基于可见度水平的侧壁材料辅助隧道逆光照明效果分析

2018-10-19陈凯喻海军汪滔

山东交通学院学报 2018年3期

陈凯，喻海军，汪滔

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆航天职业技术学院，重庆 400021)

公路建设的日益发展使得公路隧道的数量和里程迅猛增加。截至2017年末，全国公路隧道为16 229处，长1 528.51万m[1]。文献[2]中规定长度大于200 m的高速公路隧道和一级公路隧道均需设置照明，以保证隧道内良好的行车视看环境。重庆每年的公路隧道照明费用约为40万元/km，按此推算每年全国的公路隧道照明费用高达13亿元[3-4]。在国家发改委发布的《节能中、长期专项规划》中明确提出交通运输及绿色照明工程是节能的重点。如何在节能降耗的同时，保证隧道内的照明质量是隧道照明领域研究的关键。

改变布灯形式和灯具的设计参数是提高隧道照明质量最简单直接的措施。目前国内隧道照明的主要布灯方式有中央布灯和两侧布灯等，其中对新兴的隧道逆光照明研究相对较少。逆光照明能够改变隧道照明灯具的配光形式，提高障碍物和路面的对比度，从而保证路面的可见度水平[5-6]。但目前对逆光照明的研究主要是通过软件模拟，模型试验和工程应用都较少[7-8]。现行隧道照明设计规范采用亮度、均匀度等物理性评价指标评价隧道的照明质量[2]，并没有考虑驾驶员在隧道内行驶过程中的人-车-隧道耦合作用的动态环境。随着对隧道照明下人眼视觉特性研究的深入，越来越多的研究者采用小目标可见度来评价隧道照明质量[9-12]。但早在1938年Waldram就提出不能简单地将路面的显示能力取平均值，否则较高值会掩盖较低的值[13]。小目标可见度即是可见度水平的加权平均值，也会夸大某些测点处的可见度水平，从而带来潜在的安全隐患[14]。本文利用隧道模型装置，以可见度水平为评价指标，研究逆光照明条件下隧道内的照明质量，以期为隧道逆光照明的设计和评价提供参考。

1 逆光照明和可见度水平

1.1 逆光照明

逆光照明是通过改变隧道照明灯具的配光角度，将光线集中投向交通流行进的反方向，提高障碍物的背景亮度，达到提高障碍物和路面对比度的目的，具有保证路面可见度水平、降低照明功耗的优点。

1.2 可见度水平

可见度水平是用来评价物体被看见的容易程度的指标。可见度水平越高，障碍物越容易被发现，对行车安全越有利。可见度水平计算式[15]为：

VL=ΔL/ΔL0，

(1)

式中：ΔL为目标亮度和背景亮度的差，ΔL=Lt-Lb，其中Lt为目标亮度，Lb为背景亮度，Lb=(Lb1+Lb2)/2，其中Lb1、Lb2分别为小目标板上下边界处的路面亮度；ΔL0为目标刚好被看见时的亮度差阈值。

ΔL0的计算十分复杂，与目标物的对比度、人眼的适应水平等多个因素有关，同时还需要对观察者的年龄、目标的正负对比度等参数进行修正。其最终修正模型[16]为：

(2)

式中：k为阈值亮度差的统计数据；L、φ为与背景亮度Lb有关的经验公式计算值；a为被观察正方体的边长；Fcp为正对比阈值亮度差和负对比阈值亮度差之间的比例系数；f(Lb,a)为物体尺寸和背景亮度水平的函数；t为阈值亮度差下人的观测时间；AF为年龄修正系数。

可见度水平绝对值越大，驾驶员的视看条件越好。因此可见度水平是综合了物理亮度和驾驶员状态的综合指标，能够很好地评价隧道照明质量。

2 试验及数据分析

2.1 试验装置

相似原理是模型试验的基础。结构模型中的“相似”主要是指原型结构和模型结构的主要物理量相同或成比例。相似量包括荷载相似、几何相似、边界初始条件相似和现象相似等[17-18]。由于隧道照明模型试验研究对象主要是光环境，因此在该模型试验中的相似量为灯具光通量、隧道几何尺寸、表面反射率、路面亮度。灯具的相关参数如表1所示。

表1 灯具参数

图1 隧道照明模型试验装置

基于相似原理，自主研制了比例为1：10的两车道隧道照明试验模型装置，模型宽0.85 m，高0.9 m。隧道侧壁采用可以更换的活动装置。隧道照明灯具采用小型调光调色温的LED灯，可实现灯具光通量和色温的调节，其光谱分布与实际隧道照明LED灯具一致。隧道模型布灯构件可以根据需要改变光源间距、角度和高度，以满足不同的照明工况需求。隧道照明模型试验装置如图1所示。

2.2 试验目的

利用室内隧道照明质量评价装置，以可见度水平为评价指标，研究不同隧道侧壁材料和逆光照明布灯间距对隧道照明质量的影响规律。

2.3 试验设计

按照1：10的几何比例布置照明灯具的间距。模型拱顶涂刷隧道专用的防火涂料，路面表面为水泥砂浆，保证内表面的反射率与实际隧道相同。模拟实体隧道内的光学环境，调节灯具的光通量大小，采用Radiant成像式亮度计测量隧道模型内路面的亮度，保证其处于中间视觉亮度范围内，并与实际运营隧道的亮度大小基本一致，充分模拟实际隧道的照明情况。

图2 布灯间距9 m时隧道可见度测点布置

已有研究表明：当逆光角度为30°时能够产生最好的照明效果[19-20]。本次试验设计隧道中央逆光角度为30°,隧道侧壁分别采用瓷砖和高漫反射材料，分析布灯间距分别为9、10、11、12 m时对隧道逆光照明效果的影响。

2.4 测点布置

试验测量布置参考《IESNA-RP-8—2000》[21]的布点方式，如图2所示，行车道按照可见度的计算要求均匀布置5条测线C1～C5，黑点表示测点位置，x1～x8为第1～8排测点，纵向测点间距为10 cm，因此实际中每增加1 m布灯间距需在图2中增加一排测点(图中单位为cm)。

2.5 测试方法

按照《IESNA-RP-8—2000》标准测量方法和试验模型，亮度计距离第一排测点8.3 m，架高比隧道路面高14.5 cm，视角为1°。待参数调整完毕后，设置隧道侧壁材料为瓷砖(漫反射率为0.5)，按设计工况和相似比设置布灯间距为90 cm(模拟实际布灯间距9 m)，在每排测量点上放置1.8 cm×1.8 cm、漫反射率为0.5的小目标板，采用Radiant成像式亮度计测量小目标板中心亮度Lt及小目标板上下边界的路面亮度Lb1和Lb2，并通过Lb=(Lb1+Lb2)/2计算得到小目标板的背景亮度，如图3所示。每一排测点的亮度数据测量完毕后，改变布灯间距分别为100、110、120 cm(分别模拟实际布灯间距10、11、12 m)再重复测量。待瓷砖侧壁材料下的亮度测量完毕之后，更换侧壁材料为高漫反射率材料(漫反射率为0.83)，按照同样方法进行测量，直至完成实际布灯间距为9、10、11、12 m时各个测点的亮度测量。

图3 测量方法示意图

2.6 试验数据处理及分析

测量得到每一种工况下的Lt和Lb及ΔL，并通过式 (2)对观察者的年龄、目标的负对比等参数进行修正，计算ΔL0，再由式(1)计算得到VL的绝对值，整理得到各测线的可见度水平变化规律。

1)侧壁材料为瓷砖时的可见度水平

瓷砖侧壁材料各测线的可见度水平变化规律见图4。其中横坐标“测点位置”表示测点从第一盏灯开始所在的排数，纵坐标即为逆光照明下可见度水平的绝对值。

a)测线1 b)测线2 c)测线3

d)测线4 e)测线5图4 侧壁材料为瓷砖时各测线测点的可见度水平变化

由图4可以看出：

图5 灯具交叠范围示意图

①每一条测线上测点的可见度水平变化规律一致。随着测点纵向位置的变化，可见度水平呈现先减小后增大的趋势，每一条测线上的第3排即x3排(距第一盏灯具的水平距离为3 m处)测点可见度水平最低。这是因为：逆光照明下，小目标板比背景的亮度低，表现为负对比。在相同情况下，负对比越大，小目标板的可见度越高。由于照明光线在两灯具之间存在照明重叠区域，如图5所示。该区域会提高小目标板的正面亮度，从而降低了小目标板和背景的对比度，使可见度水平最低，因此减小照明光线之间的重叠区域有利于提高可见度水平。

②布灯间距不同时，每一条测线上第一排和最后一排测点的可见度水平基本一样，证明在灯具正下方附近的小目标板可见度水平受相邻照明灯具的影响很小，其可见度水平主要受正上方的灯具影响。

③从测线1～5上测点的可见度水平变化曲线可以看出，随着布灯间距的增大，各测线上测点的可见度水平先增大后减小。当实际布灯间距为11 m时，各测线上测点的可见度水平最高，因此试图通过减小布灯间距来提高隧道内的照明质量是不可取的。在一定的布灯间距范围内，适当增大布灯间距不仅能够提高隧道内的可见度水平，还能减少灯具数量，降低照明功耗，实现隧道的节能照明。

④测线上的可见度水平沿道路中线，在横向上大致左右对称，但纵向变化趋势不一致。位于隧道两侧的测线1、5，其测点在纵向上的可见度水平变化幅度最大，位于灯具轴线正下方的测线3测点的可见度水平变化幅度最小。证明在侧壁材料为瓷砖时，隧道中央的可见度水平较一致。在行车过程中，道路中央的视看条件更好，有利于驾驶员发现正前方的交通情况。道路两侧可见度水平波动范围大，视看条件相对较差，驾驶员不易发现道路两侧的障碍物，给行车带来潜在的安全隐患。因此提高实际运营隧道两侧的照明质量，能起到弥补照明质量“木桶效应”的作用，有利于提高隧道内整体的可见度水平。

2)侧壁采用高漫反射率材料时的可见度水平

采用高漫反射率侧壁材料时各测线的可见度水平变化规律如图6所示。

由图6可以看出：隧道路面的可见度水平和瓷砖侧壁一样，在第3排测点的可见度水平最低。随着布灯间距的增加，可见度水平先增加后减少，布灯间距为11 m时可见度水平最高，说明布灯间距不是越小越好。因此在实际隧道照明设计中，布灯间距为11 m时，隧道内的照明质量最好。

a)测线1 b)测线2 c)测线3

d)测线4 e)测线5图6 侧壁采用高漫反射率材料时各测线测点的可见度水平变化

比较瓷砖侧壁和高漫反射率材料侧壁的可见度水平变化规律可以发现，侧壁为高漫反射率材料时，路面的可见度水平变化趋势比瓷砖更平缓。究其原因，高漫反射率材料比瓷砖的漫反射率高，能够将入射到隧道侧壁的光通量更多地漫反射回隧道路面，提高了隧道内的背景亮度和纵向均匀度，从而使可见度水平在纵向上的变化更平缓。因此在隧道内环境设计时，选用高漫反射率的漫反射性侧壁材料能够改善隧道内的照明环境，提高隧道内的行车安全性，对营造良好的行车环境具有重要的意义。