道路隧道照明眩光评价

王 超，马 非，刘 鹏，夏杨于雨

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

引言

根据人眼视觉特性，对隧道内部照明质量进行区段划分为接近段、入口段、过渡段、中间段和出口段[1]。因为在隧道入口区域隧道内部与外部存在明暗差，为满足驾驶员获得正常视觉信息，所以从行车安全的角度来讲，隧道入口段是照明区段中最重要的部分，也是隧道照明领域研究最多的部分。但从隧道照明整体需求量来说，隧道中间段纵向长度的照明相对出入口照明比重更大，驾驶者通过需求时间更长。据统计，隧道内发生交通事故的概率虽然不比洞外一般路段高[2]，但由于隧道内空间狭小，一旦发生交通事故，驾驶者没有空间应对紧急情况，后果较一般路段严重得多。因此，从隧道中间段较长驾驶时间的安全性考虑，隧道中间段照明的改善和照明质量相关性研究是非常有必要的。

目前在道路照明眩光研究方面，傅翼等[3]分析了三种布灯形式下的隧道照明眩光影响，并得出其眩光影响范围和影响程度。丁一等[4]在LED灯具曲面透镜基础上研究，提出一种非对称单侧蝠翼配光方法，通过优化曲面透镜来控制和消除眩光。杨春宇等[5]主要研究了等效光幕亮度与失能眩光反应时间关系，并拟合了关系式。Gadegaard和Camponogara等[6，7]对LED灯具进行相关优化设计来提高照明性能，其他研究人员[8-11]在眩光方面也取得了一定的研究成果。从诸多现有眩光研究来说，针对多种配光形式的隧道照明研究不足，此次研究设定了灯具不同的光强分布条件，在此条件下进行仿真分析了隧道中灯具光通量与隧道内眩光值的相关性。通过相关性合理的调节灯具光强分布形式、光通量，并保证路面具有一定的亮度等级。使隧道中间段驾驶者在较暗的照明环境下能够有较好的视觉视野和可见度。

1 眩光指标

眩光分为不舒适眩光和失能眩光两种，不舒适眩光是指对观察者引起视觉不舒适的眩光，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的，主要取决于进入眼睛的光线数量，光源的亮度对之影响较小。总的来说，这种眩光对人眼的视觉能力并不造成实质上的影响。失能眩光是指使观察者的视觉观察能力降低的眩光，光源的亮度是主要的影响因素。失能眩光效应是由于在眼睛里杂散光产生的等效光幕Lseq叠加到垂直映像上，从而减小了目标物的对比度，降低了目标物的可见度[12]。

眩光作为一个十分重要的照明质量评价指标，在室内照明和室外照明中有着很广泛的应用，具有代表性的指标有眩光指数(GR)和统一眩光指数(UGR)、眩光指数(GI)、视觉舒适几率(VCP)、眩光限制系统(亮度限制曲线)、眩光指数方法等。

多年来，在公路照明领域主要是使用阈值增量TI和GR值[13，14]作为照明系统的质量评价指标。阈值增量TI表示失能眩光的程度，该参数是一客观指标，可以通过测量其他照明指标而计算得出，其计算公式如下：

(1)

式中，A为驾驶者的年龄；Ee为由新安装的灯具在垂直于驾驶者视线的平面内产生的照度值，其由纵向500 m范围内的所有灯具所产生；Lav为路面的初始安装亮度平均值；θ为驾驶者视线与每盏灯具中心的角度。按照CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》的规定，隧道内照明的阈值增量TI值应不大于15%。

眩光值GR越小，眩光控制得越好，GR值的计算公式如下：

(2)

式中，Lvl为灯具产生的光幕亮度，Lve为环境产生在光幕亮度。眩光控制等级GF值与眩光值GR的关系如下：

GR=(10-GF)×10

(3)

眩光值GR、眩光控制等级GF与人的主观感受的关系如表1所示。在道路交通方面，当行驶缓慢时，GR值不应大于50，当为正常交通时，GR值不应大于45[15]。

表1 眩光和眩光控制等级与人主观感受

2 计算模型

2.1 计算模型

计算模型采用三车道隧道断面，净空高度8 m，行车道所在的路面总宽度为13 m，行车道宽度3.75 m，如图1所示。路面上方墙壁3 m高的范围内敷设装饰板或者喷涂其他反射率较高的材料。

图1 计算模型及断面Fig.1 Calculation model and tunnel cross section

照明灯具布置在隧道两侧，纵向间距为10 m，采用交错布置形式，横向位置位于两侧行车道中心线正上方，横向间距为7.5 m，灯具的安装高度为6.0 m，灯具的平面布置如图2所示。

图2 灯具布置形式Fig.2 Arrangement of lamps

2.2 灯具光强分布

在计算模型中采用了两种光强分布形式，第一种是对称照明形式，对应的灯具配光曲线如图3(a)所示，第二种为逆光照明形式，对应的灯具配光曲线如图3(b)所示。灯具的整灯光通量可设置2 500～6 000 lm不等，总体维护系数取0.8。

图3 对称、非对称照明光强分布Fig.3 Light intensity distribution of symmetrical and asymmetric lighting

2.3 观察点分布

GR观察点位于行车道中心线上方，高度为1.5 m，观察点与路面上注视点的夹角为2.0°。为了掌握纵向上不同观察点的GR的变化，在两盏灯具之间布置4个观察点，加上灯具位置在内共设6个观察点。此外，因为两侧车道照明环境相同，考虑到灯具与中间车道位置关系和三车道左右对称关系，所以分别设定了右侧车道6个观察点(等同左侧车道)和中间车道6个观察点，并从行车方向(同车道内)分别命名为观察点1～观察点6，中间车道同等命名，如图4所示。

图4 观察点分布图Fig.4 Arrangement of observation points

3 眩光的影响因素分析

针对隧道眩光的影响因素提出是依据已有的眩光计算基础之上来的。而隧道照明场景中的眩光值计算目前多选用CIE的眩光指数(GR)，GR值的计算公式见式(2)。可以看出，其直接变量有两个，一个是灯具直接对眼睛产生的光幕亮度Lvl，另一个是环境对眼睛直接产生的光幕亮度Lve。灯具产生的光幕亮度可简化理解为与灯具亮度有关，因为灯具性能指标光通量直接影响着照明的质量，即与亮度和照度相关，所以这里可以把灯具光通量作为一个眩光影响因素提出。环境光幕亮度影响因素有很多，涉及到环境本身材质特性，以及灯具亮度和灯具照明形式。这里的客观环境不作讨论，并排除已有的研究，灯具照明形式可考虑灯光分布曲线，即对称配光形式下的环境光幕亮度和非对称配光形式(可分逆光和顺光配光)下的光幕亮度，并作为影响因素提出。

4 眩光仿真分析

此次模拟计算选择了灯具配光形式和光通量两两结合进行研究隧道内的眩光值。为了充分模拟隧道光环境，隧道的墙壁反射率选择设定为0.3。模拟计算场景是在隧道中两盏灯具之间布置了4个观察点和灯具本身位置总共6个观察点上进行GR眩光仿真。

4.1 对称配光下的眩光模拟计算

灯具配光形式主要分对称和不对称配光，模拟计算首先选择在灯具对称配光形式下进行光通改变仿真，并分析其对隧道内眩光值的影响。考虑到灯具光通量作为自变量，故将其分成了7个等差递增变量值，分别为3 000～6 000 lm的变量值。各参数设定后仿真模拟计算输出结果见表2。

表2 对称配光下光通量与眩光值

从光通量与眩光值计算输出结果可以得出，光通量的增加对眩光值有略微的提高，每个观察点随着光通量的增加仅提高观察点1的眩光值，其影响基本可以忽略不计。图5和图6为光通量的改变与各车道GR值关系图，不同光通量下各车道上的GR值有所所不同，两侧车道整体上的GR值相比中间车道上的GR值要高1～10个数值；两侧车道6个观察点中2～4观察点比1、5、6观察点的GR值高1～13个数值，即两灯具之间眩光值比灯下眩光偏高；中间车道6个观察点中1～4观察点相比5、6观察点的眩光值偏高2～13个数值，即行车方向第一盏灯具到下一盏灯灯具间的GR值有降低的趋势。

图5 对称配光光通量与右(左)侧车道GR值关系图Fig.5 The relationship between the different luminous flux of symmetrical light distribution and the GR value of the right (left) lane

图6 对称配光光通量与中间车道GR值关系图Fig.6 The relationship between the different luminous flux of symmetrical light distribution and the GR value of the center lane

4.2 非对称配光下的眩光模拟计算

前面已经提到灯具配光有对称与非对称形式，而这里的非对称配光又可细分为逆光和顺光形式(顺光与逆光配光形式完全相同，只是在几何上对称，方向相反)，即顺逆光照明。所以这里进一步研究了顺光条件下的光通量与眩光GR值的关系，以及逆光形式下相同关系条件的研究模拟计算。

1)顺光配光模拟计算。这里模拟计算条件与对称配光下眩光模拟计算保持相对等同，灯具光通量变量值同样分成了7个等差递增变量值(分别为3 000～6 000 lm的变量值)，右侧车道和中间车道在两灯具之间定义了相同的6个观察点。光通量与眩光模拟计算输出结果见表3。

表3 顺光配光下光通量与眩光值

由表3可以看出，无论是两侧车道还是中间车道，以及光通量为3 000 lm或6 000 lm对整体眩光GR值的影响都很微小。顺光配光形式下的最高GR值为15，眩光效应对人眼的影响几乎不被察觉，眩光控制等级可达到8级以上。

2)逆光配光模拟计算。逆光下眩光模拟计算与顺光模拟计算条件保持相对等同，仅逆光时灯具发光朝向与顺光配光形式对称，方向相反布设。逆光下光通量与眩光模拟计算输出结果见表4。

表4 逆光配光下光通量与眩光值

逆光配光条件下，光通量与眩光值的模拟计算结果和上述对称配光、顺光配光条件下光通量与眩光值的模拟计算得出对比，光通量与各观察点GR值拟合曲线增长斜率几乎趋近于0，即进一步说明光通量对眩光值的影响性不大。而逆光下模拟计算得出相比对称配光模拟计算得出也有相反之处，逆光模拟计算中隧道两侧车道GR值比中间车道GR低1～10个数值；同样两侧车道6个观察点中2～4观察点比1、5、6观察点的GR值高1～8个数值，中间车道6个观察点中1～4观察点相比5、6观察点的眩光值偏高2～8个数值，逆光下模拟计算结果相比对称配光模拟计算结果相同点，即两侧车道上两灯具之间眩光值比灯下眩光偏高，中间车道第一盏灯具到下一盏灯灯具间的GR值有降低的趋势。逆光配光光通量与各车道GR值变化关系图见图7和图8。

图7 逆光配光光通量与右(左)侧车道GR值关系图Fig.7 The relationship between the different luminous flux of counter-beam light distribution and the GR value of the right (left) lane

图8 逆光配光光通量与中间车道GR值关系图Fig.8 The relationship between the different luminous flux of counter-beam light distribution and the GR value of the center lane

5 结论

1)隧道内灯具光通量在3 000～6 000 lm范围内改变，隧道内眩光几乎不受其影响。

2)三种配光形式相比较下(对称配光、顺光和逆光配光)，非对称光强配光中顺光配光形式下隧道内眩光效应最低(GR值小于15)，且眩光控制等级达到8级以上，次之为对称配光，逆光眩光效应最高(最高GR值为37)。

3)对称配光与逆光配光计算结果对比相同点是，三车道中两侧车道上灯间眩光比灯下眩光高，平均高出5个数值，中间车道第一盏灯具到下一盏灯具间的GR值有降低的趋势；不同点是，对称配光形式下两侧车道眩光值要大于中间车道，逆光配光形式与之相反。

总体研究表明，三种配光下虽然顺光配光照明有最高眩光控制等级(8～9级)，但是另外两种配光下眩光值都在可接受范围内，GR值均小于45，且眩光控制等级GF都在6级以上。