利用光气候数据确定隧道洞外景物亮度的方法

2014-11-18张婷，翁季

灯与照明 2014年2期

张婷，翁季

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

0 引言

驾驶员的适应亮度在接近隧道过程中不断变化，一般取距隧道一个停车视距处的适应亮度作为隧道照明设计的基础，并称之为隧道洞外亮度。洞外亮度的取值直接影响隧道入口段亮度的设计值，进而影响过渡段等后续照明段的亮度设计值。隧道洞外亮度的合理取值对工程投资和运营过程中的能耗影响很大。日本东京湾海底隧道曾在设计中作过详细比较，在其他条件(包括设计车速等)相同的情况下，如果洞外亮度分别设定为4 000 cd/m2与6 000 cd/m2，则设备费相差34%，年耗电量(kW·h)相差达30%。因此，合理确定隧道洞外亮度是科学确定隧道入口段亮度的前提条件，且对在保证交通安全的前提下实现隧道照明节能有着重要意义。

要想获得可靠的洞外亮度值，需要大范围、长时间地对各地隧道洞外各景物亮度测试，才可能获得有代表性的、合适的亮度参数。我国目前没有这样大量的长期的洞外景物亮度测试数据作为制定标准的依据，但可以利用长期以来通过气象站观测到的光气候数据资料填补这一空白。如何通过光气候理论将辐照度转化为光照度，进而获得参考亮度值，是笔者的研究思路。

1 隧道洞外景物亮度值及其重要性

隧道接近段亮度也叫洞外亮度L20(S)，是指在接近段起点S 处，距地面1.5 m 高正对洞口方向200视场环境的平均亮度值，如图1。

图1 L20(S)定义图解

我国隧道照明技术起步较晚，经验和基础性的工作不足。直到2000年v1月，在已有的经验基础上，借鉴国外公路隧道的成功经验和先进技术，国家颁布了JTJ 026.1.1999《公路隧道通风照明设计规范》。该规范在照明系统构成、洞外亮度和减光、隧道各照明段的长度与亮度、照明总均匀度与纵向均匀度、调光分级、光源分级、灯具及布置、照度与亮度计算推荐方法等方面进行了详细的说明。在该规范中，规定用K 值法计算入口段亮度，这也是CIE 88—1990《公路隧道和地下通道照明指南》中建议的入口段亮度计算方法，也就是用洞外接近段亮度值L20(S)乘以系数K 得到隧道入口段亮度值Lth。并以表格形式给出了常见状况下的隧道洞外平均亮度值L20(S)(表1)和典型的隧道洞口景物亮度值(表2)。

表1 中国洞外接近段平均亮度L20(S)(cd/m2)

表2 我国洞外景物亮度推荐值(cd/m2)

由此，洞外亮度的值L20(S)可以通过查表得到，但通常还有另外一种非常重要的计算方法——环境简图法(公式1)。根据隧道口现场情况，选用隧道照明标准中给出的不同环境条件下的洞外景物亮度值或通过实测亮度值，根据各种景物要素在视野内的比例计算L20(S)。

式中r+Q +ε+τ=1

Lc，LR，LE——分别为天空亮度、道路亮度和景物亮度(cd/m2);

Lth——隧道入口段亮度(cd/m2);

r、Q、ε、τ——天空、道路、景物和隧道入口所占百分比。

(1)式中的Lc、LR、LE，应根据隧道洞口所处的具体环境选择隧道照明标准中给出的典型景物亮度值，或者现场实测其亮度值。

(1)式中的r、Q、ε、τ 值，则通过由隧道洞口的20°圆锥角视场环境简图来确定。环境简图的获得比较简单，只需在接近段的起点距地面1.5 m 高度安装相机，正对洞口中心并以洞口中心距地面1/4 洞高处作为拍照瞄准点拍摄照片，从照片中可以很容易读出各种景物在20°视场中所占的百分比。如果用数码相机拍照，并将所拍数码照片导入计算机，利用图像处理软件可以更方便地读取各种景物在20°视场中所占的百分比。

另一种确定隧道入口段亮度Lth的方法则是采用等效光幕亮度Lseq这一参数(CIE 88—2004 正式采用)，它的计算仍然需要以隧道洞外景物的表面亮度为基准。因此确定合适的隧道洞外景物的表面亮度是非常重要的，合理选取洞外景物表面亮度参考值是保证行车安全和隧道照明节能的关键。

2 隧道洞外景物亮度研究的难点与思路

隧道洞外景物亮度标准参考值的确定需要根据各地典型的气候条件，经过长期观测的数据得到。我国关于隧道照明的研究起步晚，经验和基础性的工作不足，2000年v以前在理论上的研究基本处于空白。我国JTJ 026.1.1999《公路隧道通风照明设计规范》中关于隧道照明的设计基准参数的隧道洞外景物亮度也仅仅是参照CIE 隧道照明指南和欧盟隧道照明标准制定的，既没有长期的观测数据为基础，更没有考虑我国的实际光气候条件和地区差异。

要想获得隧道洞外景物亮度，最精确的方法是对隧道洞外亮度长期观测记录数据。例如:Yoshikawa等人(1976)对位于日本中部山区的一个典型高速公路隧道进行了1年v连续的测量，测量隧道接近段的亮度变化。这种方法可以获得准确的隧道接近段洞外亮度值。但是这种方法本身存在两个问题:(1)滞后性。隧道照明设计和安装工程都是在隧道开通使用前完成的;(2)地区差异。一个地方的观测数据只能用于某一特定的地点和环境，不具有普遍适用性。

实际上，不同的地理位置、不同的光气候条件，以及洞口要素的不同材质和反射性能，其表面亮度值差异很大。我国幅员辽阔，地理纬度跨度较大，光气候条件差异巨大，想以一个地方的数据作为国家行业标准和规范，不够严谨。要获得不同地区隧道洞外景物亮度，需要大范围、长时间地对各地隧道洞外亮度测试，才可能获得有代表性的、适宜的亮度参数。我国目前还没有这样大量的长期的洞外景物亮度测试数据作为制定标准的依据。

因此，为了获得符合我国国情，能反映不同地区的光气候差异导致的隧道洞外景物亮度的差别，获得更具普适性的隧道洞外景物亮度值，文章提出用已有的长期观测的光气候数据资料来研究隧道洞外景物亮度，即以光气候理论为基础，研究隧道洞外景物亮度的新方法。这种研究方法可以弥补随机测量所带来的偶然性误差，也可以弥补我国没有长期洞外景物亮度观测数据的不足。具体思路如下。

对于任意被照表面，其表面亮度都是由被照表面亮度和表面反射特征决定的。因此要确定任意被照表面的亮度，首先要确定被照表面的照度。对于有些地区有光照度的观测数据，比如水平面的总照度、散射照度和直射照度等光照度参数，那么可以直接用当地的照度测量值，使用时只需要考虑被照面的方向和倾斜角度的转换关系。

对于大多数地区没有光照度观测资料的气象观测站点，通常只有辐射照度资料。而我们知道太阳辐射跟照度存在对应关系，研究两者之间的对应关系，就可以从太阳辐射资料换算出所需要的光照度值。

所得光照度值为水平总照度，对应到洞外景物表面照度还需要考虑被照面的方向和倾斜角度的转换。最后，通过对洞外典型景物表面的反射特征研究，即可最终得到隧道洞外景物亮度参考值。

3 确定计算洞外景物亮度的基准参考光气候条件

为了确保任何情况下隧道出入段的交通安全，原则上，所提供的入口段亮度Lth必须设计为入口段亮度全年可能出现的最高值，也就是要以全年洞外景物最大表面亮度值为取值依据。但是，在实际的隧道照明设计时，几乎不可能通过对该隧道进行长期的测量来精确确定接近段可能出现的最高洞外环境亮度，同时，如果用视野范围内的表面上出现的最高亮度值计算，将需要很高的入口段照明，无论从照明的经济性还是工程实施的必要性上考虑都是很难实现的。

CIE 88—2004 明确指出:“如果用视野范围内的表面上出现的最高亮度值计算将会需要很高的入口段照明。因此提议用一年中至少出现75 小时的最高亮度值作为计算参照值……”这种提法实际上是基于累积频率的概念。从工程的实际需要出发，用最大亮度的累积出现频率达到75 个小时的亮度值作为确定洞外景物表面亮度的标准参考值。

在无法测得长期的洞外景物亮度的情况下，无法获得亮度的累积出现频率。文章提出用长期的光气候观测资料，确定某一地区的参考光气候条件，并以此参考光气候条件为依据计算该地区的洞外景物亮度的依据。

我们知道当被照表面反射系数一定时，表面亮度与该表面照度成正比，也就是说隧道洞外景物表面亮度累计出现频率75 小时的最大亮度对应着累计出现频率75 小时的最大表面照度，因此某一地区累计出现频率75 小时的最大水平面照度可作为计算该隧道洞外景物亮度的参考水平面照度。对于一定时间内的某一特定地区，太阳辐射与光照度存在对应关系，它们之间存在辐射光当量K(lx/W·m-2)这一转化系数，因此某一地区累计出现频率75 小时的最大水平面照度又可进一步转化为累计出现频率75 小时的最大太阳辐射照度。这就是笔者所研究的计算隧道洞外景物亮度的参考光气候条件。

4 根据光气候资料从水平总辐射到水平总照度的转换

太阳辐射(Q)是在某一指定表面上单位时间、单位面积上所接受的辐射能量(单位:W/m2)。如果没有完整的天然光照度资料时，可以考虑将常规观测的辐射资料转换成相应的照度。太阳辐射和天然光照度关系可以用辐射光当量值来表示。辐射光当量K(lx/W·m-2)通常用来表示照度(lx)和同一时间太阳辐射(W/m2)之比。

为了研究中国的光气候分区，1983年v1月1日至1984年v12月31日在全国14 个代表性光气候观测站(北京、黑河、长春、乌鲁木齐、二连浩特、西安、西宁、玉树、上海、重庆、长沙、福州、昆明、广州)每日逐时进行了照度与辐射的观测，这是我国比较全面的光照度观测资料。根据这14 个站连续两年的逐时照度与辐射的同步观测资料，用多远线性回归方程计算各测站的月平均辐射光当量。月平均总辐射光当量值用月平均总照度值(lx)与相应月的平均总辐射(W/m2)之比表示。根据相关分析，把与月平均总辐射光当量有关的参数——纬度、海拔高度、平均绝对温度和日照时数作为相关因子，对月平均总辐射当量进行多元回归，设定以下方程式:

式中Ki——月平均辐射光当量，(lx/W·m-2);

i——1、2、3……12(月);

N——地理纬度(°);

H——海拔高度(m);

M——月平均绝对湿度(MPa);

S——月平均日照时数(h);

Ai、Bi、Ci、Di、Fi——为方程的待定系数。

国家气象局气象科学研究院根据各测站的观测数据和气候参数求得回归方程系数和相关系数(表3)。由表3 可见，回归方程的复相关系数在0.82～0.95之间，说明辐射光当量K 与N、S、H、M 之间有很好的相关性。说明此法求得的辐射光当量值能够满足使用精度的要求。在我国缺少多年照度观测资料的情况下，可以利用多年辐射观测资料及各地的气象参数求得各地区的辐射光当量值，再通过辐射光当量来求得各地的总照度，即E=K×Q。这样就完成了辐照度到光照度的转化。

表3 回归方程的相关系数和待定系数

续表

表4 室外水平面总照度

在没有足够的光照度资料情况下，根据辐射光当量的概念，从辐射观测资料计算得到光照度资料。表4 就是各个地区的辐射光当量换算系数，知道了辐射光当量换算系数就可以根据水平面总辐射计算出水平面总照度。

于是，根据《中国建筑用标准气象数据库》中给出的57 个城市的标准年全年的每小时的水平面散射辐射和直射辐射，可以计算出水平面的总辐射，找出累积频率75 小时的最大水平面总辐射，再根据不同城市的辐射光当量系数，就可以计算出对应的累积频率75 小时的最大水平面照度，结果见表5。

表5 五十七个城市参考水平面照度

续表

5 不同地区的参考水平面照度修正系数

如果有多个城市的光照度资料，就可以找出每个城市累积频率75 小时的最大水平面照度作为参考水平面照度，并以某一个城市为基准，找出其他城市与该标准城市的比例关系，作为参考水平面照度的修正系数。那么只要知道各个地区相对于标准地区的参考水平面修正系数就可以计算出这一地区的参考水平面照度值。

6 水平面照度值与各方向垂直面照度值的转换

对于任意隧道洞外景物表面，除了路面通常为是水平面之外，其他表面或是倾斜面或是铅垂面。通常隧道口端墙、广告牌、建筑物是铅垂面或近似铅垂面，而岩壁护坡和绿化通常为倾斜面。对于乔木和灌木由于跟视线的位置关系，可以将可见的树冠面看作与视线方向垂直的铅垂面。草坪和护坡岩壁也可以在微元单位上看作与视线垂直的铅垂面。这样就简化了隧道口景物表面的亮度计算。

既然隧道洞口所有的景物表面都可以简化为铅垂面，那么如果能找到水平面照度和垂直面照度的转换关系，就可以方便地将光气候观测数据中的水平面照度值转化为垂直面照度。

垂直面照度转换系数是指在某一标准天空下，即在确定的气象和地理参数前提下，某一垂直面照度与水平面总照度的比值。重庆大学陈仲林教授对此进行了研究。

式中VKe、VKs、VKw、VKn——东、南、西、北四个方向上垂直面照度转换系数;

Evqe、Evqs、Evqw、Evqn——东、南、西、北四个方向的垂直面照度;

Evq——水平面总照度。

影响水平面总照度和各垂直面照度的因素是日光状况、云量、云状、按时间分布的日照概率，以及地理纬度等。相应的垂直面照度转换系数也是上述气象和地理参量的函数。因此可以列出关于垂直面照度转换系数的线性回归表达式:

式中VKe、VKs、VKw、VKn——年或月平均垂直面照度转换系数;

N——地理纬度(o);

H——海拔高度(m);

M——年或月的平均绝对湿度(MPa);

S——年或月的平均日照时数(h);

C——年或月的平均总云量;

F——按时间的年或月的日照概率(百分比);

be0，…，be6，bs0，…，bs6，bw0，…，bw6，bn0，…，bn6——回归方程待定系数。

在上述对垂直面照度转换系数的影响因素中，以日面状况和总云量较大。选择以日面状况和总云量为分类前提统计出水平面总照度和各垂直面照度的年平均值，据此得到在某一特定日光状况和总云量下的垂直面照度转换系数。

7 隧道洞外景物表面反射特征与亮度计算

笔者根据隧道典型洞外景物要素及其表面亮度影响因素的相关研究提出:作为“自发光”表面——天空，其表面亮度由光气候决定。作为视觉中心的洞外景物要素——隧道洞口的亮度可忽略外界光环境的影响，主要受到隧道内人工照明的影响，并且因为本身亮度值较低，其取值对于洞外亮度平均值和入口段亮度影响不大，根据JTJ 026.1.1999《公路隧道通风照明设计规范》中入口段亮度与洞外亮度的换算关系，建议直接取固定值200 cd/m2。作为“被照面”的其他洞外景物要素:端墙、路面、岩壁、绿化、建筑和广告牌等，其表面亮度主要取决于被照面的照度和表面反射特征和反射系数。

隧道洞外景物中除了天空和洞口，其他景物都可以看作反光表面，其表面亮度在照度一定的情况下，跟反射特征有关。材料表面的反射特征包括反射系数和定向反射度。根据隧道洞外各种景物表面的属性不同、可控程度不同、以及与视线和光照方向和位置关系的差异，需要考虑的表面反射特征存在差异，为了研究的方便，本章将隧道洞外景物分3 类进行分别研究:一类是水平路面;一类是垂直表面的构建筑物;一类是植物绿化。

对于水平路面，其表面亮度主要取决于路面的铺设材料，与行车方向有一定关系，但是关系不是很大，故建议直接采用JTJ 026.1.1999《公路隧道通风照明设计规范》中平均亮度与平均照度间的换算关系(亮度系数q)计算，一般可按沥青路面(15～22)lx ∕cd·m-2，水泥混凝土路面(10～ 13)lx ∕cd·m-2取值，由公式L=E·q与已知参考水平面照度，即可计算出参考光气候条件下的路面亮度值。

隧道洞外的构建筑物，考虑通过规范限制使用高定向度的混合反射材料在隧道洞外构建筑物表面的使用，只选用漫反射或类似漫反射材料。因此只需要考虑构建筑物表面的反射系数。既然将表面看作漫反射表面，就可运用漫反射表面亮度和照度的计算公式L=E·ρ ∕π。根据参考光气候条件中参考水平面照度的垂直面转化系数可得到4 个方向的垂直面照度，然后再根据常用材料反射系数表选定材料的反射系数，最后运用公式L=E·ρ ∕π，就可以计算出不同方向的构建筑物的表面亮度值。

而对于植物绿化的反射特征，由于绿化表面的特殊性，笔者建议测量绿化表面的平均反射系数。具体方法为标准灰板对比法，将标准灰板放于某种植物的典型植被面上，使用数字影像光度计PR-920 截取包含有标准灰板的一定面积的植被表面。由于在一个小范围内，植被表面与灰板表面的照度一致，那么植被表面的平均亮度值与灰板的亮度值之比就等于植被表面的反射系数与灰板的反射系数之比Lg∕Lb=ρg∕ρb，已知标准灰板的反射系数ρb与测得亮度之比即可求得植被的平均反射系数ρg。接下来同样由漫反射表面亮度和照度的计算公式L=E·ρ ∕π 可得植物绿化表面的参考亮度值。