公路隧道照明中对比显示系数研究综述

2021-04-01蔡贤云田心怡

灯与照明 2021年4期

蔡贤云，田心怡，翁季，黄珂

（1.重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆 400074；2.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045）

驾驶员白天进入公路隧道时所处光环境会急剧变化，即驾驶员从较亮的隧道洞外进入较暗的洞内时会出现“视觉滞后现象”。因此，公路隧道入口段亮度水平是整条隧道照明设计的基础。如果隧道入口段照明水平过低，驾驶员刚进入隧道时会出现视觉障碍，看不清前方的障碍物而导致交通事故；如果隧道入口段照明水平过高，会浪费大量电能而提高公路隧道的运营成本。

国际照明委员会CIE 88-2004研究报告推荐了3种公路隧道入口段亮度确定方法：1）采用k值法确定公路隧道入口段亮度值Lth，基于隧道洞外56.8°视野内各个景物亮度得到洞外亮度Lseq后，再乘以亮度折减系数k即可得隧道入口段的亮度Lth［1］。2）SRN主观评价法，该方法基于驾驶员对公路隧道入口段的主观评价情况SRN（Subject Rating Number）和隧道洞外等效光幕亮度Lseq确定入口段亮度Lth［2-3］。3）考虑小目标物与路面之间的亮度对比度C和公路隧道洞外等效光幕亮度Lseq，基于亮度对比度C确定入口段亮度Lth的方法［1］。

但是k值法中关于亮度折减系数k的取值依据在学术界存有争议，SRN主观评价法中SRN不同的取值对应的入口段亮度差异较大，基于亮度对比度C和隧道洞外等效光幕亮度Lseq的方法则没有考虑人眼视觉适应及大气亮度等影响因素。因此，在公路隧道照明设计中，国际照明委员会推荐采用察觉对比法。当公路隧道入口段具有良好的照明水平时，可以保证隧道内路面上的小目标物具有足够的可见度水平和亮度对比度，驾驶员在一个安全停车视距处可以察觉到路面上的小目标物，此时小目标物的亮度对比度高于察觉到小目标物的最低亮度对比度（最小察觉对比度Cm）。察觉对比法的本质是公路隧道入口段的照明水平能确保小目标物的亮度对比度C不低于最小察觉对比度Cm。CIE 88-2004研究报告给出了基于察觉对比法的公路隧道入口段亮度计算公式［2］

式中：Lth为隧道入口段亮度，cd／m2；τws为汽车前挡风玻璃光透射比；τatm为汽车前方一个安全停车视距SD内近地大气光透射比；Lt为目标物表面反射光亮度，cd／m2；Latm为汽车前方一个安全停车视距SD内近地大气光亮度；Lws为汽车前挡风玻璃透射光亮度，cd／m2；Lseq为驾驶员眼睛扫视前方物体所产生的等效光幕亮度，cd／m2；Cm为最小察觉对比度，推荐值为0.28，一般情况下为负值，即-0.28。

式（1）中的qc即为对比显示系数，表示给定区域的路面亮度Lb与小目标物面向行车方向垂直面中点处的照度Ev之间的比值（qc＝Lb／Ev）。对比显示系数不仅影响隧道入口段的亮度取值，也是公路隧道照明质量评价的主要指标。

1 对比显示系数概念溯源

日本学者Narisada和Yoshikawa在第十八届国际照明委员会大会上指出，一个物体（反射系数已知）的亮度由照射在其表面的垂直照度Ev决定。路面亮度Lb和Ev的比值决定了这个物体的亮度对比度，比值Lb／Ev称为“对比形成系数”（CRF）。基于Waldram的研究成果［3］，Narisada和Yoshikawa指出，正常人工照明条件下只要灯具光线分布情况不变，水平路面上任何一点的CRF值也不会改变，因此，CRF可以衡量照明设备形成亮度对比的能力。他们还计算了两种主要隧道照明设备的CRF值（见表1），结果表明，隧道路面反射性能对CRF值的影响比照明设备类型对CRF值的影响大［4］。例如，低压钠灯间距5 m的条件下，水泥路面的CRF值为0.22，柏油路面的CRF值为0.15，前者比后者高出46.67%。而水泥路面下灯具间距为1 m，采用低压钠灯时CRF值为0.22；灯具间距1.5 m，采用荧光灯管时CRF值为0.23。后者相较前者只增加了4.55%。

表1 公路隧道照明系统的CRF值

国际照明委员会（CIE）《Tunnel Entrance Lighting》［5］（CIE 61-1984）指出，路面亮度Lb和小目标物垂直面中点处照度Ev的比值Lb／Ev对小目标物亮度对比度C产生影响，可用来衡量小目标物的反射性能。Narisada和Yoshikawa确定了路面亮度Lb、小目标物亮度Lt和小目标物垂直面照度Ev后，依据式（2）确定小目标物与路面亮度之间的亮度对比度C。研究发现，Lb／Ev对反射系数为β的目标物亮度对比度C有决定性影响：目标物亮度比路面亮度低时（负对比），Lb／Ev值增加，目标物亮度对比度C也增加，沥青路面时，Lb／Ev的最低值为0.15。

式中：Lb为路面亮度，cd／m2；Ev为小目标物垂直面照度，lx。

《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》（CIE 88-1990）指出，亮度对比度C越高，小目标物越容易被看到。逆光照明时会产生较高的路面亮度Lb和较低的垂直面照度Ev。不同照明方式下的Lb／Ev比值可通过测试得到，照明方式和Lb／Ev之间具有对应关系：对称照明时Lb／Ev≤0.2，逆光照明时Lb／Ev≥0.6。该报告指出仅在人工照明中考虑Lb／Ev，且照明系统中Lb／Ev值为0.2～0.6的情况很少见［1］。但Dijon和Winkin认为CIE 88-1990研究报告给出的Lb／Ev值仅在晚上才准确，在白天Lb／Ev值明显低于0.6，在公路隧道入口段前40 m处，Lb／Ev值甚至只有0.4。研究发现，对称照明下公路隧道入口段的Lb／Ev值在0.1～0.2范围内（夜晚时可达到0.2）；逆光照明下Lb／Ev值为0.1～0.45，即便是在晚上Lb／Ev值也达不到0.6，顺光照明下Lb／Ev值在0.05～0.1的范围内（夜晚时可达到0.1）［6］。

CIE 88-2004研究报告给出了基于察觉对比法的公路隧道入口段亮度计算公式［2］，该公式中的一项重要参数为对比显示系数qc。

式中：qc为对比显示系数；Lb为路面亮度，cd／m2；Ev为小目标物面向行车方向中点处的垂直照度，lx。

2 对比显示系数与照明方式

CIE 88-2004研究报告依据对比显示系数qc，将公路隧道照明方式分为3种：对称照明、逆光照明和顺光照明。负对比时小目标物（反射系数为0.2）的对比显示系数qc值大于0.06，逆光照明时隧道入口段的对比显示系数为0.6，对称照明时对比显示系数为0.2。为得到更精确的入口段亮度值，有必要计算实际照明情况下的对比显示系数平均值。CIE 88-2004研究报告对比分析了逆光照明和对称照明时的节能效果。设定各项参数，由逆光照明和对称照明时的对比显示系数qc，计算得到两种情况下隧道入口段亮度值Lth，发现逆光照明时Lth值仅为对称照明时的65.5%［2］。

上述研究报告定义了对比显示系数qc，发现qc可影响小目标物亮度对比度C，还明确了对比显示系数qc与照明方式之间的关系。CIE 189-2010研究报告［7］指出对比显示系数qc是公路隧道照明质量评价体系的指标之一，可分为对比显示系数平均值qca和对比显示系数最小值qcm。该研究报告推荐的公路隧道照明质量评价体系还包括路面平均亮度、亮度总均匀度、车道中线亮度纵向均匀度、眩光控制和照明诱导性。

Thorn Lighting公司的《Tunnel Lighting》研究报告将对比显示系数qc定义为隧道内路面亮度与特定位置小目标物垂直照度之间的比值。基于qc，公路隧道照明方式分为3种：对称照明、逆光照明和顺光照明［8-9］。对称照明一般用于长隧道的过渡段和中间段，也可用于短隧道或低速隧道所有照明段；逆光照明时朝向驾驶员方向和车流运行方向之间的光分布不对称，加强了水平亮度与障碍物之间的亮度负对比；某些情况下则必须强调亮度正对比，因此，经常在隧道出口段采用顺光照明，此时光的分布与行车方向一致。在双向隧道入口段采用的逆光照明可以看作出口段的顺光照明。

英国公路隧道照明标准BS 5489-2∶2003和BS 5489-2∶2003+A1∶2008［10］均指出常用的公路隧道照明方式为对称照明（见图1）和逆光照明（见图2）。对称照明确保路面背景与小目标物之间产生良好的亮度对比度（正、负亮度对比均会出现），并保证同向行驶的其他车辆具有可见性，该标准还指出在对称照明系统中没有必要考虑对比显示系数。逆光照明促使小目标物和背景亮度之间的亮度对比更强烈，逆光照明对比显示系数不低于0.6。

图1 对称照明示意图

图2 逆光照明示意图

欧盟公路隧道照明标准《Lighting Applications-Tunnel Lighting》（CR 14380-2003）［11］指出，公路隧道照明效果由对比显示系数qc衡量。逆光照明时，对比显示系数qc应高于0.6，对称照明中qc大约为0.15。该标准指出对比显示系数决定了路面亮度Lb与小目标物亮度Lt的关系，因此，阈限亮度差ΔL0很容易求得。如果小目标物能满足朗伯定律，其亮度值可由式（4）求得［11］，并由式（4）得到式（5）。

式中：Lt为小目标物亮度，cd／m2；ρ为小目标物的反射系数。

式中：ΔL0为阈限亮度差，cd／m2。

式（5）表明，对比显示系数qc值越高，路面亮度Lb值越低，并求得刚好能够看见小目标物的阈限亮度差ΔL0，这是逆光照明相较于对称照明的主要优势。

美国公路隧道照明标准《Recommended Practice for Tunnel Lighting》（IESNA RP-22-05 IESNA）［12］分析了对称照明（见图1）、逆光照明（见图2）和顺光照明（见图3）的特征。3种照明方式通过灯具配光曲线的变化营造出不同的小目标物亮度与路面背景亮度之间的对比效果，逆光照明加强了亮度负对比，顺光照明则加强了亮度正对比。

图3 顺光照明示意图

Wout van bommel在《Road Lighting》中指出［13］，隧道照明方式有3种：对称照明、逆光照明和顺光照明。可以通过对比显示系数qc划分对称照明和逆光照明。对称照明时对比显示系数值为0.2，逆光照明时对比显示系数值不小于0.6。这些值并未考虑路面反射对小目标物垂直面照度的间接影响，而漫反射性能好的表面会增加这种间接反射对垂直面照度的影响。

陈仲林等［14］基于人眼视觉科学（如等效光幕亮度）的研究成果，证实察觉对比法综合考虑了人眼视觉特点、汽车前挡风玻璃光透射与近地大气透射光等因素的影响，因此，察觉对比法比现行的公路隧道照明k值法更接近实际情况。入口段亮度计算公式中的最小察觉对比度Cm、对比显示系数qc等参数确定后即可得到隧道入口段的亮度最小值。当尺寸为0.2 m、反射系数为ρ的小目标物为漫反射材料时，可建立对比显示系数qc与亮度对比度C之间的关系式（6）。正负亮度对比情况下，小目标物与路面之间亮度对比度C越大则对比显示系数越大。陈仲林等［15］指出，公路隧道照明察觉对比法中的对比显示系数仅与物理量（亮度和照度）有关，而与驾驶员通过隧道时的视觉适应和生理、心理无关。因此，建议采用察觉对比显示系数qc反映视觉适应情况，察觉对比显示系数由9个指标确定。

式中：C为小目标物与路面之间的亮度对比度。

3 对比显示系数影响因素

翁季等［16］、张青文等［17］通过公路隧道现场实测得到不同照明工况下的对比显示系数qc。分析隧道入口段（只开启基本照明）和中间段的对比显示系数变化规律发现，对比显示系数与公路隧道内光的空间相对分布有关，即对比显示系数qc受到隧道照明方式、光源功率、灯具间距、灯具挂高、灯具配光曲线和隧道内光的多次反射等因素的影响。殷颖在实验隧道中实测得到不同照明方式时隧道入口段的对比显示系数qc。逆光照明时qc平均值为0.562，顺光照明时qc平均值为0.33，对称照明时qc平均值为0.199。实测结果表明，亮度对比越强烈，对比显示系数越大。

林勇［18］借助对比显示系数qc计算软件（见图4）得到路面反射系数、墙面反射系数、顶棚反射系数、灯具间距、灯具挂高、灯具偏转角、灯具俯仰角和灯具配光曲线与对比显示系数qc之间的关系。结果表明，路面反射系数与对比显示系数几乎呈线性关系，路面反射系数增加，对比显示系数随之增加（见图5）。墙面反射系数对逆光照明有显著影响，如图6所示。墙面反射系数过高时会影响亮度对比度，相同条件下，墙面反射系数小于0.35时对比显示系数小于0.6，此时照明方式已不属于逆光照明的范畴［19］。