照明方式与配光曲线对隧道照明质量的影响分析

2021-04-20李志

无线互联科技 2021年4期

李志

（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710000）

0 引言

隧道照明能为驾驶者提供视看清晰的路面亮度与路面均匀度，将眩光保持在最低限度并实现良好的对比敏感度，这对于降低事故风险，提高驾驶安全至关重要。LED[1]配光方式的多样使得隧道照明选择更为灵活。灯具配光曲线决定光强分布，改变照明方式相当于对灯具光强分布的再次封装，这都会影响隧道的照明指标。因此，对不同配光曲线及照明方式下的隧道照明质量进行评估，量化分析隧道照明质量指标，给出合理的隧道照明方式及配光曲线建议具有重大意义。

目前，国内外学者主要研究灯具种类照明差异及布灯方式对照明节能与安全性的影响[2]，对于灯具配光曲线及照射方式对照明质量研究相对较少。马非等[4]研究了3种光线分布对照明质量的影响，得到最佳的照明曲线选择。杨超[5]分析了配光曲线和布灯方式对隧道照明功耗及照明效果的影响，得到了不同配光曲线最适合的布灯方式。以上研究仅考虑了部分照明指标，不能正确评价隧道照明质量。Masayoshi[6]提出通过增加垂直照度来改善可视性的顺光照明在减少隧道内的交通事故方面是有效的。这些研究提出不同照明方式下的优势，但灯具配光曲线对照明质量有很大的影响，上述研究能否适用于所有配光曲线尚未知晓。因此，配光曲线及照明方式对照明质量的综合影响有待研究。

本文运用照明软件DIALux建立某隧道仿真模型，对模型光环境进行模拟分析，量化了不同灯具配光曲线在不同照射方式下的路面亮度、均匀度及眩光等指标，给出了隧道照明设计指导意见。

1 方法与材料

1.1 照明方式

根据隧道灯具照射方式可以分为对称照明、逆光照明、顺光照明。对称照明即配光曲线与道路轴线呈对称分布。逆光照明配光曲线与道路轴线呈非对称分布，光束集中投向与机动车行驶相反的方向。而顺光照明则是将光束投向与机动车行驶相同的方向。

1.2 照明指标

路面平均亮度Lav：亮度是表征发光面发光强弱的物理量，路面平均亮度是驾驶者观察障碍物的背景。在公路照明中背景指路面，在隧道照明中墙面和路面都视为背景考虑。公路隧道亮度设计与车流量及设计速度相关。

均匀度：为了使隧道路面提供令人满意的能见度，需要规定路面最小亮度和平均亮度比值的范围，对于车辆流量大于2 400辆/小时的单相隧道，我国规范中要求路面亮度总均匀度Uo需大于0.4，纵向均匀度UL大于0.6。

眩光：在公路隧道内，通常引起眩光的原因是因为隧道内的灯具的光线会直接射入人眼中，产生了等效光幕，从而严重影响了驾驶员的视觉功效。隧道中常用阈值增量（TI）来评价失能眩光。国家标准中眩光阈值增量不能超过15%。

1.3 仿真

采用LED灯具模拟终南山隧道中间段基本照明，两侧交错布灯，布设间距为10 m，灯具布设高度为5.3 m。顺光照明与逆光照明角度为30°。3种配光曲线分别为：（1）窄蝙蝠翼型（2）宽蝙蝠翼型（3）朗伯型。三种灯具的光通量相同，灯具利用系数为0.7。

2 结果

对隧道模型进行仿真，得到如表1所示结果。

2.1 配光曲线对照明质量的影响

灯具配光曲线是灯具光强分布曲线，配光角度决定了灯具光线的照射范围，配光曲线的形状则确定了光线的集中程度，从表1可以看出，不同配光曲线下隧道照明指标存在一定差异。配光曲线I下能提供最高的路面平均亮度，说明提供相同亮度时，使用配光曲线I能节省隧道照明功耗。配光曲线1提供的总体均匀度相较于其他两种较低而纵向均匀度均高于其他。配光曲线2对称照明时能提供较高的总体均匀度但纵向均匀度较差两种曲线。配光曲线3下路面亮度相对较小，能提供最好的总体均匀度，眩光也相对较小，但在纵向均匀度上表现较差。3种曲线的眩光差异在照明方式不同时存在较大差异，相对而言配光曲线2下眩光更强，不利于驾驶安全。

表1 某隧道照明质量参数仿真结果

2.2 照明方式对照明质量的影响

从表1可知，对称照明能提供最高的路面亮度及总体均匀度且眩光较小，但在对称照明时纵向均匀度较低。对称照明在3种照明下达到最低能量消耗，总体而言能够提供良好的照明环境。逆向照明路面平均亮度与总体均匀度相对于对称照明低，能提供最高的纵向均匀度，但眩光最为严重，超过隧道照明标准，因此在隧道中间段不推荐采用反向束照明。M Renzler提出逆向照明仅朝向驾驶员的方向引导光线，降低了障碍物亮度，产生大的负对比度，因此可用于隧道的入口区域。原则上，路面应该看起来像逆光照明一样明亮，但由于涂层的反射，路面对于逆光照明来说看起来更亮。前束照明纵向均匀度较高、眩光极小，因此隧道交通流量大时适用，因为明亮的路面不如良好的物体识别那么重要。