根據(jù)光氣候數(shù)據(jù)確定隧道洞外景物亮度的方法

根據(jù)光氣候數(shù)據(jù)確定隧道洞外景物亮度的方法

翁季,張婷

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院,山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；重慶400045)

摘要：具體某地區(qū)隧道洞外景物亮度參考值的確定一直缺乏方便可靠的方法。為了解決這一問題，根據(jù)隧道照明的實(shí)際需求，以重慶地區(qū)一年的光氣候?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，首先以垂直面照度映射洞外景物亮度，分析它的各影響因素，然后建立了不同朝向垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效和晴朗指數(shù)及太陽高度角的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過與重慶地區(qū)其他年份實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明該模型具有較高的精度?；诠鈿夂驍?shù)據(jù)中長期連續(xù)的水平太陽輻射及天氣狀況的觀測(cè)，該方法可快速且相對(duì)精確地確定洞外景物亮度參考值。

關(guān)鍵詞：洞外景物亮度；光氣候；發(fā)光功效；晴朗指數(shù)；太陽高度角

Received:2015-08-28

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51278507)

在隧道照明設(shè)計(jì)方法中，不論是察覺對(duì)比法還是k值法等，都需要確定隧道洞外景物亮度這一設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)。CIE88:2004[1]中建議用一年中至少出現(xiàn)75 h的最高洞外景物亮度值作為等效光幕亮度Lseq的計(jì)算參考值，這實(shí)際上是一個(gè)累積頻率的概念。從理論上來講，這種參考值的確定，需要對(duì)隧道洞外進(jìn)行至少長達(dá)一年的長期連續(xù)的測(cè)試，再加上每個(gè)隧道洞外的具體情況又不一樣，所以從工程實(shí)施角度來說非常困難。雖然CIE 88:2004和中國的公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范[2]均給出了不同朝向的景物亮度參考值，但實(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)和反射特性，都會(huì)致使洞外景物表面亮度值差異很大[3]，目前缺乏長期且大范圍的洞外景物亮度觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累。因此，規(guī)范建議的景物亮度參考值缺乏理論和實(shí)測(cè)依據(jù)，無法快速且相對(duì)精確地確定某一具體地點(diǎn)累積頻率下的洞外景物亮度參考值。

景物表面亮度、照度及太陽輻射之間存在相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。光照度和輻射關(guān)系的研究主要集中在各種光氣候條件下垂直面照度與垂直面太陽輻射之間的關(guān)系[4-7]和水平面照度與水平太陽輻射之間的關(guān)系[8-11]，并建立了各種光氣候條件下水平面照度和水平太陽輻射的數(shù)學(xué)模型，以及從水平面照度到垂直面照度的轉(zhuǎn)換[12]。而對(duì)于垂直面照度和水平太陽輻射，二者之間的關(guān)系非常復(fù)雜，影響因素很多，如直射輻射、散射輻射、地面反射輻射[13-14]、地理緯度、赤緯角、太陽高度角、日序、朝向、天氣狀況等，目前相關(guān)研究較少，也缺乏更為全面系統(tǒng)的光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)。筆者在隧道照明設(shè)計(jì)背景下研究垂直面照度和太陽輻射之間的關(guān)系，根據(jù)垂直面照度的影響因素分析和數(shù)據(jù)的篩選，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型以確定不同朝向的垂直面照度，結(jié)合景物反射特征和累積頻率的概念便可快速確定隧道洞外景物亮度參考值，并滿足實(shí)際工程應(yīng)用的精度。

1研究思路

隧道洞外景物除了路面、天空外，均可假設(shè)為均勻漫反射的垂直表面，其表面照度水平即反映表面亮度水平，二者存在正比關(guān)系，故研究隧道洞外景物亮度可轉(zhuǎn)化為研究隧道洞外垂直面照度。累積頻率概念下的垂直面照度和當(dāng)?shù)氐奶栞椛溆兄芮嘘P(guān)系，且中國各地的氣象站對(duì)太陽輻射和天氣狀況等都有長期連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)太陽輻射確定垂直面照度，進(jìn)而確定洞外景物亮度，這種方法既有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可依，也具有實(shí)際可操作性。因此，垂直面照度和水平太陽輻射的關(guān)系是筆者的研究重點(diǎn)。

借鑒發(fā)光功效[8]的概念，將垂直面照度Ev和水平太陽輻射Ee的比值定義為垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效Kv，即

(1)

從Kv的定義不難看出，只要能確定發(fā)光功效Kv和水平太陽輻射Ee，就能確定垂直面照度Ev。因此，Kv是根據(jù)光氣候數(shù)據(jù)確定隧道洞外景物亮度的關(guān)鍵參數(shù)。全面的光氣候數(shù)據(jù)資料較為有限，尤其是涉及到垂直面照度的數(shù)據(jù)，重慶地區(qū)僅在20世紀(jì)90年代初進(jìn)行過系統(tǒng)、連續(xù)觀測(cè)，雖然數(shù)據(jù)年代較為久遠(yuǎn)，但筆者旨在探尋規(guī)律以提供一種相對(duì)精確的確定方法?；谥貞c地區(qū)1991年每隔1 min的連續(xù)光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)[15]，從隧道照明工程應(yīng)用的角度出發(fā)，研究垂直面照度的影響因素，確定建立Kv模型的變量，根據(jù)光氣候數(shù)據(jù)尋找特定天氣狀況和特定時(shí)段下Kv和變量間的關(guān)系，以期得到能滿足工程應(yīng)用、較為精確的數(shù)學(xué)模型，并用1992年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以此根據(jù)光氣候數(shù)據(jù)確定隧道洞外景物亮度。

2垂直面照度的影響因素

利用重慶地區(qū)1991年的光氣候數(shù)據(jù)研究垂直面照度的變化規(guī)律，分析累計(jì)頻率概念下垂直面照度較高值出現(xiàn)時(shí)的相關(guān)因素，并選取其中的主要參數(shù)作為變量，以便建立合理的數(shù)學(xué)模型。

2.1　朝向

針對(duì)東、西、南、北4個(gè)朝向的垂直面照度進(jìn)行一整年的數(shù)據(jù)整理，分別按照度值從大到小降序排列，統(tǒng)計(jì)出4個(gè)朝向垂直面照度在一年中出現(xiàn)的累積頻率，見圖1。圖1表明，4個(gè)朝向的照度最大值差異顯著，以北向最低，西向最高，東向南向接近。對(duì)于累積出現(xiàn)75 h的垂直面照度參考值，從圖中看出，從小到大依次為北向、南向、東向、西向。因此，朝向?qū)Υ怪泵嬲斩茸兓?guī)律影響巨大，故4個(gè)朝向應(yīng)區(qū)別對(duì)待，分別研究。

圖1　不同朝向垂直面照度一年中出現(xiàn)的累積頻率Fig.1　Cumulative frequency of vertical illuminance in four orientations of a

2.2　太陽高度角

對(duì)4個(gè)朝向的全年垂直面照度在同一太陽高度角時(shí)取平均，得到垂直面照度在全天候條件下隨太陽高度角的變化規(guī)律，如圖2。圖2表明，對(duì)于南、北向，垂直面照度在正午(重慶地區(qū)為13時(shí)左右)即太陽高度角達(dá)到最大時(shí)也同步達(dá)到最大，并以此為軸上、下午對(duì)稱下降。而對(duì)于東西向，最大值在上午或下午達(dá)到，其變化趨勢(shì)大概以正午時(shí)為軸呈對(duì)稱分布，與太陽高度角的變化并不同步。太陽高度角所反映的因素其實(shí)是綜合的，其計(jì)算式為[15]

sinhs=sinφsinδ+cosφcosδcosΩ

(2)

式中：hs為太陽高度角；φ為地理緯度；δ為赤緯角；Ω為時(shí)角。由式(2)可以看出，地理緯度、赤緯角、時(shí)角和高度角都是相互聯(lián)系的。所在地區(qū)決定了地理緯度，月份和日期(即日序)決定了赤緯角，在這兩者都一定的情況下，時(shí)間(決定時(shí)角)和太陽高度角存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以對(duì)某確定地區(qū)而言，太陽高度角綜合反映了月份、日期、時(shí)間等因素，是能影響垂直面照度的重要參數(shù)，故在數(shù)據(jù)擬合時(shí)作為自變量考慮。

圖2　垂直面照度隨太陽高度角的變化規(guī)律Fig.2　The changing rule of vertical illuminancewith solar altitude

2.3　天氣狀況

天氣狀況作為光氣候資料的重要參數(shù)，對(duì)隧道外的照度、亮度值都有重大影響，且4個(gè)朝向上都有類似影響。以西向?yàn)槔?，選取累積出現(xiàn)75 h的最大垂直面照度并統(tǒng)計(jì)它們所處的天氣狀況，圖3表明日面狀況為⊙2占到65%，⊙次之，且云量越少的天氣狀況出現(xiàn)次數(shù)越多[16]?？偟膩碚f，天氣狀況越接近全晴天，垂直面照度值最高值的出現(xiàn)概率就越大。

圖3　西向垂直面照度累積頻率下的日面狀況分布Fig.3　Sun conditions distribution of western vertical illuminance under the cumulative

日面狀況、云量、云狀等因素綜合反映了天氣狀況，引入晴朗指數(shù)[17-18]這一參數(shù)以便定量分析。天空晴朗指數(shù)kt定義為:

(3)

式中：kt為晴朗指數(shù)；Ee為水平太陽輻射量，W/m2；Eet為地外輻射量，W/m2，可近似地看作常量，Eet=1 367 W/m2。晴朗指數(shù)kt即太陽經(jīng)過大氣云層的總輻射量與地外太陽總輻射量的比值，綜合地反映了天氣狀況。這一參數(shù)也將作為數(shù)據(jù)擬合時(shí)的另一重要自變量。

上述研究表明，累積出現(xiàn)75 h的垂直面照度參考值在各個(gè)朝向并不相同，故4個(gè)方向分別建立模型，太陽高度角和晴朗指數(shù)作為影響垂直面照度的重要參數(shù)，選取它們?yōu)榇怪泵孓D(zhuǎn)換發(fā)光功效模型的自變量。

3垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效模型的建立

3.1　數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合之前，由于全年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)量巨大，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和整理。根據(jù)隧道照明設(shè)計(jì)的要求，分析并篩選出累積頻率概念下洞外景物垂直面照度較高值出現(xiàn)的月份、時(shí)間，以及天氣狀況。

對(duì)4個(gè)朝向的全年垂直面照度在各月取平均，得到垂直面照度在全天候條件下隨月份的變化規(guī)律，如圖4，以北向?yàn)槔缕骄斩茸罡咧党霈F(xiàn)在5、6、7、8、9這幾個(gè)月份，尤其以6、7、8這3個(gè)月份最為集中，其他月份基本成對(duì)稱趨勢(shì)依次降低，4個(gè)朝向基本遵循同一規(guī)律。說明夏季的隧道洞外垂直面照度普遍高于其他季節(jié)，累積75 h的最大垂直面照度值基本上出現(xiàn)在6月—8月。

圖4　垂直面照度隨月份的變化規(guī)律Fig.4　The changing rule of vertical illuminance with

圖5所示4個(gè)朝向的垂直面照度隨時(shí)間的變化規(guī)律存在明顯差異。對(duì)于南北向，12:00—14：00是垂直面照度高值出現(xiàn)的集中時(shí)間，而對(duì)于東、西向，東向高值的出現(xiàn)集中在9：00—11：00，西向則是在15：00—17：00，這是太陽所在方位決定的。在數(shù)據(jù)擬合時(shí)為了探尋規(guī)律，4個(gè)朝向上前后各拓展了1 h的數(shù)據(jù)。

圖5　垂直面照度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5　The changing rule of vertical illuminance with

天氣狀況越接近全晴天，日面狀況為⊙2時(shí)垂直面照度最高值出現(xiàn)的概率就越大。綜合起來，在數(shù)據(jù)擬合前篩選出6、7、8三個(gè)月日面狀況為⊙2的晴天，東向選取上午8：00—12：00，西向選取下午14:00—18：00，南、北向選取11：00—15：00的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2　重要參數(shù)的相關(guān)性分析

為準(zhǔn)確建立垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效模型，先對(duì)兩個(gè)重要參數(shù)做相關(guān)性分析，如表1。按月份、時(shí)間、天氣狀況篩選出隧道照明中不利情況的數(shù)據(jù)，分析表明,太陽高度角和晴朗指數(shù)對(duì)各朝向垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效都有顯著相關(guān)性。但相對(duì)而言，對(duì)于東、西向，太陽高度角的影響大于晴朗指數(shù)；對(duì)于南、北向，相比晴朗指數(shù)，太陽高度角的影響并不明顯。故在東、西向上對(duì)垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效進(jìn)行太陽高度角和晴朗指數(shù)這2個(gè)參數(shù)的擬合，南、北向則對(duì)垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效進(jìn)行晴朗指數(shù)的擬合。

表1　垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效和兩個(gè)參數(shù)間的

3.3　模型的建立

根據(jù)月份、時(shí)間、天氣狀況所篩選出的相關(guān)數(shù)據(jù)包括水平太陽輻射、東西南北向垂直面照度、太陽高度角，將水平太陽輻射和垂直面照度帶入式(1)得到垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效，將水平太陽輻射代入式(3)計(jì)算出天空晴朗指數(shù)kt，并對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分段整理和無效數(shù)據(jù)清理。將太陽高度角hs的正弦值和晴朗指數(shù)作為東、西向模型的橫坐標(biāo)值，東、西向垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效Kv作為縱坐標(biāo)值，圖6(a)、(b)分別顯示了東、西向垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效和太陽高度角及晴朗指數(shù)的關(guān)系，經(jīng)擬合得到的東、西向垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效的計(jì)算模型分別為

Kve= -517.50+427.34/sinhs-

(4)

Kvw= -266.60+181.26/sinhs-

(5)

將晴朗指數(shù)kt作為南、北向模型的橫坐標(biāo)值，圖6(c)、(d)分別顯示了南、北向垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效和晴朗指數(shù)的關(guān)系，經(jīng)擬合得到的南、北向垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效的計(jì)算模型分別為

(6)

(7)

東、西、南、北向4個(gè)計(jì)算模型的擬合優(yōu)度R2分別為0.994 8，0.997 3，0.882 6，0.965 7，表明擬合結(jié)果較為理想。

圖6　垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效Kv的模型Fig.6　The models of vertical conversion luminous

4模型可靠性驗(yàn)證和誤差分析

4.1　與重慶地區(qū)1992年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

模型擬合過程是基于重慶地區(qū)1991年的連續(xù)觀測(cè)，為驗(yàn)證模型的可靠性，現(xiàn)用垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效模型與重慶地區(qū)1992年的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如圖7。將計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)后得到的平均誤差MBE和均方根誤差RMSE的絕對(duì)值和相對(duì)百分比如表2所示?？梢钥闯?，4個(gè)方向的平均誤差均控制在10%以內(nèi)，均方根誤差均控制在20%以內(nèi)(或左右)。因此，該模型具有較高的精度，有一定的可靠性和實(shí)用性，能夠滿足隧道照明等實(shí)際工程應(yīng)用。

圖7　垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效的自擬模型和1992年實(shí)測(cè)值比較Fig.7　The comparison of vertical conversion luminous efficacy fitting model and the measured values of

方向MBE/(lm·W-1)MBE相對(duì)百分比/%RMSE/(lm·W-1)RMSE相對(duì)百分比/%東向10.205.3816.7917.86西向6.632.0219.8217.41南向0.440.744.8211.28北向0.948.673.8820.03

4.2　誤差分析

分析研究過程中有可能產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)后發(fā)現(xiàn)，誤差的來源主要包括以下幾個(gè)方面：

1)原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差

分析所用原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可能存在一定的誤差。在連續(xù)兩年多的光氣候數(shù)據(jù)觀測(cè)過程中，不管是儀器自動(dòng)記錄并輸出的輻射值照度值，還是人工記錄的天氣狀況，都不可能做到完全精準(zhǔn)客觀，前者在低值時(shí)存在明顯的不正常波動(dòng)，后者由于加入了人為觀測(cè)的偶然因素一定是存在誤差的。故在數(shù)據(jù)處理的過程中對(duì)于存在明顯缺陷的無效數(shù)據(jù)予以清理，以求最大程度地還原真實(shí)觀測(cè)情況。

2)數(shù)據(jù)點(diǎn)選取的誤差

基于隧道照明的實(shí)際應(yīng)用背景，僅選取了一定月份、時(shí)間和天氣狀況下的數(shù)據(jù)，即垂直面照度可能出現(xiàn)較高值的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。但實(shí)際上洞外景物亮度或照度的高值不盡然出現(xiàn)在所選取的6、7、8這3個(gè)月的晴天中，例如還可能出現(xiàn)在5月或9月甚至其他月份，陰天在云量很多的情況下由于散射很大也可能出現(xiàn)高值，所以，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取導(dǎo)致擬合結(jié)果可能存在誤差，但為了實(shí)際應(yīng)用必然是考慮大部分不利情況而忽略特殊情況。

3)光氣候變化

由于所依據(jù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)距今已有20多年的時(shí)間，這期間中國乃至全球的光氣候都有一定的變化，尤其是隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，空氣中各種影響太陽輻射和光照度的粒子都在增加，所以，所建立的模型與現(xiàn)今的實(shí)際值存在一定偏差。但影響是相對(duì)的，輻射值和照度值都在變化，發(fā)光功效作為二者之比受到的影響是綜合的，且所建立的模型旨在提供一種確定洞外景物亮度值的方法，這種轉(zhuǎn)化思路是更為重要的研究意義所在。

5結(jié)論

1)從隧道照明工程應(yīng)用的角度出發(fā)，根據(jù)重慶地區(qū)1991年的光氣候測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合朝向、月份、時(shí)間、天氣狀況等因素，得到適合于重慶的特定天氣狀況和特定時(shí)段下4個(gè)朝向垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過1992年光氣候測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，證明該模型具有較高的精度。

2)垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效和氣象站提供對(duì)應(yīng)的水平太陽輻射數(shù)據(jù)的乘積即可得垂直面照度的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而可以統(tǒng)計(jì)出累積出現(xiàn)75 h的各朝向垂直面參考照度，再結(jié)合實(shí)地測(cè)量的景物反射系數(shù)等參數(shù)就能得到符合察覺對(duì)比法測(cè)試要求的隧道洞外景物亮度參考值。這一方法有光氣候理論依據(jù)，同時(shí)具備工程實(shí)施可操作性，可快速且相對(duì)精確地確定某一具體地區(qū)的隧道洞外景物亮度參考值。

3)由于數(shù)據(jù)資料有限，研究僅限于重慶地區(qū)或晴朗指數(shù)分布及地理緯度與重慶相近的地區(qū)，對(duì)于其他地區(qū)，可以在該方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓鈿夂驅(qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)確定垂直面轉(zhuǎn)換發(fā)光功效的新模型或?qū)χ貞c地區(qū)的模型系數(shù)進(jìn)行修正。

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(編輯胡英奎)

Author brief：Weng Ji (1972-), professor, doctorial supervisor,main research interests:architectural technology and science, (E-mail)wengji0403@163.com.

Method of determining typical elements’ luminance at tunnel portals according to the data of luminous climate

Weng Ji, Zhang Ting

(Faculty of Architecture and Urban Planning; Key Laboratory of New Technology for Construction of

Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China)

Abstract:There is short of reliable methods to determine typical elements’ reference luminance at tunnel portals in a certain area. In order to solve this problem, the measured data of luminous climate of a year in Chongqing was firstly used to investigate the reflection of vertical illuminance on the typical elements’ luminance. The influencing factors were studied to develop the mathematical models of vertical conversion luminous efficacy and clearness index as well as solar altitude in four directions. Compared with the data collected inanother year in Chongqing, model shows relatively high precision. On the base of long-term continuous measurement of solar radiation and weather conditions among the luminous climate data, this method could be used to determine typical elements’ reference luminance at tunnel portals effectively and relatively accurately.

Key words:typical elements’ luminance at tunnel portals; luminous climate; luminous efficacy; clearness index; solar altitude

作者簡介：翁季(1972-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事建筑技術(shù)科學(xué)研究，(E-mail)wengji0403@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51278507)

收稿日期：2015-08-28

中圖分類號(hào)：TU113.19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2015)06-0120-08

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.016