隧道智慧照明发展新方向研究

彭 力，翁 季，杜 峰，龚曲艺，谭玲冲

(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)



隧道智慧照明发展新方向研究

彭 力，翁 季，杜 峰，龚曲艺，谭玲冲

(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)

公路隧道智慧照明是信息时代发展的必然产物，也是智慧城市的重要组成部分。 文章重点讨论了人眼在隧道环境中的视觉适应特性和隧道智慧照明发展中研究的几个新方向，为解决隧道智慧照明遇到的瓶颈和障碍提供了切实可行的手段和方法。对于现今的公路隧道照明，并不能同时满足行车安全、舒适、节能和易于管理的综合性要求，因此，发展隧道智慧照明将是未来公路隧道照明设计的新方向。

隧道照明；智慧照明；视觉适应曲线；动态调光

0 引 言

智慧化是继电气化、信息化后，世界科技革命发展的必然。利用智慧技术，发展智慧城市，是城市化发展的趋势。智慧城市是在互联网的基础上，利用信息通讯、感测等技术解决智能感测、通讯、计算、分析、判断、调控等系统运行的各种关键技术，建成城市发展的智慧环境，构建面向未来的全新城市形态。智慧城市要求照明是智慧照明，而智慧照明就是物联网灯具和照明光环境智慧模式组成的大系统。利用智慧城市研究成果，开展城市交通智慧照明研究，是当今国际上道路照明发展的趋势和特征。

目前，国内外对于公路隧道智慧照明的研究主要集中于智能控制系统方面，忽略了对感测内容和光环境模式的研究。在关于感测内容和光环境模式的研究中，最为重要的是关于人眼视觉曲线的研究。国际照明委员会(以下简称CIE)及各国对过渡段的照明设计是以CIE推荐的适应曲线为基础，在传统隧道照明电光源技术条件下进行亮度分段设计。这样的设计导致了亮度呈现阶梯型变化，不利于行车的舒适性和安全性，也不能很好地消除黑洞现象和解决视觉适应滞后现象。采用以LED隧道灯为基本灯具的隧道智慧照明系统具备无极调光的优势，可以实现隧道内各照明段的亮度变化随人眼适应曲线平滑过渡，充分满足驾驶员视觉适应需求，提高驾驶舒适性，同时也降低隧道照明能耗，提高隧道照明的舒适度。

1 隧道照明条件下的视觉适应特性

由人、车、隧道和环境三个基本要素组成的道路交通系统中，三个要素相互协调，道路交通系统是稳定且安全的。但某个要素和几个要素发生变化且超过了一定的限度，将会破坏道路交通系统的稳定性，造成交通安全隐患。人的眼睛既能适应高照度环境，如晴天正午，高达数万甚至十万勒克斯的照度值，也能适应低照度环境，如夜晚星空，低至接近于0勒克斯的照度值。但是人的眼睛在同一时间内，只能适应最高照度与最低照度比值小于1 000的照明环境。人眼视觉适应过程分为明适应过程和暗适应过程，明适应过程即为人的眼睛对于光的感受性下降的现象。人从暗处到亮处，尤其在强光下，刚进入到亮环境时，最初仅能感受到耀眼的光亮，基本看不清楚外界事物，数秒钟之后视觉才逐渐恢复。明适应过程相对于暗适应过程速度较快，整个过程需要一分钟左右完成。当人从暗环境进入明亮的环境，人眼会感受到耀眼，主要是在暗处合成的视紫红质进入亮处后迅速的分解，只有当较多的视紫红素分解之后，视锥细胞色素才能在亮处感光。暗适应过程则是人从亮处进入暗处，初始阶段视觉感受性很低，然后人的眼睛对光的敏感度逐渐增加到最大限度，视力逐渐恢复的过程。

隧道入口段的照明参数是隧道各照明段控制的决定因素，在传统隧道照明电光源技术条件的限制下，CIE 于1990 年推荐了CIE 88—1990《公路隧道和地下通道照明指南》，建议了用入口段亮度折减系数(即K 值法)计算隧道入口段亮度，CIE于2004年推出了CIE 88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》，正式提出了基于等效光幕亮度的察觉对比法来计算出公路隧道入口段的路面亮度值。欧盟于2003年颁布的R14380—2003《欧盟隧道照明标准C》中给出了4种确定隧道入口段亮度的方法，其中的L20法指出以CIE的计算方法来计算隧道入口段和过渡段的长度和亮度参数；英国于2003年颁布的BS5489—2:2003+A1:2008《英国隧道照明设计规范》采纳了CIE的计算方法来计算隧道入口段和过渡段的长度和亮度参数；日本于1990年颁布的JIS Z 9116—1990 R2006《日本隧道照明标准》未采纳CIE的计算方法，而将入口段分为了三部分：分界段、过渡段和缓和段，采用的三段折线，避免了曲线计算的难度，并明确给出了距离隧道口不同距离处的亮度值；我国新颁布的JTG/T D70—2014《公路隧道照明设计细则》借鉴CIE及各国的研究成果，考虑车流量及行车速度的因素，通过推荐的洞外亮度确定入口段照明参数。在隧道智慧照明中对人眼视觉适应情况进行研究，目的有两个:其一是白昼接近和进入隧道时，消除黑洞现象，使隧道入口处的路面亮度达到合理的水平。但目前仅考虑亮度大小的影响，没有涉及光色的作用。如果能从实验中获得进入隧道时对障碍的反应时间与相对应的路面亮度的关系，确定入口区前半部分的划分、长度和亮度标准等，就能在适宜的色温和亮度下，确保发现障碍物，并达到科学节能的目的；其二是消除视觉适应滞后现象。进行人眼的适应研究，绘制出人眼视觉适应曲线，同时考虑亮度和光色变化时人眼的适应时间极限。

2 隧道智慧照明中关于动态调光的研究

以国内外的公路隧道照明应用情况来看，从智慧照明理论层面上进行研究，明确隧道智慧照明的研究内容和研究方法十分必要。通过建构公路隧道智慧照明系统，设置不同的公路隧道智慧照明模式，赋予该照明系统“智慧”，这就要求该系统能根据感知信息实现动态调光，减少公路隧道“无效照明”和“过度照明”，而动态调光的理论基础就是对人眼视觉曲线进行研究。隧道照明的安全性和节能性之间存在着此消彼长的矛盾，如何解决这个矛盾便成为照明节能和交通安全的共同目标。昼间从隧道内部到出口的过程中，由于外界自然光的影响，距离出口越近，隧道环境照度会越高，实验采集不同隧道纵深对应的环境照度，并根据数据散点图进行回归分析，可得到照度值与隧道出口距离值之间的关系，如图1所示。同理，可得到照度值与隧道入口距离值之间的关系，如图2所示。

图1 照度值与隧道出口距离的关系

图2 照度值与隧道入口距离的关系

利用动态调光，就是将隧道内的人眼视觉适应曲线关系与照度值和隧道出入口的距离关系结合起来，从而影响驾驶员瞳孔面积的改变。瞳孔面积变化速度过大，超出驾驶人视觉适应能力范围时，驾驶人瞳孔将难于准确聚焦，视网膜成像困难，从而产生严重的视觉障碍，甚至出现不能分辨道路环境的情况，严重时导致行车事故。

3 隧道智慧照明发展方向及存在的问题

隧道光源的发展方向是高效节能。目前应用于公路隧道的光源主要为荧光灯、高压钠灯和LED。LED与传统照明光源相比，具有寿命长，光色丰富，亮度和色温范围易于控制，灯具效率高，显色性高等优点。利用LED灯具易于调节亮度和色温的优势，是实现隧道智慧照明的基础。

采用智能控制方式和无极调光控制法是实现隧道智慧照明的重要途径。目前国内外对公路隧道智慧照明的研究主要集中于智能控制系统运行方面的研究，但是对于控制的内容，即针对外部不同环境变化对应的多种智慧子模式及其相应的光环境参数的研究还有待深入。

纵观各国及 CIE 的隧道照明设计规范，在公路隧道智慧照明光环境的层面，研究还存在如下问题:

1)隧道过渡段采用亮度突变阶梯形折线适合大功率气体放电灯的功率特点，但亮度突变已超过了人眼能觉察的不均匀亮度比范围，不利于行车的舒适性

和安全性，不能很好地解决黑洞现象和视觉适应滞后现象。

2)现行的国内外隧道各段照明标准值确定的理论基础—CIE适应方程未考虑色温影响，即没有考虑光色对驾驶员的适应影响，这不符合光色丰富的LED灯目前在室外照明中迅速推广的发展趋势。

3)目前公路隧道照明的控制由于受光源特性以及控制系统的局限,控制效果过于粗放，隧道内的照明参数、感测系统及控制理论没有有机地结合成一个整体的系统。

综上所述，建构公路隧道智慧照明系统，解决上述研究中存在的问题，设置不同的公路隧道智慧照明模式，不仅能根据感知信息实现动态调光，减少隧道“无效照明”和“过度照明”，而且要达到隧道运营安全、驾驶舒适和节能降耗的目的。

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Research on the New Direction of the Development of Intelligent Lighting in Tunnel

PENG Li, WENG Ji, DU Feng, GONG Quyi, TANG Lingchong

(KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainArea,
FacultyofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400050,P.R.China)

Highway tunnel lighting wisdom is necessary in information era, and is also an important part of urban wisdom.This paper focuses on the development in the tunnel lighting wisdom in the study of several new direction, to solve the bottleneck during the tunnel lighting wisdom and provides a feasible means and methods.Today highway tunnel lighting can not at the same time in safety, comfort, energy saving, and easy to manage comprehensive requirements.Therefore, tunnel lighting wisdom will be the direction of the highway tunnel lighting design in the future.

road tunnel illumination; smart illumination; visual adaptation curve; dynamic lighting

2016-05-10 作者简介：彭力(1988—)，男，重庆大学建筑城规学院博士生，主要从事建筑光环境研究。

照明研究