基于光氣候理論的隧道洞外景物亮度研究*

孫春紅 楊春宇 陳仲林

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

1 引言

公路隧道作為公路上特殊的構(gòu)筑物，照明有其特殊性。白天隧道外亮度很高，當(dāng)駕駛?cè)藛T從高亮度的隧道外進(jìn)入到黑暗的隧道內(nèi)時(shí)，由于人眼的視覺(jué)適應(yīng)特征，需要一定的適應(yīng)時(shí)間。為了避免因?yàn)橐曈X(jué)適應(yīng)可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題，在隧道的入口段和過(guò)渡段需要有較高的照明亮度，保證視覺(jué)適應(yīng)的順利過(guò)渡，確保行車安全。但是，高的入口段和過(guò)渡段亮度意味著高的電能消耗和使用維護(hù)費(fèi)用。

各國(guó)的隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或指南中，關(guān)于隧道入口段的亮度值都是以“一個(gè)停車視距處視野范圍內(nèi)的洞外平均亮度值L20(S)”為參數(shù)，乘以亮度折減系數(shù)k計(jì)算得到的。因此，隧道照明的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)——洞外亮度L20(S)的取值大小將直接關(guān)系到入口段和過(guò)渡段亮度取值大小，也決定了隧道照明節(jié)能、營(yíng)運(yùn)費(fèi)用和行車安全等。

作為隧道照明設(shè)計(jì)最基本參數(shù)的隧道洞外景物亮度值L20(S)，很多國(guó)家的科研人員進(jìn)行了較長(zhǎng)期的研究。并在這些研究的基礎(chǔ)上給出了隧道洞外景物亮度的建議值。CIE和歐盟關(guān)于隧道洞外亮度的建議值是以Postma在荷蘭關(guān)于日光照度的相關(guān)記錄作為參考依據(jù)的。英國(guó)的隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于洞外亮度的規(guī)定，是依據(jù)Hunt(1979)的全年任意時(shí)間日光水平照度的頻率狀況的研究作為參考依據(jù)的。《日本隧道照明標(biāo)準(zhǔn) (JIS Z 9116—1990)》中洞外亮度值是根據(jù)Yoshikawa等人對(duì)位于日本中部山區(qū)的典型高速公路隧道進(jìn)行了連續(xù)一年的測(cè)量，給出了洞外亮度平均值。

我國(guó)關(guān)于隧道照明的研究起步晚，經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)性的工作不足，在理論上的研究基本處于空白。目前使用的《隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范 (JTJ026.1—1999)》中關(guān)于隧道洞外景物亮度是直接引用的CIE隧道照明指南和歐盟隧道照明標(biāo)準(zhǔn)制定的。既沒(méi)有長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，更沒(méi)有考慮我國(guó)的實(shí)際光氣候條件和地區(qū)差異。

為了填補(bǔ)這一空白，20世紀(jì)90年代后期，重慶交通科學(xué)研究院在福建通過(guò)環(huán)境簡(jiǎn)圖法進(jìn)行了洞外亮度實(shí)測(cè)。2001年10月上海市照明燈具研究所利用黑度法對(duì)福建10條隧道的隧道洞口亮度進(jìn)行了測(cè)試。2005—2006年重慶交通科學(xué)研究院用數(shù)碼相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍照法對(duì)福建省多條公路路段的32處隧道洞口的洞外亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試和分析。但是由于測(cè)試僅限于福建省內(nèi)，并且每個(gè)隧道測(cè)試時(shí)的光環(huán)境條件都有很大的隨機(jī)性，不能表達(dá)不同地區(qū)和不同光氣候條件下洞外亮度的差異。

要獲得不同地區(qū)隧道洞外景物亮度，需要大范圍、長(zhǎng)時(shí)間對(duì)各地隧道洞外亮度測(cè)試，才可能獲得某一地區(qū)有代表性的、適宜的亮度參數(shù)。我國(guó)目前還沒(méi)有這樣大量的、長(zhǎng)期的洞外景物亮度測(cè)試數(shù)據(jù)作為制定標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。實(shí)際上，不同的地理位置、不同的光氣候條件、以及洞口要素的不同材質(zhì)和反射性能，其表面亮度值差異很大。我國(guó)幅員遼闊，地理緯度跨度較大，光氣候條件差異巨大，想以一個(gè)地方的數(shù)據(jù)作為國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

因此，為了得到符合我國(guó)國(guó)情，能反映不同地區(qū)的光氣候差異、更具普適性的隧道洞外景物亮度值，本文提出以光氣候理論為基礎(chǔ)，用已有的長(zhǎng)期觀測(cè)的光氣候數(shù)據(jù)資料來(lái)研究隧道洞外景物亮度。這種研究方法可以彌補(bǔ)我國(guó)洞外景物亮度觀測(cè)數(shù)據(jù)和理論研究的不足，也可以彌補(bǔ)隨機(jī)測(cè)量的所帶來(lái)的偶然性誤差。

2 隧道洞外景物亮度的參考光氣候條件

為了確保任何情況下隧道入口段的交通安全，原則上，入口段亮度 (Lth)需要設(shè)計(jì)為全年可能出現(xiàn)的最高入口段亮度值，也就是要以全年洞外景物最大表面亮度值為取值依據(jù)。但是，在實(shí)際的隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，如果用全年最大洞外景物表面的亮度值計(jì)算入口段所需照明亮度值，需要很高的入口段照明，無(wú)論從照明的經(jīng)濟(jì)性還是工程實(shí)施的必要性都是不合適的。

國(guó)際照明委員會(huì)在文件CIE 88—2004中明確指出:“如果用視野范圍內(nèi)的表面上出現(xiàn)的最高亮度值計(jì)算入口段亮度將會(huì)需要很高的入口段照明。因此提議用一年中至少出現(xiàn)75小時(shí)的最高亮度值作為計(jì)算參照值……”這種提法實(shí)際上是基于累積頻率的概念。CIE標(biāo)準(zhǔn)中提出的不是直接針對(duì)于某一特定時(shí)間的最高值，而是記錄超過(guò)一定出現(xiàn)頻率的較大值。

基于以上的觀點(diǎn)，從工程的實(shí)際需要出發(fā)，用累積出現(xiàn)頻率達(dá)到75個(gè)小時(shí)的最大亮度值作為確定洞外景物表面亮度的標(biāo)準(zhǔn)參考值。因此，本文確定用累積頻率75小時(shí)最大亮度值所對(duì)應(yīng)的光氣候狀況作為研究隧道洞外景物亮度的基準(zhǔn)參考光氣候條件。

本文以1983—1984年，中國(guó)氣象科學(xué)研究院和中國(guó)建筑科學(xué)研究院組織的，對(duì)全國(guó)14個(gè)有代表性的城市的光氣候觀測(cè)站進(jìn)行的光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括:每小時(shí)記錄的水平面總照度、水平面散射照度、水平面直射照度、以及日面狀況和云量狀況的觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)。

首先以重慶為例，通過(guò)對(duì)重慶1984年全年每小時(shí)記錄的水平面總照度的篩選分析，發(fā)現(xiàn)重慶1984年全年最大水平面總照度為125000lx，出現(xiàn)在1984年8月15日中午12:30。

累積出現(xiàn)頻率達(dá)到75小時(shí)的最大水平面照度值為97000lx，即:全年記錄數(shù)據(jù)中有75小時(shí)的水平面總照度大于97000lx，見(jiàn)圖1。

圖1 重慶地區(qū)1984年全年水平面照度累積頻率分布

分析大于97000lx的75個(gè)小時(shí)水平面照度值在不同時(shí)刻和不同月份所占比例，如圖2和圖3。從圖2中可以知道最大的75個(gè)水平面照度值主要出現(xiàn)在正午前后。出現(xiàn)在12:30和11:30總共達(dá)83%;出現(xiàn)在其他時(shí)段的:10:30時(shí)6個(gè)，14:30時(shí)1個(gè)。

（2）擁擠踩踏事故處置預(yù)案。志愿者應(yīng)負(fù)責(zé)好劃分區(qū)域內(nèi)的人員流動(dòng)與安全防范，禁止出現(xiàn)由于游客量增加而發(fā)生推擠、踩傷等狀況。一旦出現(xiàn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)疏導(dǎo)，并求助組織方進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)。

圖2 最大的75小時(shí)水平面照度在不同時(shí)刻的百分比

圖3 最大的75小時(shí)水平面照度在不同月份的百分比

如果考慮最大的75個(gè)水平面照度值的季節(jié)分布，從圖3可以看出，全部在暖半季。而以6、7、8月為主，占到了91%，其他的9%出現(xiàn)在5月和9月。并且6、7、8月出現(xiàn)的比例比較接近，近似均勻地分布在夏季的3個(gè)月。

累積出現(xiàn)頻率達(dá)到75小時(shí)的水平面照度，即大于97000lx的75個(gè)最大水平面照度值，對(duì)應(yīng)的日面狀況均為日面可見(jiàn)，其中80%的日面為 θ2狀態(tài)，20%的日面為θ狀態(tài)。沒(méi)有出現(xiàn)日面為П的情況。這說(shuō)明:水平面照度的最大值都出現(xiàn)在晴天空狀況下。

綜合以上的分析，重慶地區(qū)研究隧道洞外亮度可以將基準(zhǔn)參考光氣候條件定義為:夏至日正午的晴天空，參考水平面照度可以選擇97000lx。

進(jìn)一步分析其他13個(gè)城市的光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到同樣的結(jié)論:累積頻率75小時(shí)的最大水平面照度值都出現(xiàn)在夏季正午前后的晴天空條件下。只是累積頻率75小時(shí)的最大水平面照度值，不同地區(qū)存在差異。

因此，以累積出現(xiàn)頻率75小時(shí)的最大水平面照度和所對(duì)應(yīng)的天空條件作為計(jì)算該地區(qū)隧道洞外景物亮度的基準(zhǔn)參考光氣候條件是合適的。不同地區(qū)的光氣候差異表現(xiàn)在參考水平面照度值大小的差異。

3 參考光氣候條件下的隧道洞外景物表面照度

通過(guò)對(duì)重慶、貴州、福建等地的20多條隧道的實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)隧道洞外一個(gè)停車視距、20°視野范圍內(nèi)，典型的景物要素有洞口、路面、端墻、護(hù)坡、巖壁、綠化、建筑物、廣告牌等。這些被照表面的亮度都取決于被照表面的照度值和反射特征。所調(diào)研的隧道中未出現(xiàn)天空，因此本文的討論中未考慮天空亮度。

3.1 水平面照度值與垂直面照度值的轉(zhuǎn)換系數(shù)

既然隧道洞口所有的景物表面都可以簡(jiǎn)化為鉛垂面，那么如果能找到水平面照度和垂直面照度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以方便地將光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)中的水平面照度值轉(zhuǎn)化為垂直面照度。

垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)是指在一標(biāo)準(zhǔn)天空下，某一垂直面照度與水平面總照度的比值。重慶大學(xué)奚于成博士對(duì)此進(jìn)行了研究，并給出了與日面狀況和云量相關(guān)的、不同朝向的垂直面照度轉(zhuǎn)化系數(shù)。與研究隧道口洞外景物亮度的基準(zhǔn)參考天空條件對(duì)應(yīng)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們選取標(biāo)準(zhǔn)晴天空條件，即考慮日面狀況為θ2和總云量為0的條件下，不同方向的垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)。由于我們研究隧道洞外景物亮度的參考光氣候條件是夏至日正午，而在正午時(shí)刻?hào)|西方向的垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)應(yīng)該基本相當(dāng)，因此，本文根據(jù)文獻(xiàn) ［5］，并將東西方向合并取平均值，給出了累積出現(xiàn)頻率75小時(shí)的最大水平面照度的參考天空條件下的垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)，如表1。

表1 隧道洞外景物水平面照度與不同方向垂直面照度的轉(zhuǎn)換系數(shù) (來(lái)源:文獻(xiàn) ［5］)

2.2 以重慶為例計(jì)算隧道洞外景物表面照度

根據(jù)光氣候理論研究和已有成果的運(yùn)用，以及對(duì)重慶已有的光氣候觀測(cè)資料的分析，我們確定了重慶地區(qū)隧道洞外亮度的參考水平面照度為97000lx，參考天空條件為夏至日正午的標(biāo)準(zhǔn)晴天空。根據(jù)此條件選擇的垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)表 (表1)，計(jì)算出不同朝向的表面照度值，見(jiàn)表2。為了簡(jiǎn)便同時(shí)滿足工程的需要，精確到1000lx。

表2 重慶地區(qū)隧道洞外景物表面照度值

4 隧道洞外典型景物表面亮度

通常為了行車安全，在隧道入口處的構(gòu)建筑物盡量避免使用定向反射率高的材料，因此我們將隧道洞外典型景物表面定義為漫反射或近似漫反射表面。對(duì)于均勻漫反射可以用公式:L=E·ρ/π計(jì)算得到。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文將典型的隧道洞外景物要素分成幾類，分別考慮其表面亮度。

a)洞口亮度:根據(jù)隧道入口段的亮度要求直接給出了洞口亮度為200cd/m2。對(duì)于路面、構(gòu)建筑物和綠化植被則進(jìn)行了分別討論。

b)路面亮度:路面比較特殊，其表面為水平面，并且由于路面材料的不同，以及使用過(guò)程中的污染，其反射特征具有特殊性?？疾炻访娴谋砻媪炼?，首先確定某一地區(qū)的參考水平面照度，以及參考水平面照度中直射照度和散射照度;確定該地區(qū)夏至日正午的太陽(yáng)的天頂角γ;根據(jù)太陽(yáng)天頂角和路面材料做法確定路面類型。查CIE的簡(jiǎn)化亮度系數(shù)表，確定該天空條件和路面狀況下的亮度系數(shù)r，得到太陽(yáng)直射光的亮度。根據(jù)路面材料確定散射光的平均反射系數(shù)Q0，計(jì)算得到散射光的亮度，兩者之和即為天然光條件下的路面亮度。

c)構(gòu)建筑物的表面亮度:先假設(shè)其為均勻漫反射或近似均勻漫反射材料;根據(jù)參考光氣候條件中參考水平面照度的垂直面轉(zhuǎn)化系數(shù)轉(zhuǎn)化成不同方向的垂直面照度，根據(jù)常用材料反射系數(shù)表選定材料的反射系數(shù)，就可以計(jì)算出構(gòu)建筑物的表面亮度。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文分成深淺材質(zhì)，取了兩種典型反射系數(shù)值 (ρ=0.2和ρ=0.5)計(jì)算。

d)植被綠化表面亮度:將灌木、喬木和坡面上的草本植物理解成鉛垂面;用參考水平面照度的垂直面轉(zhuǎn)化系數(shù)轉(zhuǎn)化為不同方向的垂直面照度。選取兩種不同深淺的植被 (ρ=0.05和ρ=0.1)，就可以計(jì)算出植被表面亮度。

簡(jiǎn)化之后的重慶地區(qū)隧道洞外典型景物亮度取值見(jiàn)表3。

同樣，可以根據(jù)不同地區(qū)的光氣候觀測(cè)資料確定參考光氣候條件，并計(jì)算出各個(gè)地區(qū)的隧道洞外典型景物表面亮度，作為隧道照明設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)參數(shù)和依據(jù)。

5 小結(jié)

本文在國(guó)內(nèi)外隧道照明研究成果基礎(chǔ)上，以光氣候理論為依據(jù)，結(jié)合CIE關(guān)于隧道洞外亮度值取值原則中的累計(jì)出現(xiàn)頻率的概念，確定用參考光氣候條件作為計(jì)算隧道洞外景物亮度的基準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)多個(gè)城市的光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)這一理論的普適性進(jìn)行研究。并以重慶為例，給出計(jì)算了隧道洞外典型景物亮度值的方法，并計(jì)算出重慶地區(qū)的隧道洞外典型景物亮度值。

表3 重慶地區(qū)隧道洞外典型景物亮度值L(cd/m2)

光氣候理論研究隧道洞外景物亮度，可以得到更準(zhǔn)確、更符合我國(guó)光氣候特點(diǎn)的隧道洞外景物亮度的標(biāo)準(zhǔn)參考值，為隧道照明設(shè)計(jì)提供更切合實(shí)際的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，避免因隧道洞外亮度值取值的不準(zhǔn)確帶來(lái)的能源浪費(fèi)或者因此造成的安全隱患。

［1］公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范 (JTJ026.1—1999)．中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2000年

［2］Tunnel Entrance Lighting:A Survey of Fundamentals for Determining the Luminance in the Threshold Zone(E)，CIE/CIE 61—1984

［3］CIE 88:2004， 2nd Edition． GUIDE FOR THE LIGHTING OF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES

［4］JIS Z 9116—1990． 日 本．Lighting ofTunnels for Motorized Traffic

［5］奚于成，楊光璇，張青文．從水平面照度到垂直面照度轉(zhuǎn)換系數(shù)的探討，照明工程學(xué)報(bào)，1994，9