公路隧道照明理论与应用技术研究综述

吴 江，蔡贤云，张远旭，蒋征洋

（重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆 400074）

公路隧道数量随着高速公路通车里程的增加而明显增加，隧道光环境成为交通安全的重要环节。国家标准规定长度超过100 m的公路隧道都必须安装照明系统[1]。当车辆刚进入隧道时，视野中隧道外亮度远比隧道洞口内亮度高，导致驾驶员无法在短时间内辨认出洞口附近的物体和状况，这种现象被称作“黑洞”效应[2-3]。车辆从隧道驶出时，视野中隧道内亮度远比隧道洞口外的亮度低，驾驶员无法在短时间内辨认出洞口外面的物体和状况，这种现象被称作“白洞”效应[3]。“黑洞”效应和“白洞”效应会影响公路隧道行车安全，引发交通事故。通过调查挪威多个隧道的交通事故情况发现隧道的出入口处是事故的高发区域，且事故的严重程度高于其他区域[4]。

文章梳理了隧道照明设计理论和方法，探讨了察觉对比法及其核心影响因素，如对比显示系数、小目标可见度和隧道照明灯具安装方式。基于此，分析了太阳能发电和数字辅助等应用技术在隧道照明中的使用情况。最后提出应综合考虑隧道照明设计理论、方法和相关的应用技术，以达到隧道照明安全、舒适、节能的目的。

1 隧道照明设计理论与方法

鉴于“黑洞”和“白洞”效应影响行车安全和视觉舒适性，研究人员对此做了大量的基础理论研究。

1.1 察觉对比法与对比显示系数

国际照明委员会（Commission Internationale De L’Eclairage，CIE）在1990年的研究报告中，提出了采用k值法确定公路隧道入口段亮度值Lth。基于隧道洞外56.8°视野内的各个景物亮度得到洞外亮度L20后乘以亮度折减系数k得到隧道入口段亮度Lth。还推荐了SRN（Subject Rating Number）主观评价法、等效光幕亮度Lseq和基于小目标物与路面之间的亮度对比度C确定隧道入口段亮度Lth的方法[5]。然而，k值法中亮度折减系数k的取值在学术界存在很大争议。欧洲D.A.Schreuder 学派和日本成定康平学派对k的取值相差非常大，我国现有的规范是取两个学派的中间值，但这也没有充分的依据。其次，亮度折减系数k的取值没有考虑到人体生理和心理相关指标变化的影响[6]。SRN主观评价法中关于SRN的不同取值确定隧道入口段亮度Lth差别较大，基于小目标物与路面之间的亮度对比度C确定隧道洞外等效光幕亮度Lseq的方法也没有考虑人眼视觉效应和天空亮度的影响。胡英奎[7]指出了Adrian和Augdal使用的计算方法的不足，等效光幕亮度Lseq的关键是确定人眼视线和坐标中各圆周所对应的圆心角θi，但因公式内其中一个因子的原函数不是初等函数，给计算造成困难。Adrian和Augdal分别通过两种近似计算得出了差异较大的θi值，因此估算出的等效光幕亮度Lseq的值并不准确，建议采用更为精确的矩形积分法计算该积分因子[7]。

CIE在2004年的研究报告中提出了全新的计算方法——察觉对比法[8]。该方法涉及对比显示系数qc，定义为区域路面亮度Lb与小目标物面向行车方向中点处的垂直照度Ev之间的比值。对比显示系数作为公路隧Lth[9]。2010年，CIE在研究报告[9]中指出了对比显示系数道照明质量评价的重要指标，影响隧道入口段的亮度值qc又可以分为平均对比显示系数和最小对比显示系数2个子系数[10]。翁季[11]通过实际测量和计算隧道路面给定区域测点处的路面亮度和小目标垂直面上照度的比值发现，对比显示系数不但与隧道照明方式有关，还与灯具间距和高度、功率、隧道内装饰产生的光线反射等因素有关。林勇[12]通过模拟计算发现路面反射系数和墙面的反射系数均与对比显示系数qc呈线性关系，对比显示系数qc随路面反射系数和墙面反射系数的增大而增大。当灯具安装转角为53°时，对比显示系数qc取最大值。陈仲林[13]认为从对比显示系数qc的定义看，取值未考虑驾驶人生理和心理状态的变化，建议使用察觉对比显示系数qcp，该系数与目标物亮度、背景亮度、大气亮度、挡风玻璃亮度、大气透射比、挡风玻璃光透射比等因素有关，同时又与驾驶人对眩光感受的程度和最小察觉对比2个生理和心理因素有关。

1.2 小目标物可见度

通常用可见度水平(visibility level，VL)衡量小目标物可见度（small target visibility，STV），它表示目标物亮度与背景亮度之间的差值与其阈限状态时亮度差（阈限亮度差）之间的倍数。阈限亮度差与小目标可见度、对比显示系数紧密相关。1946年，Blackwell通过对19名正常视力的女性观察者的实验确定了目标物显示时间为6 s的情况下不同视角和背景亮度下识别概率从10%到95%的亮度对比情况，由此得到识别概率为99.93%的人眼阈限亮度对比数据[14]。CIE 1981年发布的研究报告[15-16]，在Blackwell实验的基础上通过后续实验建立了阈限亮度对比Cref与背景亮度Lref之间的关系，将相对亮度对比的概念加入实验数据处理过程中，得到阈限亮度对比Cref的数学模型。蒋宏指出目标物的物理特性、天气状况、驾驶人的身体素质和心理状态均会影响小目标可见度的取值，总结了小目标物可见度的研究存在未考虑路面反射光的影响、车辆前照灯的影响、未考虑人眼非中心视野物体等几点不足。对于人眼非中心视野物体影响，建议在计算小目标可见度时首先修正目标亮度和背景亮度，其次在观察时间修正系数中增加光谱以修正反应时间[17]。

翁季等[18]在阈限亮度实验的计算模型中，使用定值刺激法进行阈限对比实验，得到了简化的阈限亮度差计算模型。为了在实际道路照明中应用，提出需要通过正负亮度对比修正系数Kf、小目标物显示时间修正系数Kt和年龄修正系数Ka进行修正。陈仲林等[19]通过上述3个系数修正实验数据，结果表明，在其他条件相同情况下，不同识别概率的阈限亮度差之间的比例为一个常数。蔡贤云[20]将小目标物可见度引入对比显示系数的研究中，得出在不同观察视角α和不同背景亮度下的阈限亮度差ΔL0，并求出对比显示系数阈值qc0。崔璐璐[21]在重庆市交通科研设计院的实验隧道和虎溪大学城隧道中间段的研究中，发现在不提高路面亮度的情况下，不同色彩的光源对小目标识别率有影响，且使用高显色性的光源可提高目标物的辨识率。

1.3 隧道照明灯具安装方式

灯具的类型、安装方式与隧道内的光照分布有很大的关系。如果亮度不足，对驾驶人的行车安全存在威胁；如果太亮，造价又太高，也不符合节能减排的理念。公路隧道照明设计首先要根据当地环境状况，对洞口进行专门的照明设计，尽量减少“黑洞”效应和“白洞”效应的影响[22]。同时，在隧道内采取有效的节能照明措施，既保证看清前方目标，又可节省照明费用。

公路隧道照明费用在公路隧道运营中占比较大[22]。屈志豪[23]通过实验发现，相比传统的双侧壁交错（或对称）布置照明灯光带的方案，拱顶侧偏单光带的布置方案效率更高、更节能、更有效降低运营费用、更利于维护管理。党伟荣[24]使用软件模拟陕西境内的一条高速公路隧道，分析了拱顶侧偏单光带布灯方案诸多的不足：第一，该方案仅适用于两车道，两车道以上因路面较宽而亮度不足，不能很好满足照明需要；第二，该方案仅适用于车流量较小的隧道。另外，在灯具安装位置方面，发现当平曲线半径小于1 000 m时，照明灯带对驾驶人的视觉有一定影响，因此，灯具应沿曲线外侧布置并缩小间距，考虑大型车辆遮挡灯光而产生阴影，影响后车行驶，建议将灯带向左偏移，与行车道中心线的距离应为1～2 m。目前，LED灯已经成为隧道应用的新型光源。LED灯的发光效率在隧道中可达80～100 lm/W，寿命可达50 000 h，且老化速度慢，使用大约20 000 h后发光量仍有原来的85%～90%，显色性也优于其他灯具[25]，因此，LED灯逐渐取代高压钠灯等光源。

2 隧道照明应用技术研究

除了关注隧道照明中的基础研究之外，也有大批学者结合其他学科领域的技术开展相关的应用研究，以解决隧道照明中供电、控制系统等方面的问题，给隧道照明研究带来新的视角和解决方案。

2.1 太阳能发电技术

在较偏僻的地区，电网供电系统的施工较为困难，遂提出了利用太阳能来发电的设想。太阳能光伏发电现已在山区隧道的节能领域有了实际价值，节省了对供电系统的投资，也避免了电网供电不稳定的影响[26]。张文俊通过的光伏发电实验，研究太阳光强度、太阳能板输出功率和LED灯功率之间的关系。实验表明：第一，三者间具有线性正相关关系；第二，当阳光充足时，太阳能电板给蓄电池充电，同时也给LED灯供电，当阳光不充足时，太阳能电板给LED灯供电；第三，太阳能光伏电板角度固定时，LED灯的功率在上午10时至下午1时达到最大；第四，自动追踪模式下发光效能和稳定性的优势更突出[27]。

2.2 数字辅助技术

随着计算机和电子信息等数字技术的发展，“智慧交通”成为交通发展的新趋势，目前隧道照明领域也有众多结合计算机和电子信息的相关“智慧”技术研究。

联动BIM系统的VR技术。传统的隧道照明设计只是从理论和经验层面分析可能的场景，难以模拟还原完全真实的驾驶情况。BIM技术有直观、动态、便捷、易于管理的特点，可以把所建物的三维模型导入计算机中，并对其进行各种分析和模拟。使用BIM软件将隧道的设计信息录入计算机中，调整其中某些灯光的参数进行光照分析，保存得到的通用格式文件作为其他软件的接口，再使用其他软件（如3DS MAX）对模型信息稍作调整，最后可通过虚拟模拟引擎系统（如Unreal Engine）进行虚拟驾驶，提高设计效率。在计算机外部设备方面，用户可通过VR头盔进入虚拟驾驶系统沉浸式体验公路隧道环境[28]。

物联网技术。在公路隧道照明的节能减排方面，提倡合理选择灯具、优化照明参数、正确布置灯具间距，但节能减排是一个复杂的任务，靠这些方法并不能完全达到节能减排目标。杨翠等[29]将物联网技术引入公路隧道照明，打造“智慧交通”。将物联网引入隧道照明是为了根据实际情况自动调整隧道内的灯光，从而高效率节能减排。

隧道照度自动采集系统。隧道的建造和后期运营维护阶段，需要对隧道内照明系统进行检测，确认照明效果能达到设计要求。系统检测通常采取人工现场检测，使用手持照度计定点进行采光检测，最后将检测数据处理并比对需求。但这种方法检测效率低下、人员易疲劳、数据误差大且不易处理。基于这个问题，长安大学贾光伟提出一种能够自动进行采集分析的设备模型。整个设备安装在小汽车内，有照度传感器、单片机和上位机3个小设备。通过实践表明，该自动检测设备效率远高于人工检测，且在经济上也能节省相当一笔费用，时间效益和经济效益也很明显[30]。

3 结论

隧道照明的首要任务是尽可能缓解“黑洞”效应和“白洞”效应的影响，由此解决隧道行车安全、驾驶员视觉舒适度和节能的问题。对比显示系数、阈限亮度差、小目标物可见度等概念和计算方法，以及SRN主观评价方法、察觉对比法等隧道亮度评估法，均与人眼视觉存在密切联系。隧道照明设计的要点包括灯具的材质和排列方式，目前LED灯和拱顶侧偏单光带的排列方式效率较高。

以上述研究为基础，和其他学科领域知识交叉应用，能够使隧道内的各种要素更可控。利用太阳能光伏电板可节约电能和节省偏远地区照明设备的施工成本，通过VR和IoT等数字辅助技术可模拟隧道照明设计的情景，自动决策灯具开关，自动采集隧道内照度等。通过上述设计理论与方法、技术的综合应用，达到公路隧道照明安全、舒适、节能的目的。