隧道LED照明關(guān)鍵問題探討

1 引言

隧道一種特殊的管狀構(gòu)造物，與洞外明亮寬敞的道路不同，車輛白天進出隧道是一個從明亮進入黑洞，又從黑洞走向明亮的過程，在這個過程中存在幾個特殊的視覺問題，車輛白天進入隧道，在隧道入口會出現(xiàn)“黑洞效應”;進入隧道后，肉眼需要一定時間才能適用隧道內(nèi)部的光環(huán)境，出現(xiàn)“適應滯后現(xiàn)象”;在隧道出口處，由于洞外亮度極高，在出口處出現(xiàn)“白洞效應”。由于這幾種特殊的視覺問題，給隧道照明提出了極高的要求。

由于隧道照明是一種密集、定向照明，需要隧道燈具一天24小時連續(xù)不間斷點亮， 而LED光源作為一種定向照明光源，特別適合隧道這種密閉空間內(nèi)的密集照明，能最大限度地發(fā)揮LED節(jié)能的特點，并且隧道內(nèi)部相對恒溫的工作環(huán)境、汽車行駛的空氣流動特性也很有利于LED隧道燈燈具的散熱，因此隧道照明被認為是LED照明的最佳應用領(lǐng)域之一。

近年來，在國家“十城萬盞”的推動下， 廣東、福建、浙江、江蘇、安徽、上海等全國各地紛紛開展隧道LED照明試點工程。重慶也緊追試點工程的步伐，目前重慶現(xiàn)有隧道總計超過200座，而在建隧道170余座、總延長近300公里，其中3000米以上特長隧道41座，自2007年開始逐步試點多座隧道，但由于相關(guān)部分和LED燈具生產(chǎn)企業(yè)對隧道照明的特殊性認識不足、而LED光源本身也尚在發(fā)展中，前期重慶各地的LED隧道照明試點工程中暴露出了很多問題，節(jié)能、照明效果令人很不滿意，因此相關(guān)交通主管部門對隧道LED照明總體持謹慎態(tài)度。

為了促進重慶LED隧道照明的健康發(fā)展及全面推廣應用，針對隧道LED照明目前存在的各種問題，重慶市高速公路集團、招商局重慶交通科研設計研究院、重慶大學、交通部公路設計研究院，聯(lián)合開展了《高速公路隧道LED智能照明系統(tǒng)設計及應用成套關(guān)鍵技術(shù)研究》的重慶市科技攻關(guān)重大項目研究，旨在總結(jié)國內(nèi)隧道照明的經(jīng)驗教訓，深入認識隧道LED照明的規(guī)律與特點，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)隧道LED照明試點工程中暴露出來的共性問題，找出問題的原因、制定相應的對策，使隧道LED照明的優(yōu)勢得以發(fā)揮、而不足得到逐步克服。通過項目的實施，在隧道照明的關(guān)鍵問題研究方面取得了明顯的進展，對隧道LED照明提出了很多有益的建議。

2 隧道LED照明的共性問題探討

2.1 隧道LED照明的光源色溫選擇問題

2.1.1行車安全性對光源色溫的要求

在LED光源中，色溫越高、光效越高，純粹從節(jié)能的角度看光源的色溫越高越好。由于色溫兼具生理性和心理性兩種屬性，其中生理性包含反應時間、中間視覺效應、對障礙物的分辨能力等指標[1];心理性包含舒適感、滿意度等指標。其中反應時間對于保障道路照明節(jié)能和交通安全是至關(guān)重要的，反應時間短、發(fā)生交通事故的可能性就越小。因此在隧道照明中，不應單純考慮節(jié)能指標進行光源的色溫選擇，還應重點考慮安全指標、從人眼的反應時間出發(fā)進行光源的色溫選擇。

人眼的反應時間不但與照明光源的亮度、被照體的對比度等有關(guān)，還與照明光源的色溫有關(guān)。通過研究不同背景亮度下光源色溫與反應時間的關(guān)系，確定隧道光源合理的色溫區(qū)間，將有利于隧道照明交通安全和科學節(jié)能。為了探究在不同背景亮度下，人眼對不同色溫的反應時間，選擇2700K - 6400K的幾種不同色溫的緊湊型熒光燈、無極熒光燈進行了對比試驗[2]-[3]。圖1為2700K、6400K兩種不同相關(guān)色溫緊湊型熒光燈反應時間與背景亮度之間關(guān)系的歸一化實驗結(jié)果，圖2為4000K、5000K、6500K三種相關(guān)色溫的無級熒光燈反應時間與背景亮度之間關(guān)系的歸一化實驗結(jié)果，但是圖1是將2700K的緊湊型熒光燈在背景亮度1.0cd/m2的反應時間實測值作為歸一化初始值，圖2是將4000K的無極熒光燈在背景亮度0.32cd/m2的反應時間實測值作為歸一化初始值。

從圖1、圖2可以看出，對于緊湊型熒光燈，高色溫6400K的反應時間比低色溫2700K的反應時間短;對于無級熒光燈，色溫4000K和5000K的反應時間相當，且都低于色溫6500K時的反應時間。根據(jù)反應時間的研究結(jié)果，從隧道照明的安全性出發(fā)，色溫為4000K~5000K的光源優(yōu)于高色溫6500K或者低色溫2700K的光源。

2.1.2行車舒適性對光源色溫的要求

從隧道照明舒適性和滿意度出發(fā)，前人的研究表明[1]，不同的色溫對人的感覺不同，主觀亮度受照度、色溫及顯色性的交互影響，人在低照度的環(huán)境下偏好低色溫，當照度愈高時，則偏向于較高的色溫。人對色光環(huán)境的舒適區(qū)域范圍如表1所示。

由于不同隧道區(qū)段、不同的交通量、不同的行車速度對應著不同的照度值標準，根據(jù)表1所示的心理感覺與光源色溫、照度的關(guān)系，對于照度值小于500Lux隧道照明區(qū)段，采用暖色或者中間色較好，對于照度值大于500Lux而小于2000Lux的隧道照明區(qū)段，采用中間色或者冷色較好。

因此，在進行隧道照明設計時，需在在滿足隧道照明設計物理標準的前提下，充分考慮使用者的視覺舒適性，并在光效、反應時間、色溫之間取得平衡。結(jié)合反應時間與色溫、視覺舒適性與色溫、光效與色溫關(guān)系的研究成果，色溫為5000K左右的LED光源是隧道照明光源的較好選擇。

2.2 隧道LED照明光源配光與隧道配光方式的探討

根據(jù)國家隧道照明標準“公路隧道通風照明設計規(guī)范JTJ 026.1—1999”的要求，將隧道照明按照不同的區(qū)段分為了如圖3所示的入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明、接近段照明等，不同的區(qū)段對應著不同的設計亮度值。

根據(jù)CEN技術(shù)報告“CR 14380-2003”[4]，將隧道照明系統(tǒng)分為圖4所示的寬光帶對稱照明系統(tǒng)和圖5所示的非對稱照明(逆光照明)系統(tǒng)。另外還有一種圖6所示的非對稱的照明系統(tǒng)—順光照明系統(tǒng)，要實現(xiàn)隧道照明在符合照明質(zhì)量的前提下經(jīng)濟合理的設計，需要從燈具配光和隧道配光兩方面入手。

在燈具配光方面，由于不同的隧道結(jié)構(gòu)(寬度、高度)、以及不同的隧道內(nèi)部條件(路面反射系數(shù)、墻面反射系數(shù))、隧道的不同區(qū)段(基本段、過渡段、入口段、出口段、加強段)對照明的要求有很大差異，使得隧道燈有各種不同的布燈方式(側(cè)面、頂部布燈，單側(cè)、雙側(cè)布燈，對稱、交叉布燈等)，從而對應這不同的燈具配光形式，因此燈具的配光設計方面，需要將燈具的光學配光指標與隧道具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、區(qū)段、布燈方式相結(jié)合。

對于隧道中間段，由于燈具排布間隔較大，適宜采用寬光帶對稱照明配光，即要求LED隧道燈配光呈蝠翼或朗伯型分布，其最大光強投射角和空間各方向的光強值根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)、內(nèi)部條件而定。對于隧道入口段和出口段，亮度值要求很高，需要隧道燈具密集排布，布燈間距很小，可以采用逆光照明方式或者順光照明方式。由于逆光照明方式能較容易辨別障礙物，并且大幅度提高路面的平均亮度，但是眩光明顯，適應于交通流量較小的道路隧道入口段。順向照明方式，光線照射在行駛車輛的后面，可以提高后行車輛的目視性，增強交通安全性。特別是在汽車剛進入隧道和開出隧道時，能有效的改善先行車輛突然消失這一現(xiàn)象，起到防止事故，緩解阻塞的作用。這種照明方式適應于交通流量大、設計速度高的城市隧道。這兩種照明方式對應的LED隧道燈的配光呈偏轉(zhuǎn)的聚光型或者側(cè)射型，其最大光強投射角和空間各方向的光強值根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)、內(nèi)部條件而定。

在隧道配光方面，為了達到符合國標亮度值、節(jié)能、經(jīng)濟的目的，需要對LED照明燈具進行合理的優(yōu)化布局設計。對于圖7所示的隧道斷面模型，需要優(yōu)化的參數(shù)主要為燈具排列方式(單排中央排列，雙排交錯排列，雙排對稱排列)、布燈高度H，布燈位置X，安裝傾斜角A，安裝間隔S等幾個參數(shù)。由于照明計算是個很復雜的工程，因此進行優(yōu)化設計時，需要借助相關(guān)照明設計軟件并基于相關(guān)優(yōu)化算法實現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟的隧道照明設計。

2.3 功能照明與引導照明配合問題探討

功能照明和引導照明是道路照明不可缺少的兩部分。功能照明幫助駕駛員分辨前方路面障礙物，且輔助道路監(jiān)控系統(tǒng)記錄發(fā)生車輛事故的過程;引導照明是為了凸顯道路的邊緣或者隧道輪廓，避免車輛發(fā)生擦邊、碰壁現(xiàn)象。車輛在高速公路行駛時，由于高速公路禁止行人行走，而沒有設置路燈照明等功能照明，依靠汽車的前照燈完成道路照明的功能，并利用道路兩旁反射標志完成引導照明的功能，顯示道路邊緣，防止車輛擦邊，從而保證行車安全。

對于隧道照明，因為車輛是行駛在一個狹窄超長的隧道空間，駕駛員同時兼?zhèn)湫睦硇?反應時間等)和生理性(安全感等)兩種狀態(tài)，因此隧道照明最好采用功能照明和引導照明相結(jié)合的形式，即隧道頂部安置LED隧道照明燈具，隧道兩側(cè)安置LED指示燈具。但是由于車輛在隧道行駛時會將前照燈開啟，因此可以適當降低中間段的照明亮度指標，而依靠汽車前照燈完成部分功能照明的作用。

2.4 隧道LED照明燈具可維護性問題探討

2.4.1隧道LED照明燈具的通用性、互換性問題探討

2.4.1.1 燈具結(jié)構(gòu)尺寸的通用性、互換性問題探討

目前LED隧道照明示范工程主要有兩種方式。一種方式是在原來高壓鈉燈的安裝條件的基礎上用LED隧道燈替換高壓鈉燈;另一種方式是根據(jù)LED隧道燈的配光性能并結(jié)合隧道的實際情況設計隧道燈的安裝方式(安裝間距、安裝位置、安裝傾斜角等)，由于不同的隧道、不同規(guī)格型號的LED隧道燈對應著不同的安裝方式，這樣一來造成安裝方式千差萬別，LED隧道燈的支撐架也形式各異。由于各LED隧道燈具生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的燈具型號各異、安裝尺寸各異，這給LED隧道燈的后期維護、更換帶來的極大的困難。因此急需解決安裝、結(jié)構(gòu)的通用性問題，才能規(guī)范市場，促使LED隧道照明產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

對于用LED隧道燈替換高壓鈉燈方式，需要統(tǒng)一LED隧道燈的安裝尺寸，即安裝間距、膨脹螺釘?shù)囊?guī)格、空間安裝高度等;對于直接用LED隧道燈進行設計的方式，需要不同廠家、不同型號的LED隧道燈燈具能實現(xiàn)燈具互換、廠家互換、型號互換，最大程度上解決LED隧道燈安裝、結(jié)構(gòu)的通用性問題。

2.4.1.2 燈具電源的可換性問題探討

由于LED芯片、封裝、散熱技術(shù)的發(fā)展，LED自身的光衰問題逐步得到解決，使得LED驅(qū)動電源的問題日益凸顯，其壽命遠遠小于LED的壽命，在現(xiàn)有的LED隧道燈產(chǎn)品應用過程中，其失效很大程度上是電源故障造成的，驅(qū)動電源已經(jīng)逐步成了LED隧道燈的瓶頸，因此更換電源而不換燈成為一個LED隧道光源維護使用中的實際需求。為了方便地更換電源，在進行LED隧道燈設計時，需要將驅(qū)動電源全部外置，即使LED隧道燈燈體與驅(qū)動電源分離。

2.4.2灰塵污染與清洗

由于隧道是個相對封閉的管道，雖然進行了通風設計，但是常年累月的車輛通行，車輛尾氣等污染氣體不能及時排出，這些灰塵部分粘結(jié)到LED隧道照明燈具的玻璃罩或者透鏡上，使得燈具的照明效果變差，并且灰塵落在散熱器上將使得LED隧道燈散熱通道阻塞，散熱性能下降，從而造成燈體內(nèi)的溫度上升，并使LED隧道燈的光衰加劇。

與高壓鈉燈相比，由于LED是冷光源，如果密封設計合理，則LED可以耐受水的直接沖洗。因此如果在LED隧道燈設計時結(jié)合LED作為冷光源的特性，努力提高燈具密封、抗水性能，使得LED隧道燈燈具工作直接能耐高壓水直接沖射，就可以在燈具正常工作條件下、實現(xiàn)燈具的在線定期清洗維護，從而提高燈具的光效、改善照明效果。

3 結(jié)論

隧道照明設計是一個復雜的工程，隧道照明效果是LED燈具、隧道照明環(huán)境、隧道照明設計等多方面共同作用的綜合結(jié)果。本文分析了國內(nèi)隧道LED照明試點工程中暴露出來的共性問題，并對問題提出了可行性的建議。如LED隧道燈的色溫選擇需要在反應時間、視覺舒適性、光效、色溫之間取得平衡，以5000K左右為宜;要達到最佳隧道照明效果，必須綜合考慮燈具配光與隧道配光、順光與逆光方式相結(jié)合;為了車輛駕駛員心理性和生理性的統(tǒng)一，需實現(xiàn)功能照明與引導照明相結(jié)合，并可適當降低中間段的亮度值;在燈具的維護性和更換方面，LED燈具的安裝尺寸最好統(tǒng)一，且不同廠家的燈具互換、型號互換，LED隧道燈燈體與驅(qū)動電源分離等。上述的這些問題是目前存在的國內(nèi)隧道LED照明示范工程中的問題，通過LED生產(chǎn)企業(yè)與隧道照明設計部門的共同努力，完全可以解決，從而能使隧道LED照明的在兼顧安全性、使用性、節(jié)能性的條件下，充分發(fā)揮LED的優(yōu)勢。

參考文獻

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[2] 陳忠林、張青文、胡英奎等道路照明水平下光源色溫與反應時間之間的關(guān)系探討[C]，2009

[3] 崔璐璐、陳忠林、殷穎等隧道照明安全與光源光色研究[J].照明工程學報，2009，20(2):24-29.

[4] CR 14380，Lighting application-Tunnel lighting CEN Report.