解决隧道烟雾问题的途径主要分两个阶段：①隧道计阶段，包括隧道选线、纵断面设计及通风系统设计；②运营阶段污染物监测、通风控制及设备维护，且通风设计和照明设计均为独立设计.若在照明设计阶段考虑烟雾影响，选择合适的光源，将有助于改善隧道内视觉环境.由于实验条件的限制，隧道内烟雾下光源的照明特性测定实验难以在现场进行，其原因是：

1）实验场地难以选取.要实现对烟雾环境的模拟，又不影响交通系统的正常运行，只能选择正在施工或已施工完毕但尚未通车的隧道内进行.

2）实验条件难以控制.烟雾是模拟实验中的重要因素，但是烟雾的状态、成分和浓度难以控制.

3）实验安全性低.在烟雾下驾驶，对驾驶人的行车视觉影响非常大；在高烟雾浓度下驾驶存在很大的安全隐患.

4）实验成本高.在隧道内进行烟雾对行车视觉影响的实验，需要付出人力、物力及封闭交通的代价.

因此，有必要在实验室内进行隧道烟雾环境的光源透过性模拟.室内的烟雾模拟实验在先前鲜有研究，已有的研究多为通过化学或物理方法产生烟雾，如：宋珍［8］等人在对现场检测烟雾计量技术的研究中，选用一种舞台烟雾剂作为发烟的烟源.该方法与现场实验存在相同的问题，即难以控制烟雾的稀释或消散等浓度变化.作者拟采用相似模型的方法，对隧道内不同烟雾浓度的环境进行模拟，通过向纯净水中滴加定量墨水的方法，对隧道内烟雾环境进行模拟，并对光源的透过特性进行测定.通过拟合曲线与朗伯－比尔定律曲线的对比，得到不同烟雾浓度、不同色温的室内模拟实验曲线，考察墨水与烟雾胶体对光的衰减作用的相似性.

2.1 实验仪器和材料

XYC－1全数字色度仪、10cm×10cm×50cm玻璃水缸，LED光源12只（色温见表2）、直流电源（电压与电流可控）、墨水.

表2 12种不同色温的光源Table 2 Color temperature of 12illuminants

2.2 实验内容

将实验装置摆放好并固定.向玻璃水缸内加3500mL蒸馏水，调节电源电压为9V并保持不变.取墨水1mL，加到200mL蒸馏水中，配成浓度为5%的墨水稀释液；每次取5mL稀释液，加到玻璃缸内.在5种不同浓度的墨水溶液（浓度见表3）下，测量12种不同色温的光源透过墨水后的照度，并记录.实验装置如图1所示.

表3 5种不同浓度的墨水（体积比）Table 3 5different concentrations of ink

图1 实验装置Fig.1 Experimental apparatus

3 实验数据处理

3.1 透过率计算及数据拟合

1）用滴加i mL墨水的照度Ei除以清水时的亮度E0，得到透过率T.

2）通过origin软件对数据进行拟合，并对拟合结果进行F检验.分别以浓度C和色温K为自变量，以透过率T为因变量，分别对T－C函数和T－K函数用指数函数和对数函数进行拟合.

3.2 拟合结果汇总及分析

3.2.1 透过率和浓度关系的拟合结果与分析

透过率和浓度关系的拟合曲线如图2所示（以1＃，4＃，7＃，10＃和12＃光源为代表）.

图2 1＃，4＃，7＃，10＃和12＃灯的拟合曲线Fig.2 Fitting lines of illuminant No.1，4，7，10and 12

从图2中可以看出，1＃，4＃，7＃，10＃和12＃光源的拟合效果非常好，并且随着光源色温的增加透过率呈现递减的趋势.

12种不同色温的光源透过率和浓度关系按照指数函数形式y＝y0＋Ae－x／t拟合度的平均值为0.999，远大于0.85，并且所有的拟合度都大于0.85，说明自变量对因变量（透过率）的解释能力非常强，拟合效果非常好.

通过F检验得到的P值数量级都在1×10－4以下，远小于0.05，说明拒绝零假设的可能性非常大，方程的显著性非常好.

3.2.2 透过率和色温关系的拟合结果与分析

透过率和色温关系的样条曲线如图3所示.

图3 不同浓度下的透过率和色温关系Fig.3 Lines of transparency－color of temperature in different concentration

从图3中可以看出，透过率T随着色温K和浓度C的升高，呈现递减的趋势.对不同浓度下的透过率和色温变化关系进行函数拟合，拟合曲线如图4所示（以3＃浓度为例）.

图4 3＃浓度下透过率和色温的拟合曲线Fig.4 Fitting line of T－Kin concentration No.3

3＃浓度下的透过率和色温拟合度为0.920.这说明自变量对y的解释能力非常强，拟合效果很好；通过F检验得到的P值为4.36318×10－14，远小于0.05.这说明拒绝零假设的可能性非常大，方程的显著性非常好.

通过拟合，5种不同浓度下的光源透过率（照度）—色温关系按照对数函数形式y＝a－bln（x＋c）拟合度的平均值为0.900，大于0.85，并且除2＃浓度外所有的拟合度都大于0.85.这说明自变量对y的解释能力非常强，拟合效果非常好.

通过F检验得到的P值数量级都在1×10－13以下，远小于0.05.这说明拒绝零假设的可能性非常大，方程的显著性非常好.

4 结论

运用不同浓度的墨水模拟隧道内的烟雾环境，对不同色温光源的透过率进行了测定，并换算成透过率.分别以指数关系y＝y0＋Ae－x／t和对数关系y＝a－bln（x＋c）对透过率 — 浓度、透过率—色温的函数关系进行拟合分析.通过对拟合结果拟合度和F检验得到的P值进行比较分析验证了拟合的准确性.其中，透过率—浓度的函数形式与Lambert—Beer定律的形式相吻合，验证了墨水环境与隧道内的烟雾环境对光源的透过性能的影响相似，并为进一步的隧道烟雾室内模拟实验以及现场实验奠定了基础.

（References）：

［1］闫桂梅.公路隧道通风照明与行车安全关系研究［D］.重庆：重庆交通大学，2008.（YAN Gui－mei Study on the relationship between ventilation and lighting in highway tunnels and driving safety［D］Chongqing：Chongqing Traffic University，2008.（in Chinese））

［2］王少飞，陈建忠，涂耘.公路隧道的交通特点研究［J］.道路交通与安全，2009（1）：36—40.（WANG Shao－fei，CHEN Jian－zhong，TU Yun.Study on traffic characteristics of highway tunnels［J］.Road Traffic and Safety，2009（1）：36—40.（in Chinese））

［3］交通部重庆公路科学研究所.JTJ026.1—1999，公路隧道通风照明设计规范［S］.北京：人民交通出版社2000.（The Institute of Highway Science Research in Chongqing of the Ministry of Communications JTJ026.1—1999，Specifications for design of ventilation and lighting of highway tunnel［S］.Beijing：China Communications Press，2000.（in Chinese））

［4］韩直.公路隧道节能技术［M］.北京：人民交通出版社，2010.（HAN Zhi.Technique of energy－saving in highway tunnels［M］.Beijing：China Communications Press，2010.（in Chinese））

［5］International Agency for Research on Cancer.IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans［J］.Diesel and Gasoline Engine Exhausts and Some Nitroarenes，1989，46：41—153.

［6］古明.对公路隧道照明安全设计的探讨［J］.科技信息，2009，21：299—230.（GU Ming.Discussion on design of lighting in highway tunnels［J］.Technical Information，2009，21：299—230.（in Chinese））

［7］冯继青，高春清，刘义东，等.激光对于烟雾的穿特性分析［J］.光学技术，2006，32（6）：883—885.（FENG Ji－qing，GAO Chun－qing，LIU Yi－dong，et al.Analysis of characteristics of transparency of laser through smoke［J］.Optical Technology，2006，32（6）：883—885.（in Chinese））

［8］宋珍，余广智，王勇俞.现场检测烟雾计量技术研究［J］消防科学与技术，2011，30（3）：231—233.（SONG Zhen YU Guang－zhi，WANG Yong－yu.Measurement technology for smoke detected on the spot［J］.Fire Science and Technology，2011，30（3）：231—233.（in Chinese））