公路隧道洞外適應(yīng)亮度的確定方法

胡英奎，陳仲林，張青文，翁 季

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045）

0 引 言

駕駛員在隧道洞外的適應(yīng)亮度是指駕駛員駕車接近隧道過程中所感受到并已適應(yīng)的環(huán)境亮度。駕駛員的適應(yīng)亮度在接近隧道過程中不斷變化，一般取距隧道一個(gè)停車視距處的適應(yīng)亮度作為隧道照明設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并稱之為隧道洞外亮度。洞外亮度的取值直接影響隧道入口段亮度的設(shè)計(jì)值，進(jìn)而影響過渡段等后續(xù)照明段的亮度設(shè)計(jì)值。隧道洞外亮度的合理取值對工程投資和運(yùn)營過程中的能耗影響很大。日本東京灣海底隧道曾在設(shè)計(jì)中做過詳細(xì)比較，在其他條件(包括設(shè)計(jì)車速等）相同的情況下，如果洞外亮度分別設(shè)定為4000 cd/m2與6000 cd/m2，則設(shè)備費(fèi)相差34%，年耗電量(kW·h）相差達(dá)30%。因此，合理確定隧道洞外亮度是科學(xué)確定隧道入口段亮度的前提條件，且對在保證交通安全的前提下實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能有著重要意義。

國際上現(xiàn)行的隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范多用駕駛員20°視場中的平均亮度L20或等效光幕亮度Lseq表達(dá)洞外亮度。L20是指在接近段起點(diǎn)處、據(jù)地面1.5 m高、正對洞口方向20°視場實(shí)測得到的平均亮度;等效光幕亮度Lseq是考慮駕駛員開車時(shí)眩光源的光入射到駕駛員的眼中發(fā)生散射而產(chǎn)生的光幕亮度，是考慮瞬時(shí)適應(yīng)和大氣、汽車擋風(fēng)玻璃等透光介質(zhì)中的光學(xué)散射等的影響，在駕駛員視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的光幕亮度。文章將對比分析用L20和Lseq表達(dá)隧道洞外亮度的確定方法及其合理性。

1 洞外亮度L20

Schreuder在1962年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中試圖用L20代表駕駛員駕車接近隧道時(shí)的適應(yīng)亮度。CIE在1973年發(fā)布的26號出版物中建議，在3個(gè)不同位置測量駕駛員20°視場內(nèi)的平均亮度，然后分別乘以不同的權(quán)重系數(shù)再取平均值作為駕駛員的適應(yīng)亮度。在后來的實(shí)際測量中，CIE建議的方法被簡化為在隧道洞外距隧道洞口一個(gè)停車視距處測量駕駛員20°視場內(nèi)的平均亮度作為適應(yīng)亮度。這就是用L20表達(dá)洞外亮度的由來。

駕駛員駕車接近隧道時(shí)的適應(yīng)亮度受兩個(gè)因素的影響:隧道洞口周圍不同亮度的景物產(chǎn)生的等效光幕亮度Lseq和駕駛員視野中心區(qū)域(如前方道路和隧道入口本身）的亮度，且等效光幕亮度Lseq被認(rèn)為是影響駕駛員適應(yīng)亮度的主要因素。但在工程實(shí)踐中，等效光幕亮度Lseq常常難以確定，特別是在隧道的設(shè)計(jì)階段。洞外亮度L20的計(jì)算則相對容易些，而且能在一定程度上保證精度，因此，CIE 88—1990推薦用L20近似表達(dá)駕駛員的適應(yīng)亮度。

對于確定的隧道而言，洞外亮度L20受地理位置、季節(jié)、天氣等因素的影響，無法實(shí)際測量得到。CIE 88—1990給出了查表法和環(huán)境簡圖法2種在隧道照明設(shè)計(jì)中快速確定L20的方法，我國隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 026.1—1999除了這2種方法外還推薦了黑度法。

1.1 用查表法確定L20

查表法是指根據(jù)駕駛員20°視野中天空所占百分比、洞口朝向、環(huán)境明暗情況、設(shè)計(jì)行車速度等因素，查表確定L20。CIE 88—1990給出的確定洞外亮度的表格見表1。

表1 L20的取值 cd/m2

該方法使用簡單，適用于在設(shè)計(jì)階段無實(shí)測數(shù)據(jù)可以利用的情況，僅需要隧道洞口的幾個(gè)基本參數(shù)，就可以通過查表快速得到洞外亮度的參考值，因而在一定時(shí)期內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。我國現(xiàn)行隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范也推薦了該方法，并根據(jù)我國的實(shí)際情況，參考其他國家和地區(qū)的相關(guān)規(guī)范給出了類似于表1的表格。但該方法僅簡單地考慮了隧道的幾個(gè)基本參數(shù)對洞外亮度的影響，而洞外亮度L20受地理位置、季節(jié)、天氣以及洞口形式、洞外植被種類等眾多因素的影響，且不同地點(diǎn)的天空亮度差別很大，洞外不同景物的反射率差別也很大。顯然，用該方法僅能得到近似的設(shè)計(jì)參考值，有時(shí)用該方法得到的洞外亮度值甚至可能與實(shí)際洞外亮度值相差較大。

1.2 用環(huán)境簡圖法確定L20

環(huán)境簡圖法是根據(jù)20°視場內(nèi)天空、路面等各種景物的亮度及它們在20°視場內(nèi)所占的面積百分比用式(1）計(jì)算得到

式中:γ為天空所占百分比;LC為天空亮度;ρ為道路所占百分比;LR為路面亮度;ε為景物所占百分比;LE為景物亮度;τ為隧道入口所占百分比;Lth為隧道入口段亮度;γ+ρ+ε+τ=1。

值得注意的是，式(1）中的隧道入口段亮度Lth是需要根據(jù)洞外亮度L20確定的，即在計(jì)算確定L20時(shí)，Lth還是一個(gè)未知數(shù)。但對于停車距離大于100 m的情況，τ的值非常小(小于10%），且相對于其他亮度值而言，Lth也很小，因此用該方法計(jì)算L20時(shí)可以忽略τLth項(xiàng);對于停車視覺為60 m的情況，式(1）可以改寫為式(2）:

由于k的取值非常小，各設(shè)計(jì)行車速度下都不超過0.1，因此τk項(xiàng)可以忽略不計(jì)，這樣式(2）就變成了式(3）:

式中γ+ρ+ε＜1。

用該方法計(jì)算洞外亮度L20所必需的γ、ρ、ε可以用環(huán)境簡圖確定。環(huán)境簡圖的獲得比較簡單，只需在接近段的起點(diǎn)距地面1.5 m高度處安裝相機(jī)，正對洞口中心并以洞口中心距地面1/4洞高處作為拍照瞄準(zhǔn)點(diǎn)拍攝照片，從照片中可以很容易讀出各種景物在20°視場中所占的百分比。如果用數(shù)碼相機(jī)拍照，并將所拍數(shù)碼照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用圖像處理軟件可以更方便地讀取各種景物在20°視場中所占的百分比。

從式(1）可以看出，用該方法計(jì)算洞外亮度L20，除了參數(shù)γ、ρ、ε外，還需要天空亮度 LC、路面亮度 LR、景物亮度LE，如果設(shè)計(jì)時(shí)沒有隧道所在地的這些亮度參考值，可以參考CIE 88—1990給出的參考值，見表2。

表2 參考景物亮度值

如果一個(gè)地區(qū)由實(shí)測得到的 LC、LR、LE數(shù)據(jù)可用，則用該方法確定洞外亮度L20的過程就比較簡單。如果沒有這些數(shù)據(jù)可用，僅采用CIE 88—1999中推薦的景物亮度，則仍然會產(chǎn)生較大誤差，因?yàn)榈乩砦恢貌煌仍驎斐删拔锪炼炔顒e很大，而且CIE 88—1990給出的景物種類也有限。因此，用該方法快速準(zhǔn)確得到洞外亮度L20，需要首先測得該地區(qū)的相關(guān)景物亮度，而通過實(shí)測獲得這些參數(shù)本身就是一項(xiàng)非常困難的工作。

1.3 用黑度法確定L20

黑度法是我國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 026.1—1999推薦的確定洞外亮度L20的方法。其基本步驟是:在接近段的起點(diǎn)距地面1.5 m高度處安裝相機(jī)，正對洞口并以洞口中心距地面1/4洞高處作為拍照瞄準(zhǔn)點(diǎn)拍攝黑白照片，在洞口旁立一標(biāo)準(zhǔn)灰板作為參照物，拍照的同時(shí)用亮度計(jì)測量標(biāo)準(zhǔn)灰板的亮度，然后將沖洗出來的膠片置于黑度儀上測讀20°視場內(nèi)各景物的黑度，經(jīng)權(quán)重計(jì)算得出平均黑度，從而可以確定隧道的洞外亮度L20。由于自然環(huán)境中景物亮度的變化非?？?，因此對眾多景物亮度的測量必須在非常短的時(shí)間內(nèi)完成，如果用亮度計(jì)對洞外的景物亮度逐點(diǎn)測量，就會因耗時(shí)太長而帶來測量誤差，用黑度法瞬間將眾多景物的亮度信息儲存在相機(jī)膠片上，可以減小由于景物亮度的瞬時(shí)變化帶來的測量誤差。

近年來，隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的成熟、性能的提高和價(jià)格的下降，數(shù)碼相機(jī)逐漸普及并開始被應(yīng)用于照明測量領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者也已對用數(shù)碼相機(jī)測量景物亮度進(jìn)行了深入研究，從而使得用數(shù)碼相機(jī)取代膠片相機(jī)進(jìn)行黑度法測量洞外亮度成為可能。用數(shù)碼相機(jī)測量洞外亮度避免了膠片沖洗的過程，測量過程中也不再需要標(biāo)準(zhǔn)灰板作參照物。測量前只需在光度學(xué)實(shí)驗(yàn)室對數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)特性進(jìn)行標(biāo)定，以獲得所用數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)特性，將對洞外景物所拍的照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后，用軟件逐點(diǎn)讀出20°視場中各像素點(diǎn)的灰度，計(jì)算出各點(diǎn)的亮度，即可獲得洞外亮度L20。根據(jù)所用數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)特性，編制好計(jì)算機(jī)程序后，可以非常便捷地利用數(shù)碼照片獲取洞外亮度L20，而且用編制的計(jì)算機(jī)程序可以讀取20°視場內(nèi)每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，從而使得到的洞外亮度L20的精度比用膠片相機(jī)測量得的精度高。

由于洞外亮度L20隨地理位置、季節(jié)、氣象條件和測量時(shí)間而變化，作為隧道設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的L20應(yīng)取隧道所處位置可能出現(xiàn)的較大L20值，所以用該方法確定洞外亮度時(shí)應(yīng)在一年中日照最強(qiáng)的季節(jié)、一天中最亮的時(shí)間段進(jìn)行測量。我國處于北半球，夏季的中午洞外亮度最高，所以JTJ 026.1—1999規(guī)定實(shí)測應(yīng)在夏季(6、7、8月）晴天無云時(shí)連續(xù)進(jìn)行3 d，每日測讀5次(11:00至15:00，時(shí)距1 h）或11次(8:00至18:00，時(shí)距1 h）。

用該方法確定洞外亮度的關(guān)鍵問題是數(shù)碼相機(jī)光學(xué)特性的標(biāo)定。因?yàn)椴煌放茢?shù)碼相機(jī)的光學(xué)特性不同，同一品牌不同生產(chǎn)批次數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)特性也可能不同，同一臺單反相機(jī)配用不同鏡頭時(shí)的光學(xué)特性也不相同，所以對測量用的每一臺數(shù)碼相機(jī)都必須進(jìn)行光學(xué)特性的標(biāo)定，而數(shù)碼相機(jī)光學(xué)特性的標(biāo)定過程比較麻煩。

另外，用相機(jī)作為照明測量儀器的前提條件是所有被測對象都能得到正確曝光。同一場景中出現(xiàn)的洞外不同景物的亮度范圍可能非常大，如天空、雪地等景物亮度可能達(dá)到幾萬cd/m2，而洞口等景物的亮度則只有幾十cd/m2。亮度差別如此之大的場景，可能會使照片中的部分區(qū)域已經(jīng)曝光過度，而另外的部分區(qū)域還曝光不足。即使場景中的所有景物都能得到正常曝光，數(shù)碼照片中的每一個(gè)像素點(diǎn)也只有0～255共256個(gè)灰度等級，用有限的256個(gè)灰度等級表達(dá)亮度差別達(dá)到上萬cd/m2的場景，必然會帶來較大的測量誤差。因此，用黑度法測量洞外景物亮度，看似精確的方法，實(shí)際上其測量結(jié)果的誤差比較大。

2 等效光幕亮度L seq

一般情況下，用L20表達(dá)駕駛員在洞外駕車接近隧道時(shí)的適應(yīng)亮度，與用等效光幕亮度Lseq表達(dá)的結(jié)果基本一致。但CIE也注意到，在某些特殊情況下，如在駕駛員的20°視場中天空所占比例特別大或特別小時(shí)，即洞外亮度非常高或非常低時(shí)，L20與Lseq之間會存在較大的差異，此時(shí)如果仍然用L20表達(dá)駕駛員的適應(yīng)亮度，則會產(chǎn)生較大誤差。Adrian通過理論分析證明了用L20表達(dá)適應(yīng)亮度的不合理性，并通過實(shí)地測量證明了其結(jié)論的正確性，提出了用等效光幕亮度Lseq表達(dá)駕駛員駕車接近隧道時(shí)的適應(yīng)亮度。CIE接受了Adrian的觀點(diǎn)，并在CIE 88—1990中作為附錄給出了等效光幕亮度Lseq計(jì)算的思路。CIE 88:2004正式采用等效光幕亮度Lseq表達(dá)駕駛員的適應(yīng)亮度，并將其作為入口段亮度確定的基礎(chǔ)，給出了相應(yīng)的隧道入口段亮度確定方法。

CIE 88:2004提出可以用配有專用鏡頭的特殊亮度計(jì)在隧道現(xiàn)場測量等效光幕亮度Lseq，或者在車內(nèi)用眩光計(jì)測量Lseq，并提出用一年中至少出現(xiàn)75 h的最大景物亮度來確定Lseq。由于Lseq測量的困難性，CIE 88:2004還給出了圖示計(jì)算Lseq的方法，按照對眼睛產(chǎn)生漫射光效果相同的原則，將視場分成10環(huán)12區(qū)來計(jì)算等效光幕亮度，視場分區(qū)情況見圖1。圖1所示極坐標(biāo)中各環(huán)邊界視角采用表3所列角度。

圖1 計(jì)算等效光幕亮度的極坐標(biāo)圖

表3 Adrian計(jì)算得到的各環(huán)邊界視角

將圖1所示的極坐標(biāo)圖疊加于在停車視距處看到的隧道場景上，并使隧道洞口中心與極坐標(biāo)圖的中心重合。將極坐標(biāo)圖中各扇區(qū)所覆蓋的景物平均亮度累加即可得到等效光幕亮度 Lseq，其計(jì)算式見式(4）。

式中:Lije為眼睛看到的極坐標(biāo)圖中各扇區(qū)的亮度，Lije= τws·Lij+Lws，cd/m2;τws為汽車擋風(fēng)玻璃的透射比;Lij為在車外(汽車擋風(fēng)玻璃之前）測量得到的各扇區(qū)中景物的平均亮度，已經(jīng)考慮了空氣透射比的影響，cd/m2;Lws為汽車擋風(fēng)玻璃的亮度，通常可以忽略不計(jì)。

用圖示法計(jì)算等效光幕亮度Lseq的過程中，仍然需要洞外景物亮度，如果沒有隧道所在地的景物亮度值可以使用，可以參考表2給出的景物亮度值估算。

從式(4）可以看出，等效光幕亮度Lseq的計(jì)算過程中不僅考慮了洞外的景物亮度，還考慮了汽車擋風(fēng)玻璃和空氣的透射比對駕駛員看到的洞外景物亮度的影響，以及景物所在位置(相對于駕駛員的眼睛）的不同對駕駛員產(chǎn)生的不同影響。所以，相對于L20，Lseq更符合駕駛員看到的景物亮度的實(shí)際情況。但在Lseq的計(jì)算過程中仍然需要計(jì)算各分區(qū)景物的平均亮度，該平均亮度的計(jì)算方法與用環(huán)境簡圖法確定L20的方法相似。因此，計(jì)算等效光幕亮度Lseq的過程仍然存在隧道所在位置景物亮度參考值確定的問題。雖然CIE 88:2004給出了幾種景物亮度的參考值，但由于地理位置對景物亮度的影響很大，所以如果直接采用CIE推薦的景物亮度值，計(jì)算的誤差會比較大。

用式(4）計(jì)算等效光幕亮度Lseq的算法實(shí)際上是近似算法。將圖1所示極坐標(biāo)示意圖覆蓋到隧道洞口的景物圖上計(jì)算Lseq的核心思想是使各圓環(huán)對眼睛的光照效果相同。由于嚴(yán)格按照等效光幕亮度理論計(jì)算的過程相當(dāng)復(fù)雜，式(4）是為了工程應(yīng)用的方便而得到的簡化算法，受計(jì)算方法和條件的限制，表3所列極坐標(biāo)各環(huán)邊界的視角也是近似值。雖然理論推導(dǎo)過程中所采用的近似算法的誤差并不大，基本能滿足工程設(shè)計(jì)的精度要求，但隨著理論研究的深入和計(jì)算方法的發(fā)展，根據(jù)等效光幕亮度理論計(jì)算式得到各環(huán)邊界視角的精確值已不再困難，根據(jù)各環(huán)邊界視角的精確值計(jì)算等效光幕亮度Lseq能進(jìn)一步提高計(jì)算精度。

3 小結(jié)

1）在對L20和Lseq的概念及確定方法進(jìn)行剖析的基礎(chǔ)上，對比分析了用L20和Lseq表達(dá)隧道洞外亮度的合理性。

2）總結(jié)了L20的3種確定方法:查表法、環(huán)境簡圖法和黑度法。3種方法中，用查表法確定L20最簡單快捷，但用查表法得到結(jié)果的誤差也最大;用環(huán)境簡圖法確定的L20相對準(zhǔn)確，但需要隧道所在地的景物亮度作為已知條件;用黑度法，獲得的洞外亮度最直接，但用黑度法測量洞外亮度要選好測量的時(shí)間，并且用數(shù)碼相機(jī)測量隧道洞外亮度雖然簡單快捷，但其精度還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3）用Lseq表達(dá)隧道洞外亮度相對而言更為合理，但Lseq的計(jì)算過程較為復(fù)雜。但目前CIE推薦的各環(huán)邊界視角為近似值，根據(jù)各環(huán)邊界視角的精確值計(jì)算等效光幕亮度Lseq能進(jìn)一步提高計(jì)算精度。

［1］中華人民共和國交通部.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京，2000

［2］CIE.International recommendations for tunnel lighting［R］.CIE Central Bureau，1973

［3］CIE.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.CIE Central Bureal，1990

［4］Adrian W K.Adaptation luminance when approching a tunnel in daytime［J］.Lighting Research ＆ Technology，1987，19(3）:73～79

［5］CIE.Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［R］.CIE Central Bureau，2004