基于仿真研究的城市隧道遮光棚遮光效果分析

李 志，李 凡

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000；2.武汉中交交通工程有限责任公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

作为城市道路网络中的一种特殊基础设施，城市隧道洞内外亮度存在很大的差异，驾驶员进入隧道时需要相当长的时间去识别隧道的内部状况，称为“适应滞后现象”[1]。人们认为，从明亮空间到黑暗空间的视觉适应需要相当长的时间，可能会持续8分钟[2]。强烈的光线过渡，超过了驾驶员的视觉适应能力，可能会造成瞬态盲期[3]，使司机不能使准确、迅速地感知和判断障碍物，从而诱发道路交通事故。这也解释了在隧道入口和出口区域中的事故发生率明显高于隧道的中间区域[4-7]。此外，FANG[7-8]等研究表明强烈的光线差异使驾驶员在开车进入隧道时，心率上升明显，而高频的心率波动可能会导致紧张、焦虑、注意力和判断力下降，对道路安全产生负面影响。因此，在白天公路隧道入口需要加强照明，来保证当驾驶员进入隧道时，视觉性能不会受到损害，并且可以减少由于隧道内环境不同而产生的紧张感和精神需求[8]。

目前规范通过加强照明减弱隧道入口洞内外亮度差异，实现视觉过渡[9]。据统计，隧道入口段照明占据隧道照明的40%～50%[10]，入口段电气照明消耗了大量的电力能源并且产生了CO2，对环境造成危害。因此，实现白天隧道洞内外亮度的缓慢过渡并减少电气照明的投入成为隧道可持续健康发展的重要方向。目前主流的研究方向为减小对外亮度L20、自然光线的利用、照明控制系统的利用，其中采用遮光设施对自然光线的利用成为主流缓解驾驶视觉适应及节能手段。

陶鹏鹏等[11]基于视觉负荷指标分析了不同形式的遮光设施遮光效果，得到了30°反削竹遮光设施的遮光效果最佳；相同角度遮光设施形式，反削竹遮光设施比正削竹遮光效果好。李英涛等[12]从出入隧道时驾驶员的视觉恢复时间出发，给出了不同车速下的减光格栅的合理长度。郑晅等[13]分析了太湖隧道遮光棚效果并对其进行了优化，但评价方法局限于遮光棚遮光整体效果，不能体现遮光棚内路面照度随距离的变化趋势。吴刚等[14]以隧道进出口瞳孔面积变化速度为指标，对隧道口减光罩的安全性能作出分析，得出在设置减光罩时驾驶员的瞳孔变化速度减小，遮光罩的设置可有效减少光环境突变造成的视觉安全问题。Pena[15]为了克服与公路隧道中的凉棚相关的不均匀性，已经研究了在凉棚梁之间的间隙中设置扩散板的效果。Onaygil等[16]提出在隧道口采用一定的结构措施来降低入口区的照明等级，且设置建筑物设施能对隧道口处光环境形成减光过渡作用。

以上研究没有考虑遮光棚外到隧道洞内路面照度连续变化的影响。遮光棚内部存在明暗交替的光纹，其照度也存在差异，现场实测很难保证测量点的代表性，数值模拟能更有效地分析遮光棚内部照明路面照度的整体变化趋势。鉴于以上原因，以某城市隧道为例，对隧道设置遮光棚的遮光效果进行评估，通过DIALux对遮光棚进行建模计算，分析其遮光效果，为城市隧道遮光棚设计提供依据。

1 方法与材料

1.1 模型建立

为了仿真遮光棚内路面照度，在 DIALux 软件中建立遮光棚模型，得到遮光棚的三维模型如图1所示。

图1 隧道遮光棚仿真模型

1.2 参数设置

利用隧道与遮光棚中天花板、侧壁、路面的相应纹理特性(包括类型和颜色)作为隧道表面纹理参数。根据实际隧道情况，模拟隧道顶部涂黑色防火漆，路面为沥青路面，侧壁覆盖白色瓷砖，距地面3 m。将遮光棚的表面赋予反射率为 0.3的水泥混凝土材质。模型中天花板、路面、侧壁的反射率分别为0.25，0.2，0.5。

根据实际隧道的经纬度、面向隧道入口的方向以及隧道所选择的位置，北向角设置为-56.3。

1.3 仿真时间与路面照明计算点

根据太阳高度角及洞口地理坐标可知，分析全年最不利工况下(晴朗天气下太阳直射洞口)的路面照度，仿真时间为12:00、13:00、14:00、15:00。隧道内20 m到遮光棚出口20 m被选为计算区域，纵向计算点间间距为1 m。横向计算点设置5个，横向计算点间距为5.5 m。纵向上若取值太小，仿真值会出现上下波动现象，不利于分析照度变化。医学领域认为低于0.2 s的明暗视觉刺激难以引起人眼不良知觉，本隧道设计速度为80 km/h，0.2 s的行驶距离为4.4 m左右，因此可取间隔5 m的范围内平均照度作为特征点的路面照度，分析遮光棚的遮光效果。

2 结果

对隧道模型进行仿真，得出不同时刻道路路面照度变化趋势。根据照明计算点照度分布值，采用平均化处理办法绘制得到隧道入口遮光棚下路面照度随距洞口距离变化如图2所示。

图2 遮光棚下路面照度随距洞口距离变化

从图2可以看出，将路面照度做平均化处理后，遮光棚光斑现象消除，从隧道外到隧道口路面照度呈现缓慢递减趋势，在遮光棚外路面照度略有上升。路面照度最大值在13:00与14:00达到，为10 807 lx。遮光棚对隧道遮光效果具有显著影响。具体而言，路面照度从洞外90 m处开始缓慢下降，洞外85～75 m范围内，路面照度下降得最为明显，照度折减约50 000～60 000 lx，在14：00时路面照度从97 031 lx减少到34 033 lx，折减率达到64.%。洞外50～20 m间出现一段平稳期，路面照度保持在一定范围内。洞外20 m到隧道入口，路面照度折减曲线较为缓慢。

根据规范，隧道入口到隧道中间段起点的时间约为20 s，期间路面照度成曲线或阶梯状下降，且阶梯形下降时，前一阶梯高度与后一高度的比值不超过2，但对于阶梯变化的持续时间未做说明。杜志刚等[17]通过对隧道进出口驾驶员的瞳孔变化与路面照度关系进行大量行车实验和分析证明公路隧道进出口有：

log(ES)=alogE+b

通过变换可以得到瞳孔面积变化率

由统计数据值，a=0.9，b=1，则有：

3 结语

本文分析了隧道入口光环境变化对驾驶人员视觉适应的影响，结合现有对隧道口光线突变的改善方法，提出了基于仿真研究的隧道洞口这光盘分析方法。利用DIALux照明仿真软件建立了某城市隧道洞口遮光栅模型，分析了隧道洞口连续照度变化，分析了隧道洞口遮光棚的遮光效果，得到如下结论：(1)隧道遮光栅减光效果分析须结合隧道设计时速及驾驶人视觉反应时间。(2)遮光棚设置可有效减缓洞口路面亮度剧烈变化程度，减轻驾驶人的视觉适应难度。