浙東地區(qū)公路隧道調(diào)光參數(shù)影響因素實測分析與調(diào)光控制探討

錢登朝， 康 誠， 童孟勝， 張?zhí)旌剑?張 馳， 陳 亮， 吳 珂, *

(1. 溫州市公路管理局， 浙江 溫州 325000； 2. 浙江大學建筑工程學院， 浙江 杭州 310058；3. 寧?？h交通重點工程建設指揮部， 浙江 寧波 315600)

0 引言

隨著我國隧道數(shù)量和規(guī)模的不斷擴大，隧道行車安全與照明節(jié)能之間的矛盾也日漸突出[1]。采用LED作為隧道照明光源并進行調(diào)光控制，是實現(xiàn)隧道綠色智能化照明的發(fā)展趨勢，也是解決行車安全與節(jié)能減排之間矛盾的重要措施[2]，而掌握隧道照明基準參數(shù)的特性和變化規(guī)律，是實現(xiàn)低能耗、按需照明的基礎與關鍵。

近年來，隧道照明基準參數(shù)的合理設定得到了國內(nèi)外學者的普遍關注[3-5]。涂耘等[6]對浙西南山區(qū)高速公路隧道進行了大量現(xiàn)場實測和數(shù)據(jù)分析，提出了該地區(qū)洞外亮度L20(S)的普適峰值，為隧道照明設計提供了指導； 王少飛等[7]提出了一種基于數(shù)碼相機技術的L20(S)檢測方法，與現(xiàn)場實測結果對比，該方法可減小L20(S)檢測誤差； 胡英奎等[8]對比分析了現(xiàn)行隧道L20(S)檢測方法，并提出了基于當?shù)毓鈿夂驍?shù)據(jù)的L20(S)計算方法。對于隧道交通流參數(shù)，許多學者對隧道車速、交通量進行了實測，在獲取大量隧道交通數(shù)據(jù)的基礎上，開展了基于神經(jīng)元系統(tǒng)的隧道交通流預測[9-13]。隧道洞外亮度、車速和車流量作為照明設計與調(diào)光控制的重要基準參數(shù)，往往受到當?shù)貧夂驐l件和經(jīng)濟發(fā)展水平的影響，目前，對于某一特征地區(qū)隧道照明調(diào)光參數(shù)的變化特征及其對照明需求和能耗的影響的相關研究較少。

本文以浙東地區(qū)多條公路隧道為研究對象，采用改進的環(huán)境簡圖法結合環(huán)形線圈車檢器，同步、連續(xù)獲得隧道長序列L20(S)及交通流數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)車流量和車速的變化特征以及季節(jié)和天氣對L20(S)時序變化規(guī)律的影響，探討隧道照明需求的特性。

1 測量對象及方法

對浙東沿海丘陵地區(qū)6條公路隧道的洞外亮度L20(S)和交通流展開現(xiàn)場實測。隧道分別位于溫州和寧波，均為南北走向，設計車速為60 km/h，隧道服役時間均達到1年以上。

環(huán)境簡圖法[14]是國際照明委員會(CIE)推薦的一種隧道L20(S)測算方法，首先對隧道洞口的特征景物進行類型劃分，再確定各類型景物的亮度，最后對各景物亮度進行加權平均，計算出L20(S)。在具體實施時，往往需要測量人員根據(jù)經(jīng)驗選擇某一特征點亮度作為該類景物亮度，但由于同一景物在不同位置的亮度常存在差異，容易造成人為的測量誤差。以某隧道洞口植被為例， 同一時刻某兩處特征點亮度差異可達到300.5 cd/m2。此外，傳統(tǒng)的環(huán)境簡圖法難以獲得連續(xù)的L20(S)變化曲線，且進行各景物測量時經(jīng)常存在時差。

本文對環(huán)境簡圖法進行改進，首先根據(jù)數(shù)碼相機所拍攝的距隧道洞口1個停車視距處20°圓錐視場的照片來劃分各景物類型及面積權重；然后采用多臺多視場角亮度計對各類景物進行同步測量，測量時根據(jù)景物面積切換視場角，使得視場角范圍能夠覆蓋目標景物，以獲取同一類目標景物的加權亮度值；最后基于式(1)計算L20(S)。

L20(S)=γ·LC+ρ·LR+ε·LE+τ·Lth。

(1)

式中：LC、LR、LE、Lth分別為天空、路面、環(huán)境和隧道洞口處亮度，cd/m2；γ、ρ、ε、τ分別為天空、路面、環(huán)境和隧道洞口面積所占百分比，根據(jù)隧道洞口拍攝的20°圓錐角視場照片確定。

采用改進的環(huán)境簡圖法，通過亮度計視場角的切換，可同時獲得各類目標景物的加權亮度值，有效避免了原方法受測試人員經(jīng)驗影響、各景物亮度測量存在時差等問題，能夠準確獲取連續(xù)的L20(S)變化特征曲線。實測結果表明，改進的環(huán)境簡圖法檢測結果與規(guī)范推薦方法(灰度法)的差異在5%以內(nèi)，如圖1所示。

圖1 隧道L20(S)檢測數(shù)據(jù)對比Fig. 1 Comparison of detection data of L20(S)

隧道的車速和車流量數(shù)據(jù)通過基于電磁感應原理的環(huán)形線圈車輛檢測器測量。

2 結果分析

2.1 洞外亮度變化特征

洞外亮度L20(S)是指在接近段起點S處，距地面1.5 m高正對洞口方向20°視場實測得到的平均亮度。L20(S)的合理設定，對工程投資和營運開支都有極大的影響，例如L20(S)分別設定為4 000 cd/m2與6 000 cd/m2時，隧道照明設備費相差34%，年耗電量相差達30%[15]。

寧波市花山隧道每日L20(S)峰值的年變化曲線如圖2所示。由圖2可知，受天氣和季節(jié)的影響，1年中每日的L20(S)峰值變化差異較大，7—8月的L20(S)峰值較高，普遍達到4 000 cd/m2以上，其他時間L20(S)峰值則在3 500 cd/m2左右。相比于L20(S)峰值維持在3 000 cd/m2左右的浙西南山區(qū)公路隧道，由于溫州、寧波兩地沿海，日照充分，因此L20(S)普遍更高。

圖2 公路隧道L20(S)峰值年變化曲線

Fig. 2 Annual variation curve of peak value ofL20(S) in highway tunnel

圖3示出不同季節(jié)L20(S)的日時序變化曲線。由圖3可知，不同季節(jié)的L20(S)日時序變化曲線整體趨勢比較一致，但L20(S)峰值大小和持續(xù)時間有所差異。冬、春秋、夏季L20(S)分別從7:00、6:00、5:00開始逐漸增大，在10:00左右達到峰值并維持在高位。夏季L20(S)峰值最大，達到4 000 cd/m2左右，比冬季增大約10%，春秋季L20(S)峰值則介于兩者之間。同時，夏季L20(S)維持在高位的時間較長，為7 h左右，在15:00左右才開始逐漸降低；而冬季L20(S)在高位的持續(xù)時間相對較短，僅為4 h；春秋季L20(S)在高位的持續(xù)時間為5 h左右。我國現(xiàn)行規(guī)范提出的春、夏、秋、冬季公路隧道L20(S)峰值比例為0.5∶1∶0.5∶0.5，實測結果表明，浙東地區(qū)春、夏、秋、冬季晴天L20(S)峰值比例應調(diào)整為0.95∶1∶0.95∶0.85，且L20(S)在高位的持續(xù)時間應分別為5、6、5、4 h。

圖3 不同季節(jié)隧道L20(S)日時序變化曲線Fig. 3 Daily sequential variation of L20(S) in different seasons

圖4示出不同天氣下的隧道L20(S)日時序變化曲線。由圖4可知，晴天時隧道L20(S)整體較高，白天時段(8:00—18:00)的平均值達到1 913.65 cd/m2；陰天、重陰天時隧道L20(S)較低，平均值僅為321.86 cd/m2和209.73 cd/m2； 云天時隧道L20(S)介于晴天和陰天之間，平均值為1 117.15 cd/m2。雖然晴天時L20(S)較大，但其變化相對較為平穩(wěn)；而云天由于受到云層的隨機遮擋，常導致L20(S)在短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅變化。如實測數(shù)據(jù)捕捉到某個云天的下午，L20(S)在15 min內(nèi)由1 000 cd/m2增至3 260 cd/m2，隨后迅速降至1 000 cd/m2以下，變化速率達到150.7 cd·m-2·min-1。L20(S)的急劇變化必然會導致隧道內(nèi)亮度需求發(fā)生改變，這對隧道照明控制提出了更高的要求。

圖4 不同天氣隧道L20(S)日時序變化規(guī)律Fig. 4 Daily sequential variation of L20(S) in different weathers

我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定晴、云、陰、重陰天下的L20(S)亮度比例應為1∶0.5∶0.25∶0.13。實測結果表明，浙東地區(qū)公路隧道晴、云、陰、重陰天下的L20(S)的比例應調(diào)整為1∶0.6∶0.18∶0.11，更為符合該地區(qū)氣候環(huán)境對實際照明需求的影響。

2.2 交通流變化特征

除L20(S)外，隧道照明需求亮度同時還受車速vt和車流量N的影響。以溫州市塔石嶺隧道為例，對1年內(nèi)每日隧道車速和車流量進行小時平均，獲得浙東地區(qū)公路隧道典型交通流變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，1 d內(nèi)N呈雙峰分布，峰值達到800 veh·h-1·ln-1以上；vt呈雙谷分布，早、晚高峰時段的行車速度均在20 km/h左右。由此可知，隧道交通流普遍存在“低車速-高車流量，高車速-低車流量”的特點，即日間車速普遍較低，但車流量較大，且存在早晚車流高峰；夜間車速較高，但車流量較小。這是由于浙東地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，城鎮(zhèn)化程度高，交通趨于飽和，公路隧道的交通流呈現(xiàn)出市政隧道的峰谷分布特征。

圖5 浙東地區(qū)公路隧道交通流變化曲線

Fig. 5 Characteristics of traffic flow variation of highway tunnel in eastern area of Zhejiang

vt和N對照明需求亮度的影響主要體現(xiàn)在隧道入口段亮度折減系數(shù)k，如圖6所示。由圖6可知，k值隨vt、N的增加而不斷增大，但只有在大車流量和高車速時，k值的變化才較為明顯。當N為1 200 veh·h-1·ln-1時，vt由40 km/h增大至100 km/h，k值由0.012提升至0.045，即vt每提高20 km/h，k增大0.011；在車速較低時(vt≤ 40 km/h)，N由350 veh·h-1·ln-1增加至1 200 veh·h-1·ln-1，k僅從0.01增大至0.012。結合隧道“低車速-高車流量，高車速-低車流量”的特點，考慮到隧道的日間車速普遍低于40 km/h，可以推斷，浙東地區(qū)日間vt和N對隧道照明需求亮度的影響比較小。

圖6 入口段亮度折減系數(shù)k變化規(guī)律Fig. 6 Variation of brightness reduction factor k in tunnel entrance

2.3 隧道照明需求特性

隧道照明需求由L20(S)和k共同決定。依據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范，L20(S)、k對隧道入口段照明亮度的影響關系見式(2)。

Lth1=k·L20(S) 。

(2)

式中Lth1為隧道入口段1亮度，cd/m2。

依據(jù)式(2)計算隧道入口加強照明亮度需求。在滿足隧道最低亮度需求的基礎上，L20(S)、k和隧道日間入口加強照明需求的日時序變化曲線如圖7所示。由圖7可知，L20(S)在8:00左右迅速上升，17:00左右迅速下降，白天時段維持在高位；k在7:00、10:00和17:00左右出現(xiàn)峰值； 相比于L20(S)，k在1 d內(nèi)變化比較平緩，僅在0.01～0.013波動。進一步比較隧道照明需求變化可以發(fā)現(xiàn)，照明需求變化曲線在變化趨勢、峰值時刻等方面均與L20(S)曲線十分接近，與k值曲線差異較大，且在7:00—8：00、11：00—13:00和16：00—17:00等時間段內(nèi)，均出現(xiàn)了k與照明需求變化趨勢相反的現(xiàn)象。

圖7 L20(S)、k和日間加強照明需求變化曲線

Fig. 7 Variation curves of lighting demand,L20(S) andkin daytime

進一步比較L20(S)、k和日間隧道入口段加強照明需求的變化幅度，如圖8所示。由圖8可知，1 d內(nèi)L20(S)的變化比k更為劇烈。上午時段L20(S)變化幅度不斷增大，于10:00左右達到峰值，幅度約170%；隨后變化幅度不斷下降并趨于平緩，在12:00—15:00期間維持在-15%～+15%； 在15:00之后，L20(S)變化幅度迅速減小，在17:00左右達到-100%。而k值變化幅度始終在-10%～+10%波動。隧道照明需求的變化幅度曲線與L20(S)極為貼合，分別在8:00—10:00顯著增大、15:00—17:00顯著減小，在12:00—15:00期間在10%以內(nèi)波動。由圖7和圖8可知，對于浙東地區(qū)，影響隧道照明需求變化的主要因素是L20(S)。

選擇本次實測中的3條鄰接隧道安裝智能控制電表，對隧道照明能耗進行計量。3條隧道均采用LED照明，長度分別為2.03、1、0.49 km，實際交通狀況相近。隧道運營中，洞內(nèi)左側燈具僅根據(jù)L20(S)變化進行無級調(diào)光；洞內(nèi)右側燈具根據(jù)L20(S)、vt和N變化進行無級調(diào)光。經(jīng)實際計量，長、中、短3條隧道左側日均照明能耗分別為573.2、340.4、178.2 kW·h；右側分別為528.1、328.1、168.1 kW·h。相比于不調(diào)光控制，隧道左、右側照明節(jié)能比例見表1。

圖8 L20(S)、k和日間加強照明需求變化幅度曲線

Fig. 8 Rangeability curves of lighting demand,L20(S) andkin daytime

表1長、中、短隧道照明節(jié)能比例

Table 1 Ratio of lighting energy saving in long, medium and short tunnel %

以長隧道為例，僅根據(jù)L20(S)變化進行調(diào)光控制，節(jié)能比例為36.3%。在此基礎上考慮交通流的影響，節(jié)能空間僅增加1.1%，提升效果十分有限。進一步比較長、中、短隧道照明節(jié)能比例可以發(fā)現(xiàn)，相比于長隧道，中、短隧道由于加強段照明功率占隧道照明總功率的比例更大，調(diào)光控制的節(jié)能比例也更大，分別達44.7%～46.7%、54.3%～56.9%。由此可知，隧道越短，調(diào)光控制所取得的節(jié)能效果越顯著。

3 結論與建議

1)浙東地區(qū)公路隧道晴、云、陰、重陰天下的L20(S)比例約為1∶0.6∶0.18∶0.11；春、夏、秋、冬季的L20(S)峰值比例約為0.95∶1∶0.95∶0.85，L20(S)在高位持續(xù)時間分別為5、6、5、4 h。

2)浙東地區(qū)公路隧道交通流存在“低車速-高車流量，高車速-低車流量”的峰谷重疊特征，車速和車流量對隧道照明需求亮度的影響較為有限。

3)L20(S)是影響浙東地區(qū)隧道日間照明需求的主要因素，其對調(diào)光控制節(jié)能的貢獻超過95%。

4)隧道越短，加強照明所占的比例越大，調(diào)光控制所取得的節(jié)能效果越顯著。短隧道采用無級調(diào)光，照明能耗降低50%以上。

5)后續(xù)研究應進一步分析洞口朝向對隧道L20(S)及照明需求的影響，并對比城市隧道與公路隧道的交通流特點。

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