公路隧道照明灯具眩光仿真分析

郑 晅， 李 志,李 雪

(长安大学电子与控制工程学院，陕西 西安 710064)

引言

眩光是指视野中由于不适宜的光源亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉现象[1]。道路灯具设置不合理，导致驾驶员无法获取或遗漏重要交通信息，做出错误决定，严重影响驾驶安全。良好的道路照明能使城市道路交通事故下降30%，乡村道路交通事故下降 45%，高速公路交通事故下降30%[2,3]。因此，减少灯具眩光对驾驶安全有重要意义。

Holladay[4]于1926年提出眩光是由视网膜细胞受到刺激而发生的，但是后来的研究者却认为眩光是光线在眼内介质散射引起的[5]。近年来，人们对影响眩光的因素如观测者年龄、照明灯具出光方式、照明灯具种类选择等做了深入研究[6-9]，可以看出合理的选择与设置灯具参数可以的有效地限制眩光。CIE[10]针对失能眩光做了说明，给出了已知光强分布的灯具的失能眩光阈值增量计算方法，但是实际计算中存在较大的误差，导致最终计算结果的不准确。而且CIE仅对视线高度为1.5 m的观测者做了阈值增量的说明，但眩光影响取决于灯具高度与人眼视线高度的差值，同样还与观测角度密切相关。Rafael等[11]提出了一种根据公路地段的地理位置、道路几何设计和环境的物理特征，确定一年中某一特定路段的日照可能产生失能眩光的天数和时间方法。张明宇等[12]运用数学方法，测得阈值增量与水平距离与垂直高度的关系，得到立交桥下不同位置阈值增量的测试点，但在TI计算时未考虑车辆车棚对光线遮挡作用，因此结果存在一定误差。隧道照明不同于道路照明，隧道是一个封闭的空间，隧道侧壁对光线的反射会使得隧道路面平均亮度不同与道路照明。Pachamanov[13]与陈为民等[14]分别运用线性与非线性方法对长隧道灯具眩光限制做了分析，然而他们的研究是在原有灯具空间位置上进行灯具配光曲线的优化，灯具的位置参数固定，不能得到灯具空间位置对眩光的影响，从而得到最佳的照明设置方法。因此，这些先前的研究结果不能更好的应用于隧道照明环境，如何实现隧道照明灯具的眩光评价是一个迫切需要解决的问题。

LED灯具因其节能、使用寿命长、显色性高、配光效果好、能效高、环保等优点广泛应用于道路与隧道照明，逐渐取代高压钠灯成为当前照明的首要选择[15-17]。本文运用阈值增量来评价公路隧道照明眩光[18]，利用DIALux照明仿真软件建立隧道三维模型，在满足我国隧道照明规范[19]的前提下，分析LED灯具的安装位置对不同车型驾驶员视觉眩光感受的影响，为隧道安全运营提供指导意见。

1 评价指标与仿真建模

1.1 阈值增量TI

眩光之所以会给隧道内的驾驶员带来巨大的干扰，是因为眩光源里的部分散射光会直接射入驾驶员的眼睛导致眼睛里产生了等效光幕，减弱了人眼的视觉感知，从而也对视功能产生了影响。阈值增量(TI)根据等效光幕亮度的定义，与影响视觉功能的对比度阈值结合起来，得到了眩光状态下人眼恰好能识别出目标物所应该补充的有效对比的比值。

在背景亮度大小为0.05 cd/m2

(1)

K是和观测者年龄有关的常数。当观测者为23岁时，K为650，其他年龄的值的值可由式(2)求得：

(2)

式(2)中A是观测者的年龄，单位年。

当Lav>5 cd/m2时，TI的算法变成[10]：

(3)

并且对于23岁的观测者K不再是650，而是950。

计算TI时从上述观察者的初始位置开始，然后观察者以与亮度计算时相同的纵向间距和点数向前移动，反复计算，得到一系列 TI 值，其中最大的即为所求的值。

1.2 仿真模型建立

在照明仿真软件DIALux中建立隧道仿真模型，模型长1 000 m、宽10.5 m、高6.8 m，设置为沥青混凝土路面和瓷砖墙面，墙面铺设反射率设为0.7，隧道模型顶棚材料反射率设为0。通过对陕西部分隧道的调研数据知，灯具布设高度在3.5～5.5 m之间，布设间距集中在9～12 m，为研究灯具布设参数对眩光等级的影响，仿真模型中灯具距地面高度分别为3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m，灯具间距分别为8 m、9 m、10 m、11 m、12 m。隧道模型内按照两侧对称布灯，图1为隧道灯具布设一工况下的截面图。采用光通量为8 110 lm，功率为85 W的蝙蝠翼型配光曲线LED 作为仿真灯具。

图1 隧道灯具布设截面图Fig.1 Cross-section view of tunnel lightingarrangement

在对隧道照明眩光影响的仿真实验时，需要对TI计算中涉及驾驶员视角及等效光幕面等参数进行说明，确保仿真结果的可靠性。

1.2.1 驾驶员视角大小的确定

驾驶员在隧道行驶时外界干扰小，注意力集中于前方。CIE[10]计算失能眩光时以注视角为1°时计算，但Catalin[20]却认为这个值应该更小。注视角的大小取决于行驶速度对应的停车视距与人眼视线高度。隧道中小型车辆运行速度在60～80 km/h，驾驶员的注视点在车前方56～100 m处。由图2可知注视角可由式(4)计算得到。

(4)

当h为1.26 m时，若行车速度为60 km/h，α1=1.28°；若行车速度为80 km/h，α2=0.7° 。可见车辆驾驶在限定速度时，注视角α的变化很小，一般取1°。

1.2.2 等效光幕面的确定

在TI眩光计算时，最重要的一步就是计算等效光幕的亮度，将眼睛表面垂直于视线平面的照度定义为等效光幕面。而驾驶员视角的不同会直接影响等效光幕面的角度变化，导致等效光幕面的照度改变。因此需要精准设定等效光幕面的角度与大小。

1)等效光幕面角度的确定。等效光幕面的角度与驾驶员的注视角直接相关，而不同车型的驾驶注视角也有所不同。大型车辆视线高度h约为2.45 m，则驾驶人员注视角约是2°左右；小型车辆视线高度为1.26 m，驾驶员的注视角度大约是1°左右。

图2 隧道照明分析示意图Fig.2 Tunnel lighting analysis diagram

2)等效光幕面大小的确定。驾驶员在隧道中正常驾驶时，并不是所有灯光都对驾驶员视觉眩光产生影响。由于驾驶车窗及车体的遮挡(如前车盖)，正常驾驶状态下进入驾驶员眼中的灯光仅为与车体的前挡风玻璃大小相似，由于前挡风玻璃会削弱眩光源光现射入人眼的强度，因此等效光幕面应设置在人眼高度，与注视角垂直，距人眼0.3 m处。对于小型车来说纵向网格大小应为宽1.5 m，高0.5 m；大型车的纵向网格大小为宽2.5 m，高0.8 m。DIALux中等效光幕面接收的是来自隧道各个方向上的光，这一点明显与驾驶人实际感受不同，因此需在视点照度模拟受光面后部构建一块面积与光幕面平行且大小一样不透光且不反光的挡板，以控制光分析面背面的干扰[21]。

1.2.3 观测者与第一个灯具水平距离d1的确定

在计算隧道眩光时，由于车辆顶棚的挡光角为20°，意味着处于车棚之外的眩光源将不予考虑。计算眩光的计算流程和范围为：第一个灯具总是位于20°平面上，逐一依次计算500 m以内同一排灯具做产生的光幕亮度并进行累加，得到眩光等级大小TI。由计算流程知当θ-α=20°时，第一个灯具与人眼的水平距离为d1。则有：

(5)

表1为不同高度下观测者眼睛位置与第一盏灯具的水平距离。

表1 不同灯具高度下d1的取值Table 1 Value of d1 under different lamp heights

2 结果与讨论

对不同高度、间距组合下的灯具设置方式仿真，记录相应工况下隧道的平均亮度、均匀度及人眼等效光幕亮度，根据公式计算得到相应的阈值增量。

如图3所示，当布灯间距一定时，路面平均亮度随高度的增加出现缓慢减小；而在高度一定时，平均亮度随布灯间距的增大大幅减小。路面亮度与路面均匀度是一对矛盾量，不能同时达最佳，在考虑照明质量时应有所取舍。在布灯间距一定时，路面的均匀度在从3.5 m升到4 m时有大幅地提升，之后趋于稳定，基本维持在0.72；而当灯具高度大于等于4 m时，布灯间距对均匀度的影响较小。

图3 LED两侧对称布设下隧道的平均亮度值与均匀度值Fig.3 Average brightness valueand uniformity value of the tunnel under symmetric arrangement on both sides of the LED

2.1 灯具布设对眩光的影响

2.1.1 布灯间距对眩光的影响

从图4可以看出，在高度一定时，随着布灯间距的增加，不同布灯方式下的两种车型的阈值增量都呈上升趋势，这与张明宇等[12]的研究一致。说明增加布灯间距对驾驶人的眩光影响增大，不利于安全驾驶。以小型车为例，在布设高度为定值时，随布设间距的增加，阈值增量的增长率在1%～13%之间，且增长率呈现下降趋势。但从仿真结果可以看出，阈值增量增长率仅在灯具布设高度为3.5 m时，间距从8～9 m的工况下超过12%，其他工况下阈值增长率均小于10%，阈值增量增长速率较小。灯具高度大于等于4 m时阈值增量小于15%，灯具高度大于等于4.5 m时阈值增量小于10%，符合我国隧道照明要求。因此，对于小型车而言灯具高度大于4 m时，增加灯具布设间距引起的眩光等级大小差异较小。高度一定时，眩光的差异主要取决于第i(i>1)个灯具在人眼处产生的等效光幕亮度，在仿真的五种间距中，第i(i>1)个眩光源在人眼处的照度的减小量小于其与人眼视线角度平方的减小量，因此阈值增量增加。但这并不表明阈值增量会随间距的增加一直增加，如只有第一个眩光源(第二个眩光源无穷远)自然阈值增量会很小。这与YANG等[7]对三种照明方式研究中增加间距阈值增量的变化规律不同，原因可能是间距的取值范围有限导致。

图4 (a)～(e) 两侧对称时不同布灯间距下的阈值增量Fig.4 (a)～(e) Threshold increments at different lamp spacings when symmetrical layout on both sides

2.1.2 布灯高度对眩光的影响

如图5所示，在布灯间距一定时，阈值增量随灯具高度的增加呈现下降的趋势，但其下降速率随高度的增加变得缓慢，说明增加布灯高度可以有效限制眩光。当布灯高度较低时，驾驶员视线与灯具之间的角度θ较小，导致更多的光进入人的眼睛，眩光影响大，而增加布灯高度后，θ变大，进入人眼的光线减小，眩光程度减弱。以小型车为例，在图5中可以看出布灯高度为3.5 m时，五种间距下的阈值增量在13.6%～16.7%，部分工况下眩光等级超出我国隧道照明标准，这会给驾驶员带来较为严重的眩光刺激，不利于驾驶安全。在低高度照明时，驾驶人不再只能看到与视线20°角以内的灯具亮点，而是能看见与视线接近90°内的所有亮点[22]。当布设间距为定值时，增加布设高度，阈值增量的减小率在8%～25%；在高度由3.5～5.5 m变化的过程中，阈值增量减小率由24%下降到10%。因此，当增加布灯高度时，眩光感受可以得到明显的减缓，但阈值增量的减小幅度呈现递减趋势，这说明在高度增加到5.5 m后，再通过增加布设高度的手段来减小灯具眩光是不明智的。

图5 两侧对称时不同布灯高度下的阈值增量Fig.5 Threshold increments at different lamp heights when symmetrical layout on both sides

2.2 视线高度对眩光的影响

眩光的大小受眩光源在人眼中产生的等效光幕亮度与眩光入射方向与视线的夹角的影响。对于固定高度的灯具，驾驶者的视线越高，眩光入射方向与视线的夹角越小，这也导致了进入人眼的光线更多，产生的等效光幕亮度更大。从图4可以看出，在布灯高度为3.5 m时，布灯间距从11～12 m时，大型车的阈值增量由48.7%增加到56.6%，增长率为16%，说明在布灯高度为3.5 m时，不宜加大灯具布设间距，否则会导致强烈的眩光，严重影响交通安全。随着布灯间距的增加，两种车型的阈值增量之差变化较小，所以增加布灯间距不会对隧道眩光限制方面存在显著差异，换言之，在布灯高度一定时，改变布灯间距不会缓解大车的眩光影响。当灯具间距一定时，随着人眼视线高度的增加，车顶棚遮挡角会大于20°[22]，这会将眩光源更多地暴露在驾驶员的视野内，这就使得大车阈值增量远大于小车阈值增量。为加强隧道对不同车型的安全通行能力，应增加隧道灯具的布设高度来增大灯具光线入射方向与视线方向的夹角，达到减小眩光的目的。

3 灯具最优布设尺寸

如图6所示，在低高度布设时，两种车型都有较大的阈值增量，且大型车阈值增量远超隧道照明标准限定值。因此，低高度灯具布设不利于隧道驾驶安全。

图6 不同间距、高度下小型车与大型车的阈值增量Fig.6 Threshold increments for small and large vehicles at different pitches and heights

在布设高度大于4.8 m时，两种车型的阈值增量均小于15%，且两种车型的驾驶员感受的眩光差异不大。布设高度为4.8 m及以上时，路面亮度在3.5 cd/m2以上，路面均匀度达到0.7，属于高均匀状态，能够提供良好的视看效果。布设高度为5.5 m，间距为11 m和12 m时，隧道照明路面均匀度相同，路面平均亮度相差0.3 cd/m2，不同车型的阈值增量相差不超过2.5%，从安全运行的角度看这两种布设方式均是理想照明状态。然而，在采用较大间距布设时，可以在一定程度节省前期隧道灯具设备的投资成本，对于后期运营费用也有相应的减少，达到节省能源的效果。综合以上分析，从安全与节能角度可以选择布设高度为5.5 m，布设间距为12 m的隧道照明最优布设方式。

4 结论

降低隧道灯具产生的眩光对提升隧道驾驶安全有重要意义。为探究灯具布设参数对眩光等级的影响，本文分析了驾驶员的注视点，得到了不同车型驾驶者的等效光幕面设计方法；通过对典型的LED配光形式灯具进行仿真研究，分析得到了两种车型驾驶员在灯具高度与间距变化时阈值增量的变化趋势，并对产生原因从原理上做了解释说明。主要有以下结论：

1)眩光等级阈值增量随灯具布设高度的增加而显著减小，随布设间距的增加略有增加。两种车型驾驶员感受的眩光差异随灯具布设高度与间距的增加而减小。

2)灯具布设高度增加到5.5 m时，通过增加高度来减小眩光的方法收效甚微。

3)在灯具布设高度低于3.5 m时不宜运用增大布设间距的方式来节省隧道照明能源，此时会加剧灯具眩光。

4)当采取间距为12 m，布灯高度为5.5 m的LED对称布灯时，大型车辆与小型车的阈值增量均小于隧道照明要求，且两者差异较小，符合交通安全标准，而且隧道对通行车辆的要求更低。