道路隧道照明眩光評(píng)價(jià)

王 超，馬 非，劉 鵬，夏楊于雨

(1. 廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司隧道與地下工程分院，重慶 400067；3.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

引言

根據(jù)人眼視覺特性，對(duì)隧道內(nèi)部照明質(zhì)量進(jìn)行區(qū)段劃分為接近段、入口段、過渡段、中間段和出口段[1]。因?yàn)樵谒淼廊肟趨^(qū)域隧道內(nèi)部與外部存在明暗差，為滿足駕駛員獲得正常視覺信息，所以從行車安全的角度來講，隧道入口段是照明區(qū)段中最重要的部分，也是隧道照明領(lǐng)域研究最多的部分。但從隧道照明整體需求量來說，隧道中間段縱向長度的照明相對(duì)出入口照明比重更大，駕駛者通過需求時(shí)間更長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，隧道內(nèi)發(fā)生交通事故的概率雖然不比洞外一般路段高[2]，但由于隧道內(nèi)空間狹小，一旦發(fā)生交通事故，駕駛者沒有空間應(yīng)對(duì)緊急情況，后果較一般路段嚴(yán)重得多。因此，從隧道中間段較長駕駛時(shí)間的安全性考慮，隧道中間段照明的改善和照明質(zhì)量相關(guān)性研究是非常有必要的。

目前在道路照明眩光研究方面，傅翼等[3]分析了三種布燈形式下的隧道照明眩光影響，并得出其眩光影響范圍和影響程度。丁一等[4]在LED燈具曲面透鏡基礎(chǔ)上研究，提出一種非對(duì)稱單側(cè)蝠翼配光方法，通過優(yōu)化曲面透鏡來控制和消除眩光。楊春宇等[5]主要研究了等效光幕亮度與失能眩光反應(yīng)時(shí)間關(guān)系，并擬合了關(guān)系式。Gadegaard和Camponogara等[6，7]對(duì)LED燈具進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高照明性能，其他研究人員[8-11]在眩光方面也取得了一定的研究成果。從諸多現(xiàn)有眩光研究來說，針對(duì)多種配光形式的隧道照明研究不足，此次研究設(shè)定了燈具不同的光強(qiáng)分布條件，在此條件下進(jìn)行仿真分析了隧道中燈具光通量與隧道內(nèi)眩光值的相關(guān)性。通過相關(guān)性合理的調(diào)節(jié)燈具光強(qiáng)分布形式、光通量，并保證路面具有一定的亮度等級(jí)。使隧道中間段駕駛者在較暗的照明環(huán)境下能夠有較好的視覺視野和可見度。

1 眩光指標(biāo)

眩光分為不舒適眩光和失能眩光兩種，不舒適眩光是指對(duì)觀察者引起視覺不舒適的眩光，是由眩光源的散射光線射入人眼而導(dǎo)致的不舒適性所引起的，主要取決于進(jìn)入眼睛的光線數(shù)量，光源的亮度對(duì)之影響較小?？偟膩碚f，這種眩光對(duì)人眼的視覺能力并不造成實(shí)質(zhì)上的影響。失能眩光是指使觀察者的視覺觀察能力降低的眩光，光源的亮度是主要的影響因素。失能眩光效應(yīng)是由于在眼睛里雜散光產(chǎn)生的等效光幕Lseq疊加到垂直映像上，從而減小了目標(biāo)物的對(duì)比度，降低了目標(biāo)物的可見度[12]。

眩光作為一個(gè)十分重要的照明質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，在室內(nèi)照明和室外照明中有著很廣泛的應(yīng)用，具有代表性的指標(biāo)有眩光指數(shù)(GR)和統(tǒng)一眩光指數(shù)(UGR)、眩光指數(shù)(GI)、視覺舒適幾率(VCP)、眩光限制系統(tǒng)(亮度限制曲線)、眩光指數(shù)方法等。

多年來，在公路照明領(lǐng)域主要是使用閾值增量TI和GR值[13，14]作為照明系統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。閾值增量TI表示失能眩光的程度，該參數(shù)是一客觀指標(biāo)，可以通過測量其他照明指標(biāo)而計(jì)算得出，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，A為駕駛者的年齡；Ee為由新安裝的燈具在垂直于駕駛者視線的平面內(nèi)產(chǎn)生的照度值，其由縱向500 m范圍內(nèi)的所有燈具所產(chǎn)生；Lav為路面的初始安裝亮度平均值；θ為駕駛者視線與每盞燈具中心的角度。按照CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》的規(guī)定，隧道內(nèi)照明的閾值增量TI值應(yīng)不大于15%。

眩光值GR越小，眩光控制得越好，GR值的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，Lvl為燈具產(chǎn)生的光幕亮度，Lve為環(huán)境產(chǎn)生在光幕亮度。眩光控制等級(jí)GF值與眩光值GR的關(guān)系如下：

GR=(10-GF)×10

(3)

眩光值GR、眩光控制等級(jí)GF與人的主觀感受的關(guān)系如表1所示。在道路交通方面，當(dāng)行駛緩慢時(shí)，GR值不應(yīng)大于50，當(dāng)為正常交通時(shí)，GR值不應(yīng)大于45[15]。

表1 眩光和眩光控制等級(jí)與人主觀感受

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用三車道隧道斷面，凈空高度8 m，行車道所在的路面總寬度為13 m，行車道寬度3.75 m，如圖1所示。路面上方墻壁3 m高的范圍內(nèi)敷設(shè)裝飾板或者噴涂其他反射率較高的材料。

圖1 計(jì)算模型及斷面Fig.1 Calculation model and tunnel cross section

照明燈具布置在隧道兩側(cè)，縱向間距為10 m，采用交錯(cuò)布置形式，橫向位置位于兩側(cè)行車道中心線正上方，橫向間距為7.5 m，燈具的安裝高度為6.0 m，燈具的平面布置如圖2所示。

圖2 燈具布置形式Fig.2 Arrangement of lamps

2.2 燈具光強(qiáng)分布

在計(jì)算模型中采用了兩種光強(qiáng)分布形式，第一種是對(duì)稱照明形式，對(duì)應(yīng)的燈具配光曲線如圖3(a)所示，第二種為逆光照明形式，對(duì)應(yīng)的燈具配光曲線如圖3(b)所示。燈具的整燈光通量可設(shè)置2 500～6 000 lm不等，總體維護(hù)系數(shù)取0.8。

圖3 對(duì)稱、非對(duì)稱照明光強(qiáng)分布Fig.3 Light intensity distribution of symmetrical and asymmetric lighting

2.3 觀察點(diǎn)分布

GR觀察點(diǎn)位于行車道中心線上方，高度為1.5 m，觀察點(diǎn)與路面上注視點(diǎn)的夾角為2.0°。為了掌握縱向上不同觀察點(diǎn)的GR的變化，在兩盞燈具之間布置4個(gè)觀察點(diǎn)，加上燈具位置在內(nèi)共設(shè)6個(gè)觀察點(diǎn)。此外，因?yàn)閮蓚?cè)車道照明環(huán)境相同，考慮到燈具與中間車道位置關(guān)系和三車道左右對(duì)稱關(guān)系，所以分別設(shè)定了右側(cè)車道6個(gè)觀察點(diǎn)(等同左側(cè)車道)和中間車道6個(gè)觀察點(diǎn)，并從行車方向(同車道內(nèi))分別命名為觀察點(diǎn)1～觀察點(diǎn)6，中間車道同等命名，如圖4所示。

圖4 觀察點(diǎn)分布圖Fig.4 Arrangement of observation points

3 眩光的影響因素分析

針對(duì)隧道眩光的影響因素提出是依據(jù)已有的眩光計(jì)算基礎(chǔ)之上來的。而隧道照明場景中的眩光值計(jì)算目前多選用CIE的眩光指數(shù)(GR)，GR值的計(jì)算公式見式(2)。可以看出，其直接變量有兩個(gè)，一個(gè)是燈具直接對(duì)眼睛產(chǎn)生的光幕亮度Lvl，另一個(gè)是環(huán)境對(duì)眼睛直接產(chǎn)生的光幕亮度Lve。燈具產(chǎn)生的光幕亮度可簡化理解為與燈具亮度有關(guān)，因?yàn)闊艟咝阅苤笜?biāo)光通量直接影響著照明的質(zhì)量，即與亮度和照度相關(guān)，所以這里可以把燈具光通量作為一個(gè)眩光影響因素提出。環(huán)境光幕亮度影響因素有很多，涉及到環(huán)境本身材質(zhì)特性，以及燈具亮度和燈具照明形式。這里的客觀環(huán)境不作討論，并排除已有的研究，燈具照明形式可考慮燈光分布曲線，即對(duì)稱配光形式下的環(huán)境光幕亮度和非對(duì)稱配光形式(可分逆光和順光配光)下的光幕亮度，并作為影響因素提出。

4 眩光仿真分析

此次模擬計(jì)算選擇了燈具配光形式和光通量兩兩結(jié)合進(jìn)行研究隧道內(nèi)的眩光值。為了充分模擬隧道光環(huán)境，隧道的墻壁反射率選擇設(shè)定為0.3。模擬計(jì)算場景是在隧道中兩盞燈具之間布置了4個(gè)觀察點(diǎn)和燈具本身位置總共6個(gè)觀察點(diǎn)上進(jìn)行GR眩光仿真。

4.1 對(duì)稱配光下的眩光模擬計(jì)算

燈具配光形式主要分對(duì)稱和不對(duì)稱配光，模擬計(jì)算首先選擇在燈具對(duì)稱配光形式下進(jìn)行光通改變仿真，并分析其對(duì)隧道內(nèi)眩光值的影響。考慮到燈具光通量作為自變量，故將其分成了7個(gè)等差遞增變量值，分別為3 000～6 000 lm的變量值。各參數(shù)設(shè)定后仿真模擬計(jì)算輸出結(jié)果見表2。

表2 對(duì)稱配光下光通量與眩光值

從光通量與眩光值計(jì)算輸出結(jié)果可以得出，光通量的增加對(duì)眩光值有略微的提高，每個(gè)觀察點(diǎn)隨著光通量的增加僅提高觀察點(diǎn)1的眩光值，其影響基本可以忽略不計(jì)。圖5和圖6為光通量的改變與各車道GR值關(guān)系圖，不同光通量下各車道上的GR值有所所不同，兩側(cè)車道整體上的GR值相比中間車道上的GR值要高1～10個(gè)數(shù)值；兩側(cè)車道6個(gè)觀察點(diǎn)中2～4觀察點(diǎn)比1、5、6觀察點(diǎn)的GR值高1～13個(gè)數(shù)值，即兩燈具之間眩光值比燈下眩光偏高；中間車道6個(gè)觀察點(diǎn)中1～4觀察點(diǎn)相比5、6觀察點(diǎn)的眩光值偏高2～13個(gè)數(shù)值，即行車方向第一盞燈具到下一盞燈燈具間的GR值有降低的趨勢。

圖5 對(duì)稱配光光通量與右(左)側(cè)車道GR值關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the different luminous flux of symmetrical light distribution and the GR value of the right (left) lane

圖6 對(duì)稱配光光通量與中間車道GR值關(guān)系圖Fig.6 The relationship between the different luminous flux of symmetrical light distribution and the GR value of the center lane

4.2 非對(duì)稱配光下的眩光模擬計(jì)算

前面已經(jīng)提到燈具配光有對(duì)稱與非對(duì)稱形式，而這里的非對(duì)稱配光又可細(xì)分為逆光和順光形式(順光與逆光配光形式完全相同，只是在幾何上對(duì)稱，方向相反)，即順逆光照明。所以這里進(jìn)一步研究了順光條件下的光通量與眩光GR值的關(guān)系，以及逆光形式下相同關(guān)系條件的研究模擬計(jì)算。

1)順光配光模擬計(jì)算。這里模擬計(jì)算條件與對(duì)稱配光下眩光模擬計(jì)算保持相對(duì)等同，燈具光通量變量值同樣分成了7個(gè)等差遞增變量值(分別為3 000～6 000 lm的變量值)，右側(cè)車道和中間車道在兩燈具之間定義了相同的6個(gè)觀察點(diǎn)。光通量與眩光模擬計(jì)算輸出結(jié)果見表3。

表3 順光配光下光通量與眩光值

由表3可以看出，無論是兩側(cè)車道還是中間車道，以及光通量為3 000 lm或6 000 lm對(duì)整體眩光GR值的影響都很微小。順光配光形式下的最高GR值為15，眩光效應(yīng)對(duì)人眼的影響幾乎不被察覺，眩光控制等級(jí)可達(dá)到8級(jí)以上。

2)逆光配光模擬計(jì)算。逆光下眩光模擬計(jì)算與順光模擬計(jì)算條件保持相對(duì)等同，僅逆光時(shí)燈具發(fā)光朝向與順光配光形式對(duì)稱，方向相反布設(shè)。逆光下光通量與眩光模擬計(jì)算輸出結(jié)果見表4。

表4 逆光配光下光通量與眩光值

逆光配光條件下，光通量與眩光值的模擬計(jì)算結(jié)果和上述對(duì)稱配光、順光配光條件下光通量與眩光值的模擬計(jì)算得出對(duì)比，光通量與各觀察點(diǎn)GR值擬合曲線增長斜率幾乎趨近于0，即進(jìn)一步說明光通量對(duì)眩光值的影響性不大。而逆光下模擬計(jì)算得出相比對(duì)稱配光模擬計(jì)算得出也有相反之處，逆光模擬計(jì)算中隧道兩側(cè)車道GR值比中間車道GR低1～10個(gè)數(shù)值；同樣兩側(cè)車道6個(gè)觀察點(diǎn)中2～4觀察點(diǎn)比1、5、6觀察點(diǎn)的GR值高1～8個(gè)數(shù)值，中間車道6個(gè)觀察點(diǎn)中1～4觀察點(diǎn)相比5、6觀察點(diǎn)的眩光值偏高2～8個(gè)數(shù)值，逆光下模擬計(jì)算結(jié)果相比對(duì)稱配光模擬計(jì)算結(jié)果相同點(diǎn)，即兩側(cè)車道上兩燈具之間眩光值比燈下眩光偏高，中間車道第一盞燈具到下一盞燈燈具間的GR值有降低的趨勢。逆光配光光通量與各車道GR值變化關(guān)系圖見圖7和圖8。

圖7 逆光配光光通量與右(左)側(cè)車道GR值關(guān)系圖Fig.7 The relationship between the different luminous flux of counter-beam light distribution and the GR value of the right (left) lane

圖8 逆光配光光通量與中間車道GR值關(guān)系圖Fig.8 The relationship between the different luminous flux of counter-beam light distribution and the GR value of the center lane

5 結(jié)論

1)隧道內(nèi)燈具光通量在3 000～6 000 lm范圍內(nèi)改變，隧道內(nèi)眩光幾乎不受其影響。

2)三種配光形式相比較下(對(duì)稱配光、順光和逆光配光)，非對(duì)稱光強(qiáng)配光中順光配光形式下隧道內(nèi)眩光效應(yīng)最低(GR值小于15)，且眩光控制等級(jí)達(dá)到8級(jí)以上，次之為對(duì)稱配光，逆光眩光效應(yīng)最高(最高GR值為37)。

3)對(duì)稱配光與逆光配光計(jì)算結(jié)果對(duì)比相同點(diǎn)是，三車道中兩側(cè)車道上燈間眩光比燈下眩光高，平均高出5個(gè)數(shù)值，中間車道第一盞燈具到下一盞燈具間的GR值有降低的趨勢；不同點(diǎn)是，對(duì)稱配光形式下兩側(cè)車道眩光值要大于中間車道，逆光配光形式與之相反。

總體研究表明，三種配光下雖然順光配光照明有最高眩光控制等級(jí)(8～9級(jí))，但是另外兩種配光下眩光值都在可接受范圍內(nèi)，GR值均小于45，且眩光控制等級(jí)GF都在6級(jí)以上。