浙西南山區(qū)高速公路隧道洞外亮度L20(S)研究

涂耘 王少飛 侯伶 張琦蔡堅(jiān)健 謝曉輝 劉琦 潘永杰

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 隧道建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067;2.國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心，重慶 400067;3.浙江金麗溫高速公路有限公司監(jiān)控中心，麗水 323000)

1 引言

洞外亮度L20(S)是指在公路隧道接近段起點(diǎn)S處，距地面1.5m高、正對(duì)洞口方向20°圓錐角視場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)測(cè)得到的平均亮度［1～2］，如圖1所示。洞外亮度L20(S)是公路隧道照明設(shè)計(jì)最重要的基準(zhǔn)參數(shù)之一，其取值對(duì)公路隧道照明系統(tǒng)工程投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用都將產(chǎn)生較大影響。日本在建設(shè)東京灣海底隧道時(shí)曾做過詳細(xì)比較［3］，如其他基準(zhǔn)參數(shù)相同，洞外亮度 L20(S)由4000cd/m2提高至 6000cd/m2，照明設(shè)備費(fèi)將增加34～51%，年運(yùn)營(yíng)電耗將增加30～46%。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)［1］，洞外亮度 L20(S)取值將顯著影響公路隧道入口加強(qiáng)照明 (入口段、過渡段)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目前，浙西南地區(qū)的金麗溫、兩龍高速公路隧道洞外亮度L20(S)通常按4000cd/m2取值，由于沒有考慮公路隧道洞口的具體條件和實(shí)際特點(diǎn)，使得部分公路隧道運(yùn)營(yíng)照明能耗過高，造成不必要的能源浪費(fèi)。本文介紹了對(duì)金麗溫、兩龍高速公路4座山區(qū)公路隧道洞外亮度L20(S)的實(shí)測(cè)結(jié)果，提出浙西南山區(qū)高速公路隧道洞外亮度L20(S)建議值，可供高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)營(yíng)及改造設(shè)計(jì)時(shí)參考。

圖1 20°圓錐角視場(chǎng)范圍示意圖

2 公路隧道洞外亮度L20(S)的傳統(tǒng)測(cè)算方法

公路隧道洞外亮度L20(S)的傳統(tǒng)測(cè)算方法主要有4種:查表取值法、黑度測(cè)試法、環(huán)境簡(jiǎn)圖法和等效亮度法［1～2］。

2.1 查表取值法

在工程設(shè)計(jì)階段，由于道路沒有完全形成、洞口結(jié)構(gòu)物尚在施工、洞口地形和綠化效果尚未確定，因而很難得到公路隧道洞外亮度L20(S)的精確值，此時(shí)可查詢?cè)O(shè)計(jì)規(guī)范的建議值。由于查表取值法未考慮實(shí)際在建工程的具體特點(diǎn)，其取值結(jié)果與實(shí)際數(shù)值相比誤差一般會(huì)比較大。

2.2 黑度測(cè)試法

由于公路隧道洞口環(huán)境中景物的亮度受晝光影響，是非恒定和瞬息間的變化著。因此，要測(cè)試洞口環(huán)境中景物的亮度，就必須將眾多被測(cè)景物亮度測(cè)量限制在極短的時(shí)間間隔內(nèi)。若用亮度計(jì)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)試，就會(huì)因耗時(shí)過長(zhǎng)而帶來一定誤差。黑度法將被測(cè)對(duì)象一次性同時(shí)成像在膠片上，繼而在實(shí)驗(yàn)室認(rèn)讀負(fù)片上被測(cè)對(duì)象的黑度值，進(jìn)而再換算成亮度值，就能完成眾多被測(cè)亮度對(duì)象的同時(shí)記錄和取值［4］。

黑度測(cè)試法是現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范推薦的一種簡(jiǎn)易的公路隧道洞外亮度L20(S)實(shí)測(cè)方法［1］，上海市照明燈具研究所曾采用黑度測(cè)試法對(duì)甬臺(tái)溫高速公路、福廈高速公路和羅寧高速公路的山嶺隧道進(jìn)行了一系列實(shí)測(cè)［4］。該方法缺點(diǎn)是測(cè)試精度與感光膠片質(zhì)量、沖洗狀況等密切相關(guān)，且數(shù)據(jù)處理過程較為復(fù)雜［5］。

2.3 環(huán)境簡(jiǎn)圖法

環(huán)境簡(jiǎn)圖法是根據(jù)公路隧道洞口外一個(gè)停車視距處20°圓錐角視場(chǎng)環(huán)境簡(jiǎn)圖中天空、路面及其他不同洞口景物的亮度來綜合確定洞外亮度L20(S)的方法，其計(jì)算公式為:

式中 Lc——天空亮度 (cd/m2);

LR——路面亮度 (cd/m2);

LE——環(huán)境亮度 (cd/m2);

Lth——隧道入口段亮度 (cd/m2);

r——天空所占百分比 (%);

Q——道路所占百分比 (%);

ε——景物所占百分比 (%);

τ——隧道洞口所占百分比 (%);

r+Q+ε+τ=1

對(duì)100m和160m停車視矩而言，τ值一般低于10%，同時(shí) Lth值較小，因而 τ·Lth可忽略不計(jì)，則有:

式中 Lc、LR、LE可采用亮度儀測(cè)試確定;r、Q、ε取值則由環(huán)境簡(jiǎn)圖來確定。

環(huán)境簡(jiǎn)圖法是國際照明委員會(huì) (CIE)最早推薦的一種洞外亮度L20(S)測(cè)算方法［2］，招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院隧道工程所曾在國內(nèi)首次采用環(huán)境簡(jiǎn)圖法，對(duì)京珠高速公路粵境北段和南段隧道群進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，為工程建設(shè)提供科學(xué)合理的指導(dǎo)意見，節(jié)約了近千萬元的投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用［6～7］。

采用環(huán)境簡(jiǎn)圖法時(shí)，環(huán)境亮度測(cè)試值會(huì)受到測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)影響，不同人員測(cè)得的樣本景物亮度差別很大，同樣會(huì)造成洞外亮度L20(S)取值有較大誤差。

2.4 等效亮度法

等效亮度法是國際照明委員會(huì) (CIE)目前最新提出的一種洞外亮度L20(S)測(cè)試方法［2］，其計(jì)算公式為:

式中 Lseq——等效光幕亮度 (cd/m2);

Lije——眼睛所能看見的每個(gè)地帶的亮度(cd/m2);

Lij——每個(gè)地帶的平均亮度 (在汽車外擋風(fēng)玻璃遷測(cè)試)(cd/m2);

Lws——擋風(fēng)玻璃損失亮度 (cd/m2)，可忽略不計(jì)。

采用等效光幕亮度法測(cè)試公路隧道洞外亮度L20(S)所使用的儀器較為復(fù)雜，其計(jì)算方法也比較繁瑣［8～9］，實(shí)際工程應(yīng)用的可操作性較差。

3 公路隧道洞外亮度L20(S)數(shù)碼測(cè)試分析法

上述4種公路隧道洞外亮度L20(S)測(cè)算方法均存在測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)、數(shù)據(jù)處理繁瑣、誤差相對(duì)較大等缺點(diǎn)，因而未能在實(shí)際工程中得到全面推廣應(yīng)用。隨著電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)制造工藝日臻完善，其質(zhì)量和性能有了大幅提升。數(shù)碼相機(jī)用于光環(huán)境測(cè)試的潛能高于傳統(tǒng)測(cè)光儀器且價(jià)格較低。采用數(shù)碼相機(jī)作為測(cè)光工具不但可擺脫感光膠片的局限性，而且還能將采集的光信息數(shù)據(jù)直接輸入計(jì)算機(jī)，使得公路隧道洞外亮度L20(S)的整個(gè)測(cè)試過程由采用普通黑白相機(jī)測(cè)試的4步 (拍攝、沖洗、輸入、處理)簡(jiǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)拍攝和計(jì)算機(jī)處理2步，在縮短測(cè)試周期的同時(shí)大大減少數(shù)據(jù)分析工作量［10～12］。這種測(cè)試方法精度較高，也有利于工程應(yīng)用。

3.1 數(shù)碼測(cè)試法的基本原理

根據(jù)攝影理論和照相光度學(xué)，曝光量H和攝像過程中所采用的光圈數(shù) F、曝光時(shí)間T、目標(biāo)物亮度L存在如下關(guān)系:

式中 τ——鏡頭光學(xué)透射系數(shù)，其反映感光材料的主要特征指標(biāo)。

數(shù)碼相機(jī)CCD板對(duì)外界光能量的響應(yīng)是線性的，其存在如圖2所示的感光特性曲線。數(shù)碼測(cè)試法就是利用數(shù)碼相機(jī)生成的數(shù)字圖像灰度D與曝光量H之間存在的線性關(guān)系:D=f(lgH)(特性曲線中的直線段部分)，通過獲取某幅數(shù)字圖像的灰度值后求出拍攝圖像時(shí)所用的曝光量H，再由式 (5)得到亮度L。

圖2 數(shù)碼相機(jī)感光特性曲線

3.2 數(shù)碼測(cè)試法的主要設(shè)備

本研究通過數(shù)碼測(cè)試法實(shí)測(cè)公路隧道洞外亮度L20(S)所使用的儀器主要包括:

(1)數(shù)碼相機(jī)1臺(tái)，型號(hào):NIKON E8800(如圖3所示);

(2)木質(zhì)灰卡1套，型號(hào):Kodak(如圖4所示);

(3)亮度儀1臺(tái)，型號(hào):MINOLTA LS100(如圖5所示);

(4)野外測(cè)試用三腳架1副;

(5)指南針一部;

(7)記錄夾一副。

圖3 NIKON E8800

圖4 KODAK Gray Cards

圖5 MINOLTA LS100

3.3 數(shù)碼測(cè)試法的一般步驟

本研究采用數(shù)碼測(cè)試法實(shí)測(cè)公路隧道洞外亮度L20(S)的一般步驟如下:

(1)確定數(shù)碼相機(jī)拍攝點(diǎn)位置 (公路隧道設(shè)計(jì)速度為80km/h、洞口外道路縱坡為0%時(shí)，拍攝點(diǎn)距洞口100m)，并用指南針測(cè)試洞口朝向;

(2)將數(shù)碼相機(jī)鏡頭中心調(diào)整為距路面1.5m;

(3)將反射率為18%的灰卡置于拍攝點(diǎn)和洞口之間，灰卡中心距路面1.5m;

(4)開啟亮度儀后調(diào)整其焦距，使測(cè)試對(duì)象在儀器觀景窗中清晰可見;

(5)將亮度儀對(duì)準(zhǔn)灰卡，讀取測(cè)試亮度值，同時(shí)用數(shù)碼照相機(jī)拍攝洞口及周圍景觀照片 (含灰卡);

(6)通過自行開發(fā)的“隧道洞口亮度測(cè)試系統(tǒng)”［13］(如圖6所示)分析數(shù)碼相片中的灰卡亮度值，并將其與亮度儀測(cè)取的灰卡亮度值進(jìn)行對(duì)比，選取一定誤差范圍內(nèi) (≤5%)的數(shù)碼照片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而獲得較為精準(zhǔn)的公路隧道洞外亮度L20(S)。

圖6 公路隧道洞口亮度測(cè)試系統(tǒng)軟件登錄界面

4 浙西南高速公路隧道洞外亮度L20(S)測(cè)試

本研究在2010年8月晴好天氣狀況下，對(duì)浙西南地區(qū)的金麗溫、兩龍高速公路的4座高速公路隧道洞外亮度L20(S)展開現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，其部分測(cè)試分析結(jié)果如圖7～圖10所示。4座公路隧道的洞外亮度L20(S)變化曲線如圖11～圖14所示。

圖7 陽山隧道洞外亮度L20(S)測(cè)試分析圖 (11:00)

圖8 牛廷嶺隧道洞外亮度L20(S)測(cè)試分析圖 (14:00)

通過采用數(shù)碼測(cè)試法對(duì)陽山隧道、牛廷嶺隧道、閹基頭隧道和東田隧道的洞外亮度L20(S)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并結(jié)合浙江西南部氣象條件，本研究得出如下分析結(jié)論:

(1)金麗溫、兩龍高速公路隧道洞口外一個(gè)停車視距處 20°圓錐角視場(chǎng)范圍內(nèi)天空含率一般為0%。

圖9 閹基頭隧道洞外亮度L20(S)測(cè)試分析圖 (13:00)

圖10 東田隧道洞外亮度L20(S)測(cè)試分析圖 (11:00)

圖11 陽山隧道洞外亮度L20(S)變化曲線

(2)金麗溫、兩龍高速公路采用端墻式洞門的公路隧道，其洞外亮度 L20(S)取3000 cd/m2較為合理;采用削竹式洞門的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取2500 cd/m2較為合理。

(3)根據(jù)金麗溫、兩龍高速公路隧道洞外亮度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在夏季 (6月～8月)晴好天氣狀況下，洞外亮度L20(S)的最大值一般出現(xiàn)在11:00～14:00。因此，公路隧道照明控制采用時(shí)序控制法時(shí)，應(yīng)注意時(shí)間段的劃分，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)營(yíng)。

圖12 牛廷嶺隧道洞外亮度L20(S)變化曲線

圖13 閹基頭隧道洞外亮度L20(S)變化曲線

圖14 東田隧道洞外亮度L20(S)變化曲線圖

5 公路隧道接近段減光措施

如果公路隧道洞門景觀設(shè)計(jì)不考慮周圍環(huán)境亮度，要么將給公路隧道運(yùn)營(yíng)安全埋下隱患，要么將使得公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)置龐大造成電能浪費(fèi)。因此，應(yīng)通過對(duì)洞口山坡綠化或?qū)Y(jié)構(gòu)物進(jìn)行減光處理，盡量降低洞外亮度L20(S)。例如，接近段路面采用深色材料 (如圖15所示)、對(duì)洞門端墻進(jìn)行暗化處理 (如圖16所示)、在洞口附近種植深色植被(如圖17所示)等。

圖15 公路隧道接近段深色路面

圖16 公路隧道洞門端墻進(jìn)行暗化處理

植被反射光比裸露的巖石、土坡、混凝土、端墻等反射光柔和得多。植被大致可以分為草地和樹木，前者表面為毛狀結(jié)構(gòu)，由很多垂直面組成，后者可以視為更大的毛狀結(jié)構(gòu)，亮度特性與前者大體類似。因此，在公路隧道入口附近種植具有垂直表面的植被較為有利。應(yīng)當(dāng)注意的是，同為綠色植物的闊葉樹與針葉樹的光譜反射曲線雖大體相似，卻又略有不同，由圖18可知，種植針葉樹比闊葉樹好些，洞口種植像松塔那樣具有水平成層枝葉的喬木是比較理想的;另一方面，高大喬木可以投下濃重的陰影，避免或減弱陽光對(duì)路面的照射，對(duì)降低接近段路面亮度十分有益。

此外，洞口處的大型淺色調(diào)廣告宣傳牌越少越好、最好沒有，這是因?yàn)榇笮蜏\色調(diào)廣告宣傳牌對(duì)提升洞外亮度 L20(S)有一定的影響 (如圖19所示)，加之廣告信息屬冗余信息，容易導(dǎo)致駕駛員分散注意力 (公路隧道入口本身就是事故高發(fā)地段)。

丹麥金碩公司專家1992年訪華時(shí)介紹了挪威公路隧道接近段減光措施的研究成果［6］:① 植被和灌木可降低洞外亮度5%～7%;②洞門端強(qiáng)采用深暗顏色，可降低洞外亮度5%～7%;③洞口外至少一個(gè)停車視距長(zhǎng)路面采用暗色材料，可降低洞外亮度12% ～27%。

圖17 適宜的洞口綠化

圖18 綠色植被的光譜反射曲線

6 公路隧道洞外亮度L20(S)取值效益分析

目前，浙西南大量公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常采用的洞外亮度L20(S)≥4000cd/m2。根據(jù)分析計(jì)算，當(dāng)公路隧道洞外亮度L20(S)降低為3500cd/m2時(shí)，加強(qiáng)照明系統(tǒng)大約可節(jié)能11.78% (按系統(tǒng)功率計(jì)算);若降低至3000cd/m2時(shí)，加強(qiáng)照明系統(tǒng)節(jié)能可達(dá)25.39% (按系統(tǒng)功率計(jì)算)，從而大幅減少電能消耗、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)約運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。

7 結(jié)語

(1)本文介紹了一種采用數(shù)碼測(cè)試法快速實(shí)測(cè)試公路隧道洞外亮度L20(S)的新穎技術(shù)，其克服了傳統(tǒng)公路隧道洞外亮度L20(S)測(cè)算方法的弊端，使得大規(guī)模、高效率地測(cè)試公路隧道洞外亮度L20(S)成為可能，具有較好的應(yīng)用前景，可在實(shí)際工程中全面推廣應(yīng)用。

(2)通過對(duì)地處浙西南的金麗溫、兩龍高速公路隧道洞外亮度L20(S)進(jìn)行測(cè)試分析，采用端墻式洞門的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取3000 cd/m2較為合理;采用削竹式洞門的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取2500 cd/m2較為合理。

圖19 公路隧道洞口不宜設(shè)置廣告牌

(3)基于環(huán)境景觀理論，提出符合“環(huán)境友好型”山區(qū)高速公路隧道設(shè)計(jì)理念的接近段減光措施，包括接近段路面采用深色材料、對(duì)洞門端墻進(jìn)行暗化處理、在洞口附近種植深色植被等。分析計(jì)算表明，應(yīng)用本研究成果，可大幅減少電能消耗、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)約運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。

致謝:本項(xiàng)目調(diào)研、測(cè)試工作得到金麗溫高速公路有限公司監(jiān)控中心、麗水管理處、龍麗管理處、麗龍管理處及陽山隧道管理所、牛廷嶺隧道管理所等部門的鼎力支持，在此一并表示衷心的感謝!

［1］公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］JTJ 026.1—1999.

［2］Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［S］.CIE 88:2004.

［3］鄭漢璋.CIE《公路隧道與地道照明準(zhǔn)則 NO.26/2.1990》中的概念更新與不足 ［C］∥第二屆全國公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.重慶:交通部重慶公路科學(xué)研究所，1993.138～144.

［4］曹言瑞，章海璁.隧道洞外亮度L20值的黑度法測(cè)量和洞口裝飾的討論 ［J］.光源與照明，2003， (3):20～24.

［5］陳仲林，孫春紅.公路隧道照明設(shè)計(jì)研究 ［J］.燈與照明，2007，31(3):32～35，52.

［6］屈志豪，趙清碧，劉相華.用環(huán)境簡(jiǎn)圖法測(cè)試隧道洞外亮度L20(S)［J］.公路交通技術(shù)，2004，(5):117～121.

［7］涂耘.公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)研究 ［J］.公路交通技術(shù)，2008，(6):117～120.

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［13］王少飛，李科，陳建忠.公路隧道洞外亮度L20(S)測(cè)試分析軟件 ［J］.中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2009， (5):91～93.