公路隧道照明方式對中間段小目標(biāo)可見度的影響

蔡賢云，吳 江，翁 季

（1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074；2.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045）

1970年，Gallagher等［1］在研究街頭照明與犯罪時提出可見度指標(biāo)的概念。實驗表明，可見度是司機察覺到目標(biāo)物與駕駛車輛之間距離的有效預(yù)測方法。Narisada采用20 cm×20 cm、反射系數(shù)9%～11%的灰板模擬駕駛員可能碰到障礙物的實驗，通過改變汽車行駛速度和駕駛員反應(yīng)時間等參數(shù)得到路面平均亮度、亮度均勻度及眩光限制等因素與停車視距、察覺小目標(biāo)物幾率之間的關(guān)系［2-3］。Box等發(fā)現(xiàn)駕駛員在道路上能否察覺到障礙物與可見度水平STV有關(guān)，可見度水平STV與交通事故發(fā)生概率之間的關(guān)系呈“U”形曲線，汽車時速在50～60 km時小目標(biāo)物可見度水平與夜間汽車交通事故發(fā)生概率之間具有緊密聯(lián)系，因此，從道路安全性考慮，可見度水平比亮度水平更適合評價道路照明質(zhì)量［4］。Kech［5］采用反射系數(shù)為50%的灰板模擬不同亮度水平下駕駛員可能碰到障礙物的情況，發(fā)現(xiàn)可見度水平STV值與交通事故概率在統(tǒng)計學(xué)上具有顯著相關(guān)性。

小目標(biāo)可見度的標(biāo)準(zhǔn)，在滿足可見度的基礎(chǔ)上可以防止過度照明，從而節(jié)約能源。日本NEXCO高速公路研究所的Sato等［6］指出，順光照明能加強小目標(biāo)物輪廓的可見性，特別是能增加可見度從而防止追尾事故的發(fā)生，確保隧道行車安全與舒適。他們以總揭示能力（total revealing power）為衡量指標(biāo)在東京和名古屋70座隧道內(nèi)作了持續(xù)的追蹤和實測，結(jié)果表明，將LED應(yīng)用于順光照明能確保良好的可見性和照明效率。公路隧道出口段照明在滿足可見度要求后，運用順光照明時路面亮度水平比采用對稱照明時低得多，因此，隧道出口段采用順光照明時更加節(jié)能。Young等指出，公路隧道出口段“白洞效應(yīng)”嚴(yán)重降低了司機白天駕車駛離隧道時的可見性。他們在隧道出口段采用對稱照明、逆光照明和順光照明模擬實際照明環(huán)境，結(jié)果表明，順光照明時出口段照明滿足亮度要求的同時能達到足夠的亮度對比度，確保一定的可見度水平［7-8］。徐雅琪［9］通過DIALux軟件模擬逆光照明，當(dāng)改變模型中X軸的角度時可達到改變逆光偏轉(zhuǎn)角的目的，對比不同傾角下的路面亮度測量值可以找到最佳燈具偏轉(zhuǎn)角。模擬得到的路面平均亮度等數(shù)據(jù)表明，逆光照明效率遠高于對稱照明。經(jīng)逆光照明優(yōu)化的實際隧道工程（燈具傾角為30°）與原有方案對比發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后路面平均亮度和亮度總均勻度等值均高于原方案［10-12］。但是，當(dāng)前研究中較少在充分考慮隧道照明段小目標(biāo)可見度STV的基礎(chǔ)上探討隧道照明方式與照明節(jié)能之間的關(guān)系。

通過公路隧道照明仿真實驗，模擬得到隧道中間段隧道照明質(zhì)量評價體系中各項指標(biāo)的值，據(jù)此進一步探討3種照明方式下隧道中間段小目標(biāo)可見度STV取值情況。

1 公路隧道照明仿真實驗

1.1 隧道照明仿真模型

通過光學(xué)軟件DIALux（4.13版）和AGI 32（18.3版）建立三車道公路隧道照明模型，模型內(nèi)路面寬度11.75 m，縱向長度100 m；隧道內(nèi)表面材質(zhì)為水泥，反射率為0.3，路面材質(zhì)為瀝青混凝土，反射特性R3。

DIALux軟件支持建立實體模型但不支持建立面模，需在Auto CAD中建立模型并導(dǎo)入該軟件中。DIALux軟件中各個界面的材質(zhì)及反射率等參數(shù)也可更改。AGI 32軟件18.3版本專業(yè)性極高，該軟件的計算分為直接計算和考慮反射光計算兩種模式，可計算眩光閾值增量TI和隧道內(nèi)小目標(biāo)物可見度STV（STV無法運用DIALux軟件計算）。通過DIALux和AGI 32得到的結(jié)果誤差在-1.42%～-1.88%，同時運用兩個軟件進行公路隧道照明仿真實驗得到的模擬結(jié)果具有可行性。

1.2 實驗參數(shù)設(shè)定

隧道照明仿真實驗中，中間段采用兩側(cè)交錯布燈方式，燈具橫向間距2.5 m、縱向間距9.0 m，燈具安裝高度6.0 m，燈具安裝角度0°，隧道墻面反射率0.3。選用的燈具為DELOS DL0611 SDTJ-002 43 W 220 V 4 000 K T2，配光曲線如圖1所示。照明方式受燈具偏轉(zhuǎn)角的影響，考慮逆光照明、對稱照明和順光照明3種情況，對稱照明時燈具偏轉(zhuǎn)角為0°，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為負時表明隧道采用逆光照明，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為正時表明隧道采用順光照明。

圖1 燈具配光曲線

2 照明方式與小目標(biāo)可見度

通過公路隧道照明仿真實驗，在3種照明方式下中間段的路面平均亮度、亮度總均勻度、車道中線亮度縱向均勻度如表1所示。

表1 不同照明方式下中間段的照明情況

1）逆光照明時所有車道平均亮度最大，為4.6 cd／m2；順光照明時所有車道平均亮度最小，為2.28 cd／m2，與最大值相比平均亮度下降50.43%。綜合各方面的情況采用逆光照明時平均亮度最高。

2）綜合各方面的情況，采用順光照明時亮度總均勻度最高，但3種照明類型下的路面亮度總均勻度均滿足規(guī)范要求。

3）采用順光照明時車道中線亮度縱向均勻度最高，但3種照明類型下的車道中線亮度縱向均勻度均滿足規(guī)范要求。

通過公路隧道照明仿真實驗，在3種照明方式下中間段小目標(biāo)可見度情況如表2所示。

表2 不同照明方式下中間段的小目標(biāo)可見度STV值

1）順光照明時小目標(biāo)物可見度STV值最大，為13；對稱照明時小目標(biāo)物可見度STV值最小，為1.1，與最大值相比小目標(biāo)物可見度STV值降低了91.54%。

2）順光照明時小目標(biāo)物可見度STV值最高，但隧道內(nèi)閾值增量TI值最低，為1%；逆光照明時小目標(biāo)物可見度STV值明顯高于對稱照明時的STV值，但逆光照明時閾值增量TI值最高，為10.39%。

3 結(jié)論

通過公路隧道照明仿真實驗探討了不同照明方式下中間段小目標(biāo)可見度STV值的相關(guān)情況，并得到了以下結(jié)論：

1）逆光照明時中間段所有車道的路面平均亮度最高，但順光照明時中間段的路面亮度總均勻度和車道中線亮度縱向均勻度最高。

2）雖然逆光照明時中間段的路面平均亮度最高，但是逆光照明時的閾值增量TI值也最高；順光照明時小目標(biāo)物可見度STV值最高，但此時的閾值增量TI值最低，僅為逆光照明時的9.62%。

3）對稱照明中間段的路面平均亮度不及逆光照明時，路面亮度總均勻度和車道中線亮度縱向均勻度不及順光照明，小目標(biāo)物可見度STV值也遠不及逆光照明和順光照明，但對稱照明時閾值增量TI值遠低于逆光照明的TI值。