中間視覺對隧道照明的影響

楊 超，范士娟

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013）

公路隧道是公路交通的重要部分，給交通提供了極大的便利。為使隧道交通更加安全、舒適，必須提供一個良好的隧道內(nèi)視覺環(huán)境，所以，隧道照明系統(tǒng)必不可少。隧道照明不同于一般的道路照明，白天也需要照明，特別是汽車駕駛員在出、入隧道時還存在視覺上的適應(yīng)問題[1-3]。因此，科學(xué)設(shè)計隧道照明系統(tǒng)，考慮駕駛?cè)藛T的視覺適應(yīng)問題，確保白天和夜間行駛車輛均能夠以設(shè)計行車速度安全地接近、穿越和通過隧道，同時降低照明系統(tǒng)能耗，是非常重要的。

我國現(xiàn)行的隧道照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》[4]中，所有的光學(xué)度量都是在CIE[5]推薦的明視覺條件下進(jìn)行計算的，沒有考慮到隧道白天時的暗適應(yīng)和明適應(yīng)問題，更沒涉及隧道內(nèi)的中間視覺問題。在隧道中間段，人眼的桿狀感光細(xì)胞和錐狀感光細(xì)胞同時起作用，屬于中間視覺的范疇，如果不加考慮或只以明視覺來對待，不符合隧道內(nèi)的實(shí)際情況。在中間視覺條件下，人眼的光視光譜效率函數(shù)隨著亮度的變化而變化[6]，需要一系列不同亮度水平和視覺作業(yè)條件下的光譜光視效率函數(shù)曲線描述，想用一個光譜光視效率函數(shù)來描述人眼在中間視覺狀態(tài)下的視覺特性是不可能的，這樣，在實(shí)際的道路隧道照明中利用中間視覺對光學(xué)度量進(jìn)行計算很不方便。為此，很多學(xué)者提出了建立中間視覺模型的想法，即采用一種數(shù)學(xué)表達(dá)的方式或查表方法利用明視覺和暗視覺的組合來表達(dá)中間視覺。

1 中間視覺S模型

常見的中間視覺模型有基于視覺亮度匹配的中間視覺模型和基于視覺功效的中間視覺模型，而基于視覺功效的中間視覺模型又包括X模型[7]、MOVE模型[8]和S模型[9]。相比于X模型和MOVE模型，S模型計算的亮度結(jié)果在X模型和MOVE兩者之間，但其計算形式相當(dāng)簡潔，更加適合于實(shí)際的照明應(yīng)用。中間視覺的光譜光視效率函數(shù)表示為

式中：λ為光波長，nm；V(λ)為明視覺下的光譜光視效率函數(shù)；V′(λ)為暗視覺下的光譜光視效率函數(shù)；x為0～1之間的系數(shù)。3個模型的不同之處在于x值的計算方法不同，對于中間視覺S模型，x=Lm/(0.2+Lm)，Lm為中間視覺亮度，cd·m-2。

中間視覺S模型在隧道照明中的應(yīng)用步驟：

1）確定隧道在明視覺標(biāo)準(zhǔn)下的亮度值；

2）根據(jù)所選用的照明光源計算得出S/P值，S/P代表該光源在暗視覺下的光通量與在明視覺下光通量的比值，即[10]

式中：Le，λ為相對光譜能量值。

3）根據(jù)S/P值查表得到隧道中間段中間視覺修正系數(shù)Rm，對相應(yīng)的路面亮度值進(jìn)行修正。中間視覺亮度Lm與明視覺亮度Lp之間的關(guān)系為

2 仿真試驗

針對隧道LED燈進(jìn)行仿真試驗。采用照明設(shè)計軟件DIALux建立隧道模型，設(shè)定照明環(huán)境，在隧道模型內(nèi)布置、安裝LED燈，通過仿真試驗，得到明視覺標(biāo)準(zhǔn)下的隧道路面亮度、照度值。利用中間視覺S模型對隧道照明的路面亮度、照度值進(jìn)行修正，計算修正后的路面照明質(zhì)量評價指標(biāo)，并和明視覺條件下的照明質(zhì)量評價指標(biāo)進(jìn)行對比。

2.1 隧道模型及試驗條件

設(shè)計隧道模型長100 m，高度7 m，行車道寬8.5 m，隧道中間段54.8 m，雙車道單向交通，設(shè)計時速80 km·h-1，車流量≤700輛·h-1，水泥混凝土路面，墻面鋪設(shè)反射率為0.75的材料。試驗照明燈具為48 W LED，其維護(hù)系數(shù)為0.65，安裝高度4.5 m，安裝傾角30°，布燈間距為16 m，雙側(cè)對稱布置。

2.2 試驗結(jié)果

按照我國隧道照明設(shè)計規(guī)范的要求，隧道中間段的標(biāo)準(zhǔn)亮度為2 cd·m-2，取亮度、照度換算系數(shù)為10 lx·cd-1·m2，屬于中間視覺范疇（10-3cd·m-2<2 cd·m-2<10 cd·m-2）。中間段的橫向測量點(diǎn)數(shù)為7，縱向測量點(diǎn)數(shù)為21，總測量點(diǎn)數(shù)為7×21=147個。燈具色溫為6 000 K，光通量為3 800 lm，發(fā)光效率=80 lm·W-2。經(jīng)計算得到燈具的S/P=2.26。表1是在S/P=2.26時采用中間視覺S模型、不同照度情況下的修正系數(shù)，其它的照度修正系數(shù)可通過插值計算。表2列出了明視覺條件下隧道模型中間段路面照度值和根據(jù)中間視覺S模型計算的照度修正系數(shù)。

表1 S/P=2.26時中間視覺S模型下的不同照度修正系數(shù)Tab.1 Illuminance correction factors in condition of mesopic vision S-model whileS/P=2.26

將表2中的明視覺照度值與修正系數(shù)相乘，即可得到中間視覺S模型下的路面照度值，不再列表。

表2 中間段路面明視覺照度值和路面照度值修正系數(shù)RmTab.2 Road surface illuminance values of interior zone in condition of photopic vision and their illuminance correction factors（Rm）

2.3 對比分析

隧道照明的所有質(zhì)量評價指標(biāo)，都是從機(jī)動車駕駛員的角度來衡量，考慮其視覺功能和舒適兩方面[11-12]，主要包括路面平均亮度（照度）、路面亮度（照度）均勻性、眩光控制水平、隧道周邊環(huán)境系數(shù)以及視覺誘導(dǎo)性等方面。亮度指的是明亮程度，反映人的主觀明亮感覺，照度的高低則影響人識別對象的難易程度。本文采用前兩個評價指標(biāo)對明視覺標(biāo)準(zhǔn)下的隧道路面照度和中間視覺S模型下的隧道路面照度進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表3所示。

顯然，同一個照明系統(tǒng)，采用明視覺標(biāo)準(zhǔn)計算得到的路面照明質(zhì)量低于采用中間視覺S模型計算的路面照明質(zhì)量，即明視覺標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果偏小。使用同種光源，采用中間視覺S模型設(shè)計照明系統(tǒng)時，適當(dāng)減小光源的功率也能滿足隧道內(nèi)照明需求。因此，在隧道照明設(shè)計計算中，在滿足我國隧道照明設(shè)計規(guī)范要求的路面照度及照度均勻度的前提下，屬于中間視覺的隧道中間段采用中間視覺S模型來計算、設(shè)計更為合理。隧道中間段路面照明亮度要求值為2 cd·m-2，屬于較高亮度等級路面，在中間視覺S模型里，x值大于0.91，即明視覺亮度所占比例超過91%，因此路面照度修正系數(shù)雖然均大于1，但均未超過1.1，中間視覺S模型計算的亮度、照度接近明視覺的亮度、照度值，路面照明質(zhì)量的提高不是特別顯著，這從表2、表3中即可看出。但隨著路面照度值的降低（亮度值也同時降低），修正系數(shù)增大，按明視覺計算的差異也越大。此外，同功率的不同光源，隧道內(nèi)的路面照度也會因中間視覺的原因產(chǎn)生一定的視覺差異，比如同為100 W的LED和HPS，一般情況下LED的S/P為2.5，HPS的S/P為0.65，當(dāng)洞內(nèi)路面照度為20 lx時，LED的中間視覺修正系數(shù)為1.07，HPS的中間視覺修正系數(shù)為0.98，由此而產(chǎn)生的最大視覺差異達(dá)到了9%左右。

表3 明視覺標(biāo)準(zhǔn)和中間視覺S模型下中間段路面照度比較Tab.3 Surface illuminance comparison of interior zone in conditions of photopic vision and mesopic vision S-model

3 結(jié)束語

在傳統(tǒng)的隧道照明設(shè)計中，隧道所有區(qū)段均采用明視覺標(biāo)準(zhǔn)，而隧道中間段照明屬于中間視覺范疇，因此，傳統(tǒng)的隧道照明設(shè)計方法而與實(shí)際情況不符。為了考察中間視覺對隧道照明的影響，本文采用照明設(shè)計軟件DIALux設(shè)計了隧道模型，在其中間段建立了LED照明系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真試驗，選擇了中間視覺S模型，對比分析了該模型和明視覺標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于隧道中間段照明計算上的差異。結(jié)果表明，采用明視覺標(biāo)準(zhǔn)計算隧道中間段的路面照度及照度均勻度，均小于采用中間視覺S模型的計算結(jié)果，反映了在相同亮度要求的前提下，存在照明視覺上的差異——主要是識別路面對象難易程度的差異，尤其在光線較暗的區(qū)域。因此，屬于中間視覺的隧道中間段在設(shè)計照明系統(tǒng)時，采用中間視覺S模型比明視覺標(biāo)準(zhǔn)更合理些，在達(dá)到相同路面照度和均勻度的情況下，結(jié)合燈具的選擇和燈具布置參數(shù)的優(yōu)化，采用中間視覺S模型可以設(shè)計出比采用明視覺標(biāo)準(zhǔn)更省電的照明系統(tǒng)。

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