公路隧道照明的数值计算方法及设计程序开发

李伟平，邱兴友，崔优凯，郑国平

(1.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006; 2.浙江乐清湾大桥及接线工程建设指挥部，浙江 台州 318000; 3.浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

引言

隧道照明系统担负着保证交通安全和满足隧道行车视觉舒适的重任。对于长度大于200 m的高速公路及一级公路隧道通常需要设置电光照明[1]。荷兰研究机构曾对四座典型隧道的能耗进行过调查，尽管照明系统的安装功率仅占总安装功率的14%，但其实际能耗却占隧道总能耗的53%[2]。欧洲其他国家的调研结果也类似[3]。在确保安全的前提下，降低照明系统能耗是推进交通设施低碳化的关键。

目前，在隧道照明节能领域开展的研究工作主要包括：通过测试提高洞口亮度基准值的合理性[4]、推广采用LED等高效光源的灯具[5]、优化灯具布置方式[6]、采用智能化控制系统[7]、隧道侧墙采用反射率较高的反光蓄能涂料[8]等。另一方面，定量化分析是提高照明设计精细化水平的基础，而目前尚缺乏简单实用的计算分析软件。

本文拟基于IESNA LM-63标准的灯具配光数据文件，介绍隧道照明分析程序的开发，以提高设计效率，免除手工运算的强度和差错，便于进行各种模拟计算分析，通过调整各种照明设计参数以达到优化设计的目的，使工程设计经济合理。

1 隧道照明的数值计算方法

隧道照明定量化计算包括照度计算、亮度计算及均匀度计算。

1)照度计算方法。照度计算常用两种计算方法，即利用光强表的数值计算方法和利用系数曲线图的计算方法。前者的精度高，因此我们采用该方法进一步阐述。

对于基本段可以将两盏灯具之间的长度范围及路面宽度作为计算区域，在其他段落，可以按灯具间距的整数倍长度(通常取6～12 m)及路面宽度作为计算区域。在计算区域内按照一定的纵、横间距确定若干计算点，其中纵向计算点间距不宜大于1.0 m，横向计算点应不少于5个。某一灯具在洞内路面计算点产生的水平照度可按式(1)计算：

(1)

式中Epi为灯具在洞内路面计算点P产生的水平照度；γ为P点对应的灯具光线入射角(图1)；Icγ为灯具在计算点P的光强值，按灯具光强表(I表)取值，详见下章介绍；M为灯具的养护系数，通常取0.6～0.7；φ为灯具额定光通量；H为灯具光源中心至路面的高度。

图1 亮度计算示意图Fig.1 Luminance calculation

为了获得更好的照明均匀度，通常需要将侧排灯绕隧道轴线(图2中X轴)旋转一定角度θ。当采用逆光或顺光照明时，尚需要将灯具绕横向(图2中Y轴)旋转一定角度ζ。此时，灯具光轴线与路面的交点O并不位于灯具垂直下方(见图1)，其坐标由式(2)求得，进而根据几何关系可以确定各辅助线的长度，并求得灯具光线入射角γ为：

(2)

(3)

图2 灯具光线入射角γ换算示意图Fig.2 Caculation of the light inputting angle γ

计算时需要考虑计算区域两侧灯具对计算点照度的贡献值，即需要分别计算这些灯具对该计算点的照度后再求和。这个范围可称之为“照明计算影响范围”，通常取计算区域两侧各1倍计算区域长度范围。路面平均水平照度则为所有计算点的水平照度累计值与计算点数量的比值。

2)亮度计算方法。照明计算影响范围内的某灯具在路面计算点产生的亮度可按式(3)计算：

(3)

式中：LPi为灯具i在计算点P产生的亮度(cd/m2)；β为观察面与光入射面之间的角度(图1)；r(β，γ)为简化亮度系数，按β角及tanγ值从《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014)(以下简称《细则》)中的路面简化亮度系数表中取值。照明计算影响范围内数个灯具在计算点产生的亮度计算方法以及平均亮度计算方法与照度计算类似。

3)均匀度计算。路面亮度总均匀度可按式(4)计算：

(4)

式中U0为路面亮度总均匀度；Lmin、Lav分别为计算区域内路面最小亮度和平均亮度。

路面中线亮度纵向均匀度可按式(5)计算：

(5)

2 IESNA标准配光数据文件格式及读取

2.1 常用的配光数据文件格式标准

照度和亮度计算过程中都涉及到灯具光强表，也称为灯具配光数据文件。目前常用的配光数据文件有：IESNA LM-63标准、CIBSE TM-14标准、EULUMDAT标准以及CIE 102标准等。其中IESNA LM-63标准配光数据文件在世界范围内应用广泛，而且我国部分照明厂家及检测机构均支持。因此，采用IESNA LM-63标准配光数据文件作为隧道照明分析程序的灯具光强分布表输入文件。

2.2 IESNA LM-63标准配光数据文件

IESNA LM-63标准配光数据文件采用ASCII文本文件，在读取之前需要了解其数据组成如下：

1)第一行为数据文件的版本标识，如2002版的标识行为：IESNA LM-63—2002。

2)从第二行开始直到“[TILT]=”行之间，是关键词部分，每个关键词都加上方括号“[]”，如表1所示。

表1 配光数据文件中的关键词Table 1 The key words in the light distribution data file

3)光源倾斜引起的灯具光强输出变化类型：

TILT =NONE| INCLUDE| filename

其中NONE表示灯具光强输出无变化。INCLUDE表示可以通过下面四行参数来定义灯具光强输出变化(表2)。Filename表示通过指定一个外部数据文件来定义灯具光强输出变化。

表2 光强输出变化类型Table 2 Type of intensity outputting

4)灯具光学参数如表3所示：

5)配光数据即光强表：

[垂直角度数列]

[水平角度数列]

[所有第一行水平角度的光强值数列]

[所有第二行水平角度的光强值数列]

……

[所有最后一行水平角度的光强值数列]

对于C 类灯具，垂直角度必须从0°或90°开始，90°或180°结束，水平角度总是以0°开始，根据灯具的对称情况，可以0°、90°、180°、360°等四种角度结束，各结束角度的情况分别代表灯具全部对称、四象限对称、两象限对称和不对称。

表3 灯具光学参数Table 3 Optical parameters

2.3 IESNA LM-63配光数据文件的读取

采用Visual Basic中的Line Input #nFile语句逐行读入；对于那些以空格分隔的、由若干数值组成的数列行，需要通过一定的编程技巧进行分离，然后把数据逐个赋值给光强表数组变量。

光强表数组可以用于照明分析，也可以用于查看配光曲线，如图3所示。

图3 从IES文件读出并绘制的配光曲线Fig.3 Light distribution by IES file

需要注意的是，我国关于隧道配光检测的标准《道路照明灯具光度测试》(GB 94682—1988)是参照CIE相关标准编制的，C0平面是顺着行车方向的；而IESNA规定的C0平面是垂直于行车方向的，两个标准间存在90°的差异。因为照度计算软件一般都按照灯臂的方向(IESNA的C0-C180方向)调整路灯的倾斜角度，由于这90°差异，按照GB检测的路灯在软件中就无法准确调整倾斜角度。

3 隧道照明辅助设计程序开发

照明分析设计大量的为了提高设计效率，免除手工运算的强度和差错，便于进行各种模拟计算分析，达到优化设计的目的，采用面向对象和模块化编程的方法，开发了隧道照明辅助设计程序，具体包括以下几个模块：

1)区段亮度及长度计算模块。该模块用于隧道各照明段亮度与长度的计算，实现按照交通量分级分析，并考虑白天四级调光(晴天、云天、阴天、重阴)以及夜间两级调光(交通量较大、交通量较小)。

对于单向交通隧道，隧道照明段按行车方向划分洞外接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段；对于双向交通隧道，《细则》并没用说明如何划分照明段，程序参照单向交通隧道，将隧道照明段划分洞外接近段、入口段、过渡段、中间段、过渡段、入口段、洞外接近段。根据隧道长度的不同，智能调整区段划分。

2)灯具回路及计算参数设置模块。为了实现经济性和可控性，隧道照明系统往往设置多个灯具控制回路，以适应不同的交通量、洞外亮度工况。灯具回路的定义包括灯具型号、安装方式、转角、起始安装侧、安装起讫里程范围等。

图4 照明计算对话框Fig.4 The result display of lighting calculation

对于布灯方式，可以考虑沿隧道纵向的单排布置和双排布置等多种形式。在双排布置的情况下，既可对称布置，也可交错布置。

对于两侧布置的灯具，可以设置绕隧道轴线的转角；对于中线布置的灯具，可以定义逆光或顺光照明，即将光束集中朝汽车前进方向投向路面，从而提高目标的背景亮度，使前进方向车辆或目标更容易辨认。

程序还可以分别定义各个区段的灯具回路参数，也就说，同一个回路在不同的照明区段内其参数可以是不一样的，这样就提供了最大程度的灵活性。

3)各区段照明计算模块。本模块的主要功能是验算各个工况下的照明设计指标是否达到规范要求的行车安全最小要求，其流程为：设置照明控制方案(各个天气条件和交通量条件下对应的回路开关方案)→选择计算区段→计算。

照明计算的内容包括最小照度Emin、最大照度Emax、平均照度Eav、最小亮度Lmin、最大亮度Lmax、平均亮度Lav、总均匀度Uo、纵向均匀度Ul。

如果各个工况下的各项指标均符合规范要求，那么说明照明回路定义的各项设计参数是合理的，否则应该进行调整。

4)结果输出和绘图模块(图4)。包括图形和文字两种形式。AutoCAD具有强大的绘图功能，并为编程语言提供了二次开发接口。VB通过引用AutoCAD类型库，可以在AutoCAD文档中实现各种绘图功能。图形形式的输出结果包括两个内容，一是道路灯具平面布置图，二是计算区域逐点亮度、照度计算结果图，通过都是输出到AutoCAD 的标准dwg 文件。文字形式主要是输出rtf 格式的计算报告，用户可以用Word 等文字处理软件打开、查看、编辑。

4 结语

我们介绍了隧道照明的数值计算方法，包括照度、亮度及均匀度计算。当侧排灯与隧道轴线有夹角，以及采用逆光或顺光照明时，应根据几何关系修正灯具光线入射角γ的计算。照明计算离不开灯具配光数据文件，IESNA LM-63标准的配光数据文件格式通用性强，且采用ASCII码编写，程序读取方便，可以作为照明分析程序的推荐格式。

隧道照明设计程序包括了区段亮度及长度计算、灯具回路及计算参数设置、各区段照明计算、结果输出和绘图等四个模块。其中各区段照明计算模块是程序的核心模块，提高了照明设计的精细化水平；结果输出和绘图模块则直接提高了设计的效率。

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