基于DIALux的公路隧道入口段侧壁反光材料布设方法研究

2019-05-14魏清华厉彦军何世永

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年5期

梁波，魏清华，厉彦军，何世永

(1. 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2. 重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆 400074； 3. 重庆市交通规划勘察设计院，重庆 401121； 4. 中铁建设投资集团有限公司，北京 100040)

0 引言

截止2017年底，全国公路隧道共计16 229处、1 528.51×104m，较去年增加1 048处、124.54×104m，其中特长隧道902处、401.32×104m，长隧道3 841处、659.93×104m[1]。其中，2017年公路隧道增长率为8.87%，远远高于全国的公路增长率1.64%。由于公路隧道洞内外巨大的亮度差异，在公路隧道入口段必须设置加强照明，公路隧道照明设计细则规定[2]：长度大于200 m的高速公路隧道、一级公路隧道应设置照明，这导致公路隧道入口段照明能耗在整个隧道照明能耗的比重较大。另外当驾驶员驾车快速通过公路隧道时，公路隧道入口段，因洞内外亮度剧变，在公路隧道入口段因驾驶员适应滞后极易引发交通事故。研究表明[3]：入口段事故率约占总事故率的58%。因此，有必要开展公路隧道入口段照明安全和节能的研究。

公路隧道入口段照明受洞外环境影响较大，不同的天气情况、洞口朝向以及洞外环境组成均对洞外亮度产生较大的影响。目前，一方面研究主要通过降低公路隧道洞外亮度值来缓和驾驶员驾车经过公路隧道时的“白洞效应”和“黑洞效应”。如M.GIL-MART[4]指出，在公路隧道洞口建造一段由半透明张力结构，可达到通过降低洞外亮度来缓和亮度过渡曲线的效果。类似还有采用混凝土遮光棚[5]或在公路隧道入口段种植常春藤[7]的方法，降低洞口一倍停车视距处的洞外亮度，以及采用光导管将自然光引入公路隧道入口段来加强电气照明效果[6]。

另一方面，可通过提高洞内照明质量，达到降低驾驶员驾车经过公路隧道时的“黑洞效应”[8]，如杨韬等[9]以隧道照明反射增量系数为研究对象，通过分析比较指出，考虑隧道内表面对光线的反射可以提高路面照明质量，L. MORETTI等[10]结合沥青混凝土和水泥混凝土路面在隧道内应用的技术和经济指标分析，指出水泥混凝土路面能明显改善隧道内照明环境亮度，并具有一定的经济社会效益。同时，K. KIRCHER等[11]基于多重负荷下驾驶功效实验，指出公路隧道侧壁采用浅色材料有助于提升驾驶员视觉注意力。何世永等[12-14]结合驾驶员在不同侧壁涂料下的眼动参数变化规律和视觉功效响应规律，指出公路隧道洞口侧壁采用漫反射较高的侧壁材料有助于缓解亮度骤降引起的“视觉震荡”现象。上述研究表明，通过降低洞外亮度和提升洞内照明亮度有助于交通安全和节能，但目前对于洞内环境受洞外影响的研究相对较少。

因此，笔者基于DIALux仿真计算软件，模拟不同天空类型和布灯方式时的洞口照明环境，研究反光材料在隧道入口段的不同布设对照明质量的影响，从而促进公路隧道照明的安全和节能。

1 公路隧道照明仿真实验方法

1.1 实验方案

笔者主要研究反光材料在隧道入口段的不同布设对照明质量的影响，根据隧道侧壁反射原理和入口段自然光与灯具共同作用下的综合照明情况，采用洞口照明仿真分析的方法，分析反光材料的反射率、布设高度以及布灯方式等对隧道节能照明的影响，对比反光材料入口段不同的布设工况下的照明环境和质量，确定最优布设方式。

研究中将灯具型号、布灯高度、安装角度、洞门形式等参数固定，只考虑布灯方式、天空类型、反射率和布设高度等对照明的主要影响因素，并以路面平均照度、照度均匀度和照明功效作为核心指标[2，15,16]。

1.2 基于DIALux的公路隧道照明仿真

为研究反光材料在入口段的布设方式对照明节能的影响，建立长200 m、断面宽8 m、高6.75 m的两车道隧道模型。笔者将隧道两侧洞口30 m长的路面设置为测量区域[17,18]，对此段路面不同工况下的照明进行计算和统计，仿真模型断面如图1。

图1 模型横断面

基于国际照明协会(CIE) S 011/E: 2003推荐的天空类型[19]，根据地理位置、日期和时间对应的太阳高度、太阳方位角以及天空点方位角确定当时天空的亮度，结合天空云量和气候，对自然光进行准确模拟。

笔者选用上海亚明生产的色温4 500 K、功率160 W的隧道用LED灯进行了隧道入口段照明，并应用DIALux软件，对选用灯具进行模拟。灯具外观和光源灯具光强分布曲线如图2。

图2 灯具外观和光强分布曲线

通过相应的定义场景尺寸和各种环境，在模型中对已选用的灯具进行安装配置，以模拟公路隧道洞口照明环境，从而实现不同天空类型(晴天、阴天和混合天空)与照明灯具以及隧道内壁反射共同作用的隧道洞口三维仿真。

1.3 综合照明作用下的隧道照明实验工况

经对隧道顶棚、路面、不同内饰材料表面反射率进行调研，结合本研究的主要内容，反光材料的反射率分别取0.75、0.80和0.85。为提高与反光材料的对比效果，认为没有布设反光材料的侧壁和拱顶部喷涂了反射率为0.1的深灰色防火涂料，隧道路面采用沥青路面，反射率取0.2。

表1 隧道内各表面反射率

结合笔者的研究内容与隧道实际情况，拟定三维仿真在路面两侧2、2.5、3、3.5 m高范围内布设反光材料。拟采用隧道常用的两种布灯方式-双侧交错布灯和中间布灯，布灯参数见表1。

表1 布灯方式参数

对入口段照明环境开展仿真分析时，既应该包含照明灯具以及路面-墙面-拱顶相互反射组成的洞内照明环境，也应该包括自然光(太阳直射光和天空光)这种洞外照明因素的影响，通过上述分析，最终得到实体隧道数字照明三维仿真模型，如图3。

图3 隧道洞口三维仿真效果

1.4 仿真分析工况

为了便于分析比较，笔者选取阳光强度最低、太阳高度角最小的冬至日正午为仿真分析的自然光环境，研究综合照明环境下反光材料在入口段最优布设方式。

根据研究内容并结合试验系统特点，分别在全晴天、全阴天两类天空类型下，以反光材料反射率、布设高度和布灯方式为主要变量，研究反光材料入口段最优布设方式，主要变量参数具体值见表2。通过上述参数的有机组合，得到48种计算工况。

表2 隧道模型计算参数

2 布设方式对洞口照明的影响

针对不同天空类型、洞口朝向、布灯方式、公路隧道侧壁材料反射率及其布设高度所对应的48种工况，笔者开展了隧道入口段路面平均照度和照度均匀度计算分析。

2.1 晴天反光材料布设方式对洞口照明的影响分析

晴天南向、北向洞口洞内路面平均照度值和照度均匀度分别如图4、5。

由图4可知：在反光材料布设高度和反射率相同的情况下，晴天南、北向洞口路面平均照度随布灯方式的变化而变化，其中，交错布灯对应的路面平均照度值略高于中间布灯所对应的路面平均照度值。

在布灯方式和反光材料布设高度相同的情况下，晴天南、北向洞口路面平均照度值随侧壁反光材料反射率的提高而增大。在布灯方式和反光材料反射率相同的情况下，晴天南、北向洞口路面平均照度值随侧壁反光材料布设高度的提高而增大。

图4 晴天隧道洞口路面平均照度

由图5可知：在布灯方式和侧壁反光材料布设高度相同的情况下，晴天南、北向洞口路面照度均匀度随侧壁反光材料反射率的提高而增大；在布灯方式和侧壁反光材料反射率相同的情况下，晴天南、北向洞口路面照度均匀度随反光材料布设高度的提高而增大。

在侧壁反光材料布设高度和反射率相同的情况下，晴天南、北向洞口路面照度均匀度随布灯方式的变化而变化，其中，交错布灯对应的路面平均照度值远高于中间布灯所对应的路面平均照度值。

图5 晴天隧道洞口路面照度均匀度

2.2 阴天反光材料反射率影响分析

天空中云量覆盖比例达到95%以上时称为全阴天，此时洞口自然光照度完全由透过云层散射下来的光产生，透过云散射的阳光与太阳高度角密切相关。

阴天南向、北向洞口洞内路面平均照度值和照度均匀度值分别如图6、7。

由图6、7可得，阴天的南、北向洞口路面平均照度值与照度均匀度变化趋势与晴天南、北向洞口路面平均照度值与照度均匀度变化趋势相近。

综合以上晴天、阴天两种天空类型的隧道南、北向洞口的路面平均照度和照度均匀度结果可知：相同天空类型和布灯方式，入口段的路面平均照度与照度均匀度与侧壁反光材料反射率大小成正相关，即侧壁反光材料反射率越大，路面平均照度越大、照度均匀度也相对较好。自然光的亮度越大，侧壁反光材料对洞口照明质量的提升效果越明显。当侧壁反光材料反射率一定时，反光材料在晴天对路面照度和照度均匀度的提升效果远大于阴天。

图6 阴天隧道洞口路面平均照度

图7 阴天隧道洞口路面照度均匀度

3 侧壁反光材料使用效能分析

笔者引入“实际能效值”表征反光材料布设对公路隧道照明的节能效果。实际能效值是指在照明空间内以一定的布灯方式，每平方米路面上达到100 lx照度值时需要消耗照明灯具的电能，反映隧道照明灯具所消耗的电能与获得地面平均照度关系的数值[20]。其数值越小则产生路面单位照度消耗的电能越少，对应此工况的节能效果越好，单位为W/m2/100 lx。

为保证在洞口的照明功率相同，两侧交错布灯采用1.5 m间距，中间布灯则采用0.75 m的布灯间距。研究在此条件中，相同反光材料在同一布设高度情况下，对应的两种布灯形式下的实际效能值，判断不同天空类型下侧壁布设反光材料的最优布灯方式。