照明方式與配光曲線對(duì)隧道照明質(zhì)量的影響分析

李 志

（長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引言

隧道照明能為駕駛者提供視看清晰的路面亮度與路面均勻度，將眩光保持在最低限度并實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)比敏感度，這對(duì)于降低事故風(fēng)險(xiǎn)，提高駕駛安全至關(guān)重要。LED[1]配光方式的多樣使得隧道照明選擇更為靈活。燈具配光曲線決定光強(qiáng)分布，改變照明方式相當(dāng)于對(duì)燈具光強(qiáng)分布的再次封裝，這都會(huì)影響隧道的照明指標(biāo)。因此，對(duì)不同配光曲線及照明方式下的隧道照明質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，量化分析隧道照明質(zhì)量指標(biāo)，給出合理的隧道照明方式及配光曲線建議具有重大意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究燈具種類照明差異及布燈方式對(duì)照明節(jié)能與安全性的影響[2]，對(duì)于燈具配光曲線及照射方式對(duì)照明質(zhì)量研究相對(duì)較少。馬非等[4]研究了3種光線分布對(duì)照明質(zhì)量的影響，得到最佳的照明曲線選擇。楊超[5]分析了配光曲線和布燈方式對(duì)隧道照明功耗及照明效果的影響，得到了不同配光曲線最適合的布燈方式。以上研究?jī)H考慮了部分照明指標(biāo)，不能正確評(píng)價(jià)隧道照明質(zhì)量。Masayoshi[6]提出通過(guò)增加垂直照度來(lái)改善可視性的順光照明在減少隧道內(nèi)的交通事故方面是有效的。這些研究提出不同照明方式下的優(yōu)勢(shì)，但燈具配光曲線對(duì)照明質(zhì)量有很大的影響，上述研究能否適用于所有配光曲線尚未知曉。因此，配光曲線及照明方式對(duì)照明質(zhì)量的綜合影響有待研究。

本文運(yùn)用照明軟件DIALux建立某隧道仿真模型，對(duì)模型光環(huán)境進(jìn)行模擬分析，量化了不同燈具配光曲線在不同照射方式下的路面亮度、均勻度及眩光等指標(biāo)，給出了隧道照明設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 方法與材料

1.1 照明方式

根據(jù)隧道燈具照射方式可以分為對(duì)稱照明、逆光照明、順光照明。對(duì)稱照明即配光曲線與道路軸線呈對(duì)稱分布。逆光照明配光曲線與道路軸線呈非對(duì)稱分布，光束集中投向與機(jī)動(dòng)車行駛相反的方向。而順光照明則是將光束投向與機(jī)動(dòng)車行駛相同的方向。

1.2 照明指標(biāo)

路面平均亮度Lav：亮度是表征發(fā)光面發(fā)光強(qiáng)弱的物理量，路面平均亮度是駕駛者觀察障礙物的背景。在公路照明中背景指路面，在隧道照明中墻面和路面都視為背景考慮。公路隧道亮度設(shè)計(jì)與車流量及設(shè)計(jì)速度相關(guān)。

均勻度：為了使隧道路面提供令人滿意的能見(jiàn)度，需要規(guī)定路面最小亮度和平均亮度比值的范圍，對(duì)于車輛流量大于2 400輛/小時(shí)的單相隧道，我國(guó)規(guī)范中要求路面亮度總均勻度Uo需大于0.4，縱向均勻度UL大于0.6。

眩光：在公路隧道內(nèi)，通常引起眩光的原因是因?yàn)樗淼纼?nèi)的燈具的光線會(huì)直接射入人眼中，產(chǎn)生了等效光幕，從而嚴(yán)重影響了駕駛員的視覺(jué)功效。隧道中常用閾值增量（TI）來(lái)評(píng)價(jià)失能眩光。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中眩光閾值增量不能超過(guò)15%。

1.3 仿真

采用LED燈具模擬終南山隧道中間段基本照明，兩側(cè)交錯(cuò)布燈，布設(shè)間距為10 m，燈具布設(shè)高度為5.3 m。順光照明與逆光照明角度為30°。3種配光曲線分別為：（1）窄蝙蝠翼型（2）寬蝙蝠翼型（3）朗伯型。三種燈具的光通量相同，燈具利用系數(shù)為0.7。

2 結(jié)果

對(duì)隧道模型進(jìn)行仿真，得到如表1所示結(jié)果。

2.1 配光曲線對(duì)照明質(zhì)量的影響

燈具配光曲線是燈具光強(qiáng)分布曲線，配光角度決定了燈具光線的照射范圍，配光曲線的形狀則確定了光線的集中程度，從表1可以看出，不同配光曲線下隧道照明指標(biāo)存在一定差異。配光曲線I下能提供最高的路面平均亮度，說(shuō)明提供相同亮度時(shí)，使用配光曲線I能節(jié)省隧道照明功耗。配光曲線1提供的總體均勻度相較于其他兩種較低而縱向均勻度均高于其他。配光曲線2對(duì)稱照明時(shí)能提供較高的總體均勻度但縱向均勻度較差兩種曲線。配光曲線3下路面亮度相對(duì)較小，能提供最好的總體均勻度，眩光也相對(duì)較小，但在縱向均勻度上表現(xiàn)較差。3種曲線的眩光差異在照明方式不同時(shí)存在較大差異，相對(duì)而言配光曲線2下眩光更強(qiáng)，不利于駕駛安全。

表1 某隧道照明質(zhì)量參數(shù)仿真結(jié)果

2.2 照明方式對(duì)照明質(zhì)量的影響

從表1可知，對(duì)稱照明能提供最高的路面亮度及總體均勻度且眩光較小，但在對(duì)稱照明時(shí)縱向均勻度較低。對(duì)稱照明在3種照明下達(dá)到最低能量消耗，總體而言能夠提供良好的照明環(huán)境。逆向照明路面平均亮度與總體均勻度相對(duì)于對(duì)稱照明低，能提供最高的縱向均勻度，但眩光最為嚴(yán)重，超過(guò)隧道照明標(biāo)準(zhǔn)，因此在隧道中間段不推薦采用反向束照明。M Renzler提出逆向照明僅朝向駕駛員的方向引導(dǎo)光線，降低了障礙物亮度，產(chǎn)生大的負(fù)對(duì)比度，因此可用于隧道的入口區(qū)域。原則上，路面應(yīng)該看起來(lái)像逆光照明一樣明亮，但由于涂層的反射，路面對(duì)于逆光照明來(lái)說(shuō)看起來(lái)更亮。前束照明縱向均勻度較高、眩光極小，因此隧道交通流量大時(shí)適用，因?yàn)槊髁恋穆访娌蝗缌己玫奈矬w識(shí)別那么重要。

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立了基于燈具配光曲線和照明方式的終南山隧道照明仿真模型，分析了不同配光曲線燈具在不同照明方式下的照明指標(biāo)，得到如下結(jié)論：

（1）不同配光曲線照明燈具提供路面亮度有微小差異，但對(duì)總體均勻度影響較大。

（2）對(duì)稱照明能提供最高的路面亮度及總體均勻度且眩光較小。逆光照明能提供最高的縱向均勻度，但眩光最為嚴(yán)重，不利于駕駛安全。順光照明縱向均勻度較高、眩光極小，但路面亮度較低。

（3）采用對(duì)稱照明時(shí)路面平均亮度與總體均勻度相對(duì)較高，顯示障礙物能力強(qiáng)；采用配光曲線3時(shí)總體均勻度最高且路面亮度符合隧道照明標(biāo)準(zhǔn)。