實(shí)測確定公路隧道洞外景物亮度的方法

鄧敏，張飛

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056)

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實(shí)測確定公路隧道洞外景物亮度的方法

鄧敏，張飛

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056)

摘要：分析比較了查表法、環(huán)境簡圖法和黑度法3種確定洞外亮度的方法，發(fā)現(xiàn)3種方法均未完全考慮隧道所處區(qū)域的環(huán)境和光氣候條件。為了能快速準(zhǔn)確地確定隧道洞外景物亮度，以從莞高速公路的7座隧道為測量對象，通過現(xiàn)場實(shí)測，建立了洞外景物亮度與水平面照度之間的關(guān)系。在對當(dāng)?shù)毓鈿夂驍?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，確定隧道洞外景物亮度標(biāo)準(zhǔn)值、東莞地區(qū)隧道洞外典型景物亮度設(shè)計(jì)參考值,并得到了東莞地區(qū)4個(gè)朝向隧道洞外典型景物亮度值。

關(guān)鍵詞：隧道照明；洞外亮度；景物亮度；水平照度；光氣候

隧道洞外亮度通常指駕駛員在隧道接近段起點(diǎn)處正對隧道洞口20°視野中景物的平均亮度,一般通過在接近段起點(diǎn)處距地面1.5 m高、正對洞口方向測量20°視場環(huán)境的平均亮度值得到，即L20(S)。隧道洞外亮度L20(S)受地理位置、季節(jié)、天氣等因素的影響難以實(shí)際測量得到，因此，不同的組織、國家和地區(qū)采用查表法、環(huán)境簡圖法、黑度法等方法來確定洞外景物亮度和洞外亮度L20(S)的值。隧道洞外景物亮度是隧道照明設(shè)計(jì)過程中確定洞外亮度的基礎(chǔ)與前提，為了準(zhǔn)確確定隧道洞外亮度L20(S)，需要首先確定隧道洞外景物亮度。

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(S)值。日本[1]、國際照明委員會[2]以及歐盟[3]、英國[4]、美國[5]等都推薦使用該方法。該方法只需要依據(jù)隧道洞口的幾個(gè)基本參數(shù)，就可快速查表得到洞外亮度參考值，因而在一定時(shí)期內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但此方法僅簡單考慮了隧道的幾個(gè)基本參數(shù)對洞外亮度的影響，而沒有考慮隧道所處區(qū)域的光氣候特征、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。所以，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[6]。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)所占面積百分比來確定L20(S)值。隧道洞外景物亮度是用環(huán)境簡圖法確定隧道洞外亮度L20(S)的必需參數(shù)。為了準(zhǔn)確確定隧道洞外亮度L20(S)，需要首先準(zhǔn)確確定隧道洞外景物亮度。CIE發(fā)布的CIE 88-1990和CIE 88:2004都給出了相同的洞外景物亮度的參考值[7]，中國現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)[8]也參照CIE 88-1990給出了隧道洞外景物亮度參考值。采用CIE 88—1999中推薦的景物亮度僅能進(jìn)行粗略計(jì)算并且會產(chǎn)生較大誤差，CIE 88—1990給出的景物種類也有限。因此，要想用該方法快速準(zhǔn)確得到洞外亮度L20(S)，首先應(yīng)該根據(jù)隧道所在地的光氣候參數(shù)，通過實(shí)測的方法確定隧道所在地的隧道洞外景物亮度參考值。用黑度法確定洞外亮度時(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[9]。中國處于北半球，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天測試[8]。但是用黑度法測量洞外景物亮度看似是精確的方法，但受到所選測試時(shí)間的天然光狀況及數(shù)碼相機(jī)光學(xué)特性等因素的影響，實(shí)際上其測量結(jié)果的誤差比較大。由此可見，現(xiàn)行3種確定L20(S)值的方法均存在不同程度的問題，難以精確的得到特定區(qū)域隧道的洞外景物亮度和洞外亮度L20(S)。

筆者通過對叢莞高速上7座隧道現(xiàn)場實(shí)測，建立典型洞外景物亮度與水平照度之間的關(guān)系，通過對當(dāng)?shù)毓鈿夂驍?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，提出通過現(xiàn)場實(shí)測快速準(zhǔn)確確定洞外景物亮度的方法。

1洞外景物亮度

洞外景物亮度的參考光氣候條件是指考慮和計(jì)算洞外景物亮度時(shí)需要考慮的參考光照水平和參考天空狀況。隧道照明規(guī)范中關(guān)于洞外景物亮度的取值原則是“考慮最不利條件”下的景物亮度，那么對于洞外視野內(nèi)的天空最不利條件是天頂亮度最大值，按照CIE 88:2004的相關(guān)規(guī)定，取累積頻率75 h的天頂亮度最大值，但是天頂亮度最大并不意味著除天空要素之外的其他隧道洞外景物的表面照度最大[10]。

隧道洞外主要景物要素除了天空之外，更多的是被照表面。在整個(gè)視覺范圍內(nèi)其他被照表面(包括路面、端墻、綠化、巖壁、廣告牌等)所占比例遠(yuǎn)大于天空在視野范圍內(nèi)所占比例，因此，被照表面亮度的累積頻率最大值應(yīng)該以景物表面的最大照度為主要考察依據(jù)。

由于累積頻率出現(xiàn)75 h的最大水平面照度，均出現(xiàn)在夏季正午晴天空條件下，其對應(yīng)的參考天空條件與參考水平面照度值的參考天空條件基本一致。因此，某一地區(qū)計(jì)算隧道洞外視野范圍內(nèi)天空亮度的參考天空條件為：該地區(qū)累積頻率75 h最大水平面照度所對應(yīng)的天頂亮度平均值和夏至日正午晴天空。

對于有較長時(shí)間的天頂亮度觀測數(shù)據(jù)的地區(qū)，可以直接對天頂亮度的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，找到累積出現(xiàn)頻率75 h的最大水平面照度所對應(yīng)的天頂亮度平均值作為隧道洞外天空亮度計(jì)算的參考天空條件。但是由于天空亮度基礎(chǔ)研究缺乏，對于沒有長期天頂亮度觀測記錄的地區(qū)，可以用光氣候觀測資料中的照度資料計(jì)算換算。

2東莞地區(qū)的光氣候數(shù)據(jù)

要確定洞外亮度L20(S)必須先掌握該地區(qū)的光氣候特征，同時(shí)還需要天空亮度、洞外景物亮度和路面亮度之間的對應(yīng)關(guān)系。東莞市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，長夏無冬，一年中2、3月份日照最少，7月份日照最多[11]。

中國的氣象站目前都不對天然光照度值進(jìn)行觀測記錄。為了研究光氣候數(shù)據(jù)，中國氣象科學(xué)研究院等單位于1983年1月1日至1984年12月31日在包括廣州在內(nèi)的全國14個(gè)城市氣象站，連續(xù)測量了每天從日出到日落的逐時(shí)照度值，即從日出到日落，每隔1 h記錄一次照度值，中午12:00前后每0.5 h記錄一次[12]。這次14個(gè)城市連續(xù)2 a的光氣候測試數(shù)據(jù)是近年來研究中國光氣候的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13]。中國現(xiàn)行《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)也是基于這些觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行光氣候分區(qū)。在缺少照度觀測資料的情況下，GB 50033—2013利用各地區(qū)多年的輻射觀測資料及輻射光當(dāng)量模型來求得各地的總照度和散射照度；根據(jù)273個(gè)站近30 a的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，并利用輻射光當(dāng)量模型，得到典型氣象年的逐時(shí)總照度和散射照度；根據(jù)逐時(shí)照度數(shù)據(jù)，得到各地區(qū)的年平均總照度，從而繪制中國的總照度分布圖，并根據(jù)總照度的范圍進(jìn)行光氣候分區(qū)[14]。

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)將中國劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個(gè)光氣候區(qū)，包括廣州、東莞在內(nèi)的整個(gè)廣東省都屬于Ⅳ區(qū)[14]。這說明：從全國范圍來看，廣東地區(qū)屬于光照較少的地區(qū)；從廣東省的范圍來看，整個(gè)廣東省都屬于光氣候分區(qū)的Ⅳ區(qū)，廣東省內(nèi)各地的日照情況差別不大，即東莞地區(qū)和廣州地區(qū)的光照情況差別不大。雖然研究的隧道位于東莞地區(qū)，但可以采用位于廣州的氣象站在1983—1984年觀測到的光氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。

按照CIE 88:2004提出的將一年中至少出現(xiàn)75 h的景物最大亮度為基礎(chǔ)計(jì)算洞外亮度，需要統(tǒng)計(jì)廣州地區(qū)在1983、1984年觀測到的每年至少出現(xiàn)75 h的最大照度值。經(jīng)對廣州地區(qū)在1983、1984年觀測到的逐時(shí)照度值統(tǒng)計(jì)分析，得到廣州地區(qū)每年至少出現(xiàn)75 h的最大照度值為106 klx。該照度值將作為所研究隧道洞外亮度的計(jì)算基準(zhǔn)。

3叢莞高速公路洞外景物亮度設(shè)計(jì)參數(shù)現(xiàn)場實(shí)測

研究對象為叢莞高速上的7座隧道，均為雙向隧道；測試時(shí)應(yīng)在距洞口一個(gè)安全停車視距(以設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h為例，對應(yīng)的安全停車距離為100 m)處測試。

3.1測試對象

分別對從莞高速公路上的走馬崗隧道、旗嶺1號隧道、旗嶺2號隧道、觀音山隧道、石山隧道、石頭嶺隧道和羅馬村隧道共7座隧道的入口段情況進(jìn)行實(shí)測。所測試的7座隧道均為雙向隧道，故每個(gè)隧道應(yīng)對右線入口和左線入口分別測試。石頭嶺隧道和羅馬村隧道由于實(shí)地地形條件和施工進(jìn)度的限制，只測試了左線入口的洞外景物亮度。

3.2測量要求

3.2.1測試方法根據(jù)隧道照明設(shè)計(jì)的需要和中國現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)的規(guī)定，隧道洞外亮度的實(shí)測一般應(yīng)在夏季，即每年的6、7、8月份進(jìn)行，但受實(shí)際工程進(jìn)度的影響，往往大量工程在這個(gè)時(shí)間段不具備測試條件。因此，提出在合適的條件下通過現(xiàn)場實(shí)測獲取洞外各種景物的亮度和現(xiàn)場的水平面照度，建立洞外景物亮度與水平面照度之間的關(guān)系；然后對在當(dāng)?shù)亻L期實(shí)測得到的水平照度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得一年中至少出現(xiàn)75 h的最大水平照度值，進(jìn)而計(jì)算出一年中至少出現(xiàn)75 h的最大景物亮度；在此基礎(chǔ)上計(jì)算各隧道洞外亮度L20(S)值，作為隧道照明設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。采用該方法確定隧道洞外景物亮度，可以不受測試必須在夏季進(jìn)行的時(shí)間限制，也不必嚴(yán)格要求測試時(shí)天空無云。

3.2.2測試場地測試應(yīng)在距洞口一個(gè)安全停車視距(以設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h為例，對應(yīng)的安全停車距離為100 m)處，但由于現(xiàn)場地形條件和工程施工進(jìn)度的限制，大多數(shù)被測隧道外都不具備測試所需的現(xiàn)場條件。測試時(shí)，根據(jù)各隧道洞外施工場地的具體情況，測試地點(diǎn)選擇盡可能靠近100 m處。由于測試地點(diǎn)、特別是對隧道洞口拍照不是嚴(yán)格在距隧道洞口100 m處，由此帶來的誤差，在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)可以根據(jù)拍照點(diǎn)距洞口的距離及相應(yīng)的投影關(guān)系進(jìn)行修正。

3.3測量步驟

1)隧道洞外典型景物的亮度測量。將亮度計(jì)用三腳架固定在安全停車視距處后，調(diào)整焦距以較為清晰地容納各景物要素，然后將鏡頭依次瞄準(zhǔn)隧道洞口的構(gòu)筑物和環(huán)境要素，快速準(zhǔn)確地讀數(shù)[15]。從莞高速上各隧道洞外的典型景物主要有：洞口、混凝土端墻、混凝土護(hù)壁、巖石、裸露黃土、植被綠化、天空、路面等。

2)照度測量。對照度計(jì)與測量洞外景物亮度的亮度計(jì)同時(shí)讀數(shù)，得到與景物亮度對應(yīng)的水平面照度。

4測量結(jié)果及分析

4.1洞外景物亮度與水平面照度的關(guān)系

測量得到了各隧道洞外各種景物亮度值L和對應(yīng)的水平照度值E，將洞外景物亮度與水平面照度的測試數(shù)據(jù)通過Datafit軟件擬合出來的結(jié)果為一條直線，說明洞外景物亮度與水平面照度之間的線性關(guān)系，按照式(1)可以計(jì)算得到水平照度E與各景物亮度L之間的比例系數(shù)kE。

(1)

4.2隧道洞外景物亮度標(biāo)準(zhǔn)值LS的確定

根據(jù)對1983、1984年觀測到的逐時(shí)照度值的統(tǒng)計(jì)分析得到的照度標(biāo)準(zhǔn)值ES=106 klx，將ES和各隧道洞外各景物對應(yīng)的kE代入式(2)即可得到各隧道洞外各景物亮度的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值LS。

(2)

4.3東莞地區(qū)隧道洞外典型景物亮度設(shè)計(jì)參考值

為了方便公路隧道照明設(shè)計(jì)，需要確定隧道洞外景物亮度設(shè)計(jì)參考值。由于所測7座隧道的12個(gè)洞口朝向各異，無法直接根據(jù)所測數(shù)據(jù)獲得東、西、南、北四個(gè)朝向的隧道洞外景物亮度設(shè)計(jì)參考值。如果已知東、西、南、北4個(gè)朝向的隧道洞外景物亮度值，則可以通過插值的方法獲得非東、西、南、北朝向的隧道洞外景物亮度值。按照該插值方法思想，利用實(shí)測得到的洞外景物亮度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值，通過插值的方法得到東莞地區(qū)東、西、南、北4個(gè)朝向隧道洞外典型景物亮度設(shè)計(jì)參考值，見表1。

表1　東莞地區(qū)隧道洞外景物亮度參考值

注：①現(xiàn)場實(shí)測時(shí)尚未完成路面工程，沒有測到路面亮度值，北向隧道洞外的路面亮度值按照路面亮度與路面照度之間的換算關(guān)系計(jì)算得到，南向隧道洞外路面亮度取為比北向隧道洞外路面亮度低2.0 kcd·m-2，東、西向隧道洞外路面亮度取南、北項(xiàng)隧道洞外亮度的平均值。②左側(cè)數(shù)據(jù)為路面亮度高值(路面照度與亮度之間按15 lx/(cd·m-2)的換算關(guān)系得到的路面亮度計(jì)算得到的值)，右側(cè)數(shù)據(jù)為路面亮度低值(路面照度與亮度之間按22 lx/(cd·m-2)的換算關(guān)系得到的路面亮度計(jì)算得到的值)。

CIE 88-1990和CIE 88:2004都給出了相同的洞外景物亮度的參考值，中國現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)也參照CIE 88-1990給出了隧道洞外景物亮度參考值，見表2。

表2　規(guī)范建議的洞外景物亮度參考值

對比表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，東莞地區(qū)隧道洞外景物亮度參考值中路面、植被等的參考值與規(guī)范建議的洞外景物亮度參考值中路面、植被等的參考值差別不大，由此可說明實(shí)測確定公路隧道洞外景物亮度的方法獲得的隧道洞外景物亮度參考值是具有可信度和切實(shí)可行的。但對比兩表可以發(fā)現(xiàn)，東莞地區(qū)隧道洞外天空的設(shè)計(jì)參考值與規(guī)范推薦的設(shè)計(jì)參考值存在明顯差別，這也說明了隧道洞外景物亮度隨地理位置、所在地的光氣候條件差別顯著。分析其原因，規(guī)范中的“建議參考值”來源于北歐地區(qū)的光氣候觀測數(shù)據(jù)，北歐地區(qū)地處北半球的高緯度地帶，其光氣候條件與地處南亞熱帶與中亞熱帶分界的中國廣東地區(qū)差異顯著，因此，其天空亮度分布狀況相差較大。另外，廣東地區(qū)大氣中的氣溶膠密度相對較大，造成天空光的散射程度遠(yuǎn)大于北歐地區(qū)。因此，廣東地區(qū)的隧道照明工程設(shè)計(jì)如果直接應(yīng)用規(guī)范中的建議參考值，將與實(shí)際情況產(chǎn)生較大偏差。

上述分析表明，實(shí)測公路隧道洞外景物亮度的確定方法具有以下優(yōu)越性：隧道洞外亮度實(shí)測一般應(yīng)在夏季(6、7、8月)進(jìn)行，但受實(shí)際工程進(jìn)度影響往往大量工程在這個(gè)時(shí)間段不具備測試條件；該方法是通過現(xiàn)場實(shí)測獲取洞外各種景物的亮度和現(xiàn)場的水平面照度，建立洞外景物亮度與水平面照度之間的關(guān)系；然后對在當(dāng)?shù)亻L期實(shí)測得到的水平照度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得一年中至少出現(xiàn)75 h的最大水平照度值，進(jìn)而計(jì)算出一年中至少出現(xiàn)75 h的最大景物亮度；可見該方法不受測試時(shí)間的限制，也不必嚴(yán)格要求測試時(shí)天空無云。

5結(jié)論

提出了一種全新的確定隧道洞外景物亮度的方法，該方法不受測試時(shí)間的限制，并考慮了隧道所處地區(qū)的光氣候數(shù)據(jù)與特征，因此，與傳統(tǒng)方法相比具有快速、準(zhǔn)確地確定隧道洞外景物亮度的優(yōu)越性。

通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和東莞地區(qū)的光氣候數(shù)據(jù)得到的東莞地區(qū)東、西、南、北4個(gè)朝向隧道洞外典型景物亮度設(shè)計(jì)參考值。該方法得到的數(shù)據(jù)與規(guī)范中建議的參考值相差不大，說明了該方法的可信性，同時(shí)考慮隧道所處地區(qū)的光氣候特征，使所得數(shù)據(jù)更符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際隧道照明要求。

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(編輯胡英奎)

Method obtaining scenery luminance outside tunnel portals with in-situ testing

Deng Min, Zhang Fei

(CCCC Second Highway Consultants Co. Ltd, Wuhan 430000, P. R. China)

Abstract:Three methods used to determine luminance at tunnel portals were analyzed and compared. The three methods were look-up table method, environment diagram method and blackening method. But these methods didn’t fully consider the regional environment of tunnel and luminous climate. In order to rapidly and accurately determine scenery luminance at tunnel portals, measurements were conducted in seven Congguan highway tunnels. Based on the onsite measurements, the relationship between scenery luminance at tunnel portals and horizontal illuminance were established. Statistical analysis on local light climate data were carried out to confirm standard value of luminance at tunnel portals LSand the design reference value of typical scenery luminance at tunnel portals in Dongguan. And typical scenery luminance values of four towards in Dongguan area could be determined.

Keywords:tunnel lighting, adaptation luminance, scenery luminance outside tunnel portals, horizontal illuminance, luminous climate

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.017

收稿日期：2015-11-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51278507)；廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(科技-2012-04-11)

作者簡介：鄧敏(1981- )，男，主要從事交通安全與節(jié)能減排研究，(E-mail)deng_min2008@126.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51278507);Science and Technology Project of Transportation Department of Guangdong Province(No.2012-04-11)

中圖分類號：TU113.19；U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)03-0118-05

Received:2015-11-21

Author brief：Deng Min (1981- ), main research interest:traffic safety and energy conservation and emission reduction, (E-mail) deng_min2008@126.com.