察觉对比设计方法下对比显示系数研究综述

2015-11-18蔡贤云张青文

灯与照明 2015年2期

蔡贤云，翁季，杜峰，张青文

(重庆大学建筑城规学院，重庆 400045)

0 引言

我国高速公路隧道建设的数量与通行里程快速增加，在未来一段时间内，公路隧道将以每年300 公里的速度增加。为满足行车过程中安全、舒适、节能的要求，国内外对隧道照明设计做了大量研究工作。

在确定隧道入口段亮度时，国际照明委员会(CIE)在CIE 88—1990 Guide for the lighting of road tunnels and underpasses 中建议采用k(折减系数)值法来计算隧道入口段的亮度值Lth，并在附录1 和附录2分别介绍了主观评价法SRN 和基于等效光幕亮度理论来确定隧道入口段亮度的方法。2004年vCIE 发布的CIE 88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》中，提出了利用察觉对比法计算公路隧道入口段路面亮度值的方法，该方法综合考虑了光在空气中的散射、汽车挡风玻璃的影响以及光源散射等实际情况，该亮度值Lth可通过公式(1)算得:

交通运输部2014年v发布的最新行业标准《JTG/T D70/2—01—2014 公路隧道照明设计细则》中给出的入口段亮度计算方法仍然是k值法。行业内部分文章论述LED 灯的优点，将其应用于隧道照明中作节能照明研究，但是在确定入口段亮度时，依然采用k值法。对于k的合理取值，隧道照明工学欧洲D.A.Schreuder 学派和日本成定康平学派提出的k值相差达5 倍之多，我国现有规范将k 值取二者中间值也无十足的依据。k值法更为明显的问题在于:该方法没有考虑汽车通过隧道之时驾驶员的心理、生理变化和人眼视觉特性的差别，所以由k 值法确定的入口段亮度Lth与隧道照明实际需要差别较大。

虽然采用k 值法计算入口段亮度存在较大偏差，但是当今隧道照明设计中运用k 值法的情况依然大量存在。虽然全新的隧道照明设计理念察觉对比设计方法自CIE 88—2004 发布以来已有十年时间，但是对该方法的研究依然不足。因此，文章试图理清察觉对比法的思路，并在此基础上研究其重要参数对比显示系数qc。

1 察觉对比设计方法

1.1 察觉对比法入口段亮度计算公式的物理意义

察觉对比的本质是隧道入口段的照明能保证目标的对比度不低于察觉对比。察觉对比与实验室得到的所需的对比度不同，察觉对比考虑了光在空气中的散射、汽车挡风玻璃的影响以及光源向眼睛的散射等实际因素。依据CIE 88—1990，入口段的亮度公式为

该公式表明了等效光幕亮度与目标物亮度对比度之间的关系，同公式(2)一样，可以寻求察觉对比法下入口段亮度计算公式(1)的物理意义。结合可见度的公式VL=ΔL/ΔLs，经过公式推导可建立最小察觉对比与可见度之间的关系，如公式(3)所示。

结合公式(3)与公式(1)可将察觉对比法下的入口段公式改写为

通过公式(4)即可建立可见度与察觉对比法入口段亮度公式之间的关系，此时分子中的Lm可以看做是等效光幕亮度，分母中的VL为可见度，C为亮度对比，当研究了一系列的参数之后，仅需研究对比显示系数与亮度之间的关系即可。

1.2 Lth计算公式中参数的研究

殷颖在《隧道入口段亮度计算方法比较研究》一文中，通过重庆市真武山隧道实测计算发现采用k 值法计算的入口段亮度最高，用SRN 主观评价法得出的入口段亮度值跨度很大，由此得出察觉对比法最适合我国的隧道入口段亮度计算。《公路隧道照明设计新理念》一文，对CIE 88—2004 中给出的入口段亮度计算公式进行了理论推导，并指出只要能得到入口段亮度最小值，即可通过人眼适应曲线的数学模型求得过渡段的亮度值，从而进行隧道照明设计。上述文章研究结果表明，察觉对比法更节能、更符合人眼的视觉特性。

在察觉对比法入口段亮度计算公式的相关参数研究上，重庆大学建筑光学团队针对不同款式的汽车实测了挡风玻璃亮度及透射比。潘贝贝《公路隧道照明察觉对比设计方法中的大气透射比取值初探》一文，在研究大气透射比τ 相关理论的基础上，通过室外实验实测，发现CIE 88—2004 推荐的1.0 大气透射比有失偏颇，并对大气透射比作了修正。

在入口段计算公式中还有一个参数即最小察觉对比Cm，要搞清楚察觉对比法，应该先了解清楚该参数的意义及最小察觉对比实验。依据CIE 61—1984 Tunnel entrance lighting:a survey of fundamentals for determing the luminance in the threshold zone 察觉对比度阈值即最小察觉对比是在某一亮度对比度情况下由观测者对目标的正确察觉率决定的。通常当察觉率为75%时，认为对应的亮度对比度为该条件下的观测者察觉阈值。殷颖《隧道入口段亮度计算方法研究》一文，以Schreuder 的隧道实验模型为基础，通过确定观察者距离、目标物尺寸、目标物呈现时间等，得到了正负对比和不同背景亮度下察觉率为75%时的察觉对比度。关于最小察觉对比度CIE 88—2004 中推荐的值为0.28。

2 对比显示系数

CIE 88—2004 给出了对比显示系数的定义qc=Lb/Ev，其中Lb为给定区域的路面亮度，Ev为小目标物面向行车方向的中点处的垂直照度。在CIE 189—2010 Calculation of tunnel lighting quality criteria中，除了将对比显示系数作为公路隧道照明质量的评价指标之一外，还给出了路面亮度与小目标物垂直照度的计算公式。

2.1 对比显示系数与最低亮度阈值的关系

隧道照明中察觉对比法的核心思想是入口段的照明能够保证目标的对比度不低于察觉对比，对比道路照明，在美国道路照明国家标准IESNA RP—8—00中颁布了小目标可见度的标准值。结合可见度的公式VL=ΔL0/ΔLs，经公式推导可建立最小察觉对比与小目标可见度之间的关系，如公式(3)所示。

通过上式可将小目标可见度VL、亮度对比C与最小察觉对比Cm之间建立关系。如公式(6)所示。

将可见度的概念运用到隧道照明中，尝试解决对比显示系数的问题。在欧盟隧道照明标准CR 14380—2003 Lighting applications-tunnel lighting 中的附录A4 部分，给出了最低亮度阈值(minimum luminance threshold)ΔLs与对比显示系数qc的关系式，如公式(7)所示。

经过变形之后可得到

在式(7)中，只要能够确定最低亮度阈值(minimum luminance threshold)ΔLs即可确定该种情况下的对比显示系数值。道路照明中关于最低亮度阈值ΔLs的研究已有很多。W·Adrian 在Visibility of targets:model for calculation 一文中，通过实验与分析给出了最低阈限亮度的原始公式，如公式(9)所示:

在《城区机动车道路照明可见度研究》与《机动车交通道路照明设计标准研究》两篇论文中，均对H·R·Blackwell 的“人眼阈限对比”实验进行了计算机模拟，结合道路照明的现实情况，得到了不同视角条件和正对比与负对比状态下，识别率为99.96%的最低亮度阈值公式。如依据《机动车交通道路照明设计标准研究》一文，当视角α=7.45＇时P=99.96%识别几率下阈限亮度ΔLs与背景亮度Lb之间的关系如公式(10)所示。

式中:Lb为目标物的背景亮度;n为实验方法调整系数，当Lb≥0.6 cd/m2，n=3.34;0.6 cd/m2＞Lb＞0.004 18 cd/m2，n=3.47。

但是上述研究方法主要运用于道路照明的实际情况下，在研究中并未将路面的反射情况考虑在内。而隧道内墙面、路面存在多次反射的情况，因此将最低阈限亮度置于隧道内考虑时，应将最低阈限亮度公式结合隧道内的反射增量系数进行修正，方可进一步的研究对比显示系数qc。

2.2 对比显示系数的影响因素

在《公路隧道照明对比显示系数探讨》一文中对基本照明与入口段照明下的对比显示系数实验作了研究，通过对福建省高速公路隧道的实测，得到了相关的路面亮度与垂直照度值，并由此得到了与之相对应的对比显示系数值，最终发现对比显示系数与隧道内光的相对分布有关。即对比显示系数与隧道照明方式、灯具间距、灯具挂高、光源功率、灯具配光、隧道内的反射增量系数有关。

隧道照明方式包括顺光照明、逆光照明与对称照明三种形式，不同照明方式下的对比显示系数取值不同，因此在研究三种不同照明方式时，可理解为是关于隧道内灯具安装转角的研究。在研究隧道内的反射增量系数时，除了要考虑不同界面(墙面、路面、顶棚)的反射比，还要考虑灯具光通在不同界面的分配情况，而灯具安装仰角的角度范围，就决定了光通在隧道内路面、墙面和顶棚上的分配情况。林勇《基于等效光幕亮度的隧道照明研究》一文通过研究发现在逆光照明时，灯具安装转角为530时，qc值最大。杨韬通过1 ∶10 隧道照明模型来研究反射增量系数，并得到了不同光通分配比下的隧道照明反射增量系数。该隧道模型对笔者的对比显示系数研究具有借鉴意义，但是，当建立1 ∶10 的隧道模型时，对应的光通量是否也应该按比例缩小为原来的十分之一，值得进一步探讨。

2.3 对比显示系数的计算机模拟与编程计算

现有的计算机模拟软件直接用于对比显示系数研究并不理想，以DIAlux4.11 为例，选用中间段进行模拟，此时选择的灯具为雷士照明高压钠灯NAV 150 W，墙面反射比为0.3，路面反射比为0.14，顶棚反射比为0.05，经模拟后得到的数据如图1 所示。将路面反射比改为0.3，得到的数据如图2 所示。从图1 和图2 中发现当改变界面的反射比之后模拟结果几乎相同。在全面了解DIAlux 软件与以DIAlux 软件为基础进行模拟的相关文章之后发现，当反射比改变不大时，模拟结果几乎没有变化，当界面反射比改变幅度较大时，模拟结果的变化也不大，因此可以发现该模拟软件并没有完全考虑反射增量系数的影响。同时，DIAlux 模拟，无法求得小目标物垂直面中点处的照度值。

图1 对比显示系数计算机模拟数值(路面反射比为0.14)

图2 对比显示系数计算机模拟数值(路面反射比为0.3)

由此，考虑通过计算机编程来研究对比显示系数。依据《基于等效光幕亮度的隧道照明研究》，调用通过编程得到的对比显示系数qc计算软件(如图3 所示)。当知道隧道的截面尺寸之后，就可以通过改变灯具的间距、挂高、反射增量系数、灯具安装转角、灯具安装仰角、光通量、光源功率和灯具配光曲线，计算不同段的最佳对比显示系数，当对比显示系数值一定，其灯具布置方式等也就能相应确定。