隧道连续照明效能分析研究

王玉文, 刘 鹏, 马 非, 夏杨于雨, 廖志鹏

(1.广东省路桥建设发展有限公司， 广州 510623； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

连续照明多用于城市景观、消防通道、路口引道和广告牌等照明[1-4]，如霓虹灯或LED灯带等。借此照明形式，本文提出一种LED灯连续布置式照明，以改善隧道内的视觉诱导性和路面均匀性等照明指标[5-7]。目前，传统的LED隧道灯还达不到一体式灯带的照明效果，为满足使用要求，需采用一种适用于隧道照明的条形LED灯来实现连续照明。

国内学者已开展了提高隧道照明环境的相关研究，主要集中在布灯参数和配光优化2个方面。通过调整灯具仰角、间距、高度和布灯方式等参数[8-10]，提升了照明均匀性和光效利用率，但若仅通过优化布灯参数提升照明环境，潜力有限。也有学者以提高照明效益、降低眩光等负面效应为题进行配光优化研究[11-13]，虽然指标增益明显，但研究较侧重亮度指标的提升，均匀性仅停留在满足规范限值要求阶段。因此，开展以更好地改善隧道内视觉环境为主要目的研究非常必要。

1 舒适性评价指标

在隧道照明环境中，驾驶舒适度主要体现在视觉眩光(GR)、路面亮度均匀性和视觉诱导性等[14]。根据国际照明协会(CIE)相关定义，不舒适眩光是由眩光源的散射光线射入人眼而导致的不舒适性所引起。GR值越小，则眩光控制就越好，在正常行驶交通时GR值不应高于45[15]，其计算公式如下：

(1)

式中：Lvl为灯具产生的光幕亮度，cd/m2；Lve为环境产生在光幕亮度，cd/m2。

出于光效应考虑，隧道路面及其上方2 m高的墙壁必须有良好的亮度均匀性。因隧道路面和墙壁较低的部分共同构成驾驶者视野内的背景，所以背景均匀度越好，视觉主观色彩影响性越低。亮度总均匀度U0和纵向均匀度U1计算公式分别为：

(2)

(3)

2 仿真模型

2.1 模型参数

仿真模型为2车道隧道，路面净宽8.5 m，拱顶高7.5 m，隧道模型纵向长度为150 m，隧道内表面及两侧检修道的材质为水泥，反射率为30%，路面类型为沥青混凝土，反射特性为R3，如图1所示。

图1 隧道计算模型

2.2 布灯模型与参数

基于已建隧道模型，布灯方案设置了连续照明和点式照明(7 m间距)2种布灯模型，连续照明布灯平面如图2所示，点式照明为路面两侧等间距对称布置，布灯高度均为5.2 m。目前，仅适用于隧道连续照明的配光曲线如图3(a)所示；点式照明中，选取了对称型和偏光型2种具有代表性的LED隧道灯，配光曲线如图3(b)、(c)所示。其中，隧道连续照明的LED灯的几何尺寸长度为1 m，宽0.13 m，整灯光效为108 lm/W。点式照明的隧道灯中，对称型配光曲线1(图3(b))的整灯光效为112 lm/W，偏光型配光曲线2(图3(c))的整灯光效为100 lm/W。照明系统总体维护系数均取0.75。

图2 布灯平面

2.3 GR观察点分布

模型中GR观察点设置于单车道中心线正上方1.5 m高度处，观察点与路面注视点的夹角为-2.0°，观察角度范围取0°～180°。为尽可能地了解照明的GR值变化，沿路面纵向7 m(点式照明的一个灯间距)范围内等间距设置5个观察点，连续照明和点式照明设置相同。因隧道灯双侧对称布置，故只在右侧车道设置了观察点，并从行车方向依次命名为观察点1～ 5，如图4所示。

(a) 连续照明配光曲线

(b) 点式照明配光曲线1

(c) 点式照明配光曲线2

图4 GR观察点布设示意

3 仿真计算

3.1 舒适性评价

3.1.1 均匀性分析

连续照明和点式照明模型保持相对等同，点式照明灯具光通量均取5 600 lm(7 m布灯间距)，连续照明灯具光通量取800 lm。此外，为保证各配光类型灯以最佳照明功效进行比较，通过数值模拟统计得出，该连续照明用灯最佳仰角为30°，点式照明配光类型1最佳仰角为35°，点式照明配光类型2最佳仰角为25°。不同功效条件下计算结果见表1。

表1 连续照明和点式照明均匀度计算

表1计算结果显示，连续照明路面中线纵向均匀度分别比点式照明配光1和配光2提升了16.3%、12.4%；连续照明路面总均匀度分别比点式照明配光1和配光2分别提升了45%、11.5%。从现提供的配光曲线照明来看，连续照明均匀性提升效果明显。照明环境视觉对比如图5所示。

图5光环境云图显示，连续照明路面亮度均匀性非常好，几乎没有明暗亮度梯度，而点式照明路面明显存在光斑、光带等明暗差现象，均匀性一般；点式照明隧道壁亮度较低，同样存在明暗差，连续照明隧道壁亮度较高，均匀性好，视觉诱导性明显。

3.1.2 眩光评价

连续照明和点式照明在路面纵向上的单位长度照射光通量相等，单位长度光通量取 800 lm/m，GR观察点布置如图4所示。GR值计算结果见表2，对比如图6所示。

(a) 连续照明计算云图

(b) 点式照明配光1计算云图

(c) 点式照明配光2计算云图

图6 连续照明和点式照明GR值对比

从图6和表2计算值综合分析可知，连续照明GR值比点式照明配光类型1的GR值普遍偏高，最大相差13，GR平均值高出22.8%；连续照明与点式照明配光类型2的GR值差别较小，最大差值约5%，GR平均值计算相等。从变化趋势来看，仅点式对称照明(配光曲线1)GR值变化波动较大，另外2种照明的GR值变化相对稳定，即点式照明的GR值相对连续照明来说并无突出特点。

3.2 照明能耗分析

通过模拟控制相同的路面平均亮度等级来调整连续照明和点式照明时灯具光通量，即将灯具光通量和路面平均亮度指标作为照明能耗分析的基础。本次模拟选取了3个层次的亮度等级，分别为2.5 cd/m2、3.5 cd/m2和4.5 cd/m2进行照明能耗分析。

由于模拟分析采用了不同性能参数的LED灯，模拟控制路面平均亮度难以达到完全等同，所以本次模拟时路面平均亮度差控制在0.5%以内，模拟结果见表3。

表2 连续照明和点式照明GR值计算结果

由表3可知，控制亮度等级为2.5 cd/m2时，连续照明比点式照明配光1和配光2需求的光通量多2%和14.7%；控制亮度等级为3.5 cd/m2时，连续照明比点式照明配光1和配光2需求的光通量多1.4%和12.3%；控制亮度等级为4.5 cd/m2时，连续照明需求光通量分别比点式照明配光1和配光2需求光通量多1.1%和9.8%。综上对比分析得出，当路面平均亮度等级相同时，连续照明需求光通量反而要高，照明经济效益不明显；而随着亮度需求等级越高，连续照明与点式照明各自需求光通量的差距在减小。

表3 连续照明和点式照明能耗对比

4 结论

1) 连续照明比传统点式照明的路面总均匀度和纵向均匀度都较好，模拟时最大分别可提升45%和16.3%；连续照明比点式照明的隧道侧壁亮度要高，路面几乎不存在明显的亮度梯度，光环境视觉诱导性好。

2) 连续照明GR值相比点式照明来说无明显突出特点，连续照明GR平均值比点式照明对称型配光类型1要高出22.8%，而与偏光型配光类型2却相差无几。

3) 照明能耗对比分析得出，在相同路面亮度等级下，点式照明中配光类型1和配光类型2需求的光通量相比连续照明最高可减少2%和14.7%，即连续照明比点式照明需求的光通量要高，照明节能性不明显。