公路隧道照明燈具安裝方式研究綜述

蔡賢云，田心怡，翁 季，黃 珂

（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）

為確保公路隧道照明滿足安全、舒適和節(jié)能的要求，在隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)需要確定隧道不同照明段的路面亮度水平。CIE 88—2004研究報(bào)告推薦了全新的公路隧道照明設(shè)計(jì)方法：察覺對(duì)比法，并給出了基于察覺對(duì)比法的公路隧道入口段亮度計(jì)算公式，其中一項(xiàng)重要的參數(shù)即對(duì)比顯示系數(shù)qc［1］。對(duì)比顯示系數(shù)是給定區(qū)域路面亮度Lb與小目標(biāo)物面向行車方向垂直面的中點(diǎn)照度Ev的比值，表示為qc＝Lb／Ev。

研究表明，對(duì)比顯示系數(shù)與公路隧道內(nèi)光的空間相對(duì)分布有關(guān)，即對(duì)比顯示系數(shù)qc與隧道內(nèi)燈具布置方式、照明方式、光源功率、燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉(zhuǎn)角、燈具俯仰角、燈具配光曲線和隧道內(nèi)光的多次反射有關(guān)。換言之，對(duì)比顯示系數(shù)qc與公路隧道照明燈具安裝方式有關(guān)［2］。

1 隧道照明方式

依據(jù)燈具的配光形式，公路隧道照明方式分為3種：逆光照明、對(duì)稱照明和順光照明。Dijon等［3］在條件相同（隧道幾何尺寸和所處天氣狀況均一樣）的隧道中通過實(shí)驗(yàn)分析了對(duì)稱照明、逆光照明和順光照明在可見性方面的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同條件下逆光照明時(shí)L／Ev值最大，順光照明時(shí)L／Ev值最小。以亮度對(duì)比度C和L／Ev作為衡量指標(biāo)，在可見性方面順光照明相較逆光照明和對(duì)稱照明沒有優(yōu)勢(shì)，在指引行車方面對(duì)稱照明具有良好的誘導(dǎo)性，而逆光照明能保證良好的可見性。為保證良好的可見性應(yīng)將墻面高亮度區(qū)域限制在1 m的高度范圍內(nèi)，并嚴(yán)格控制與車行方向一致的發(fā)光強(qiáng)度。

稻森真指出，日本公路隧道照明常用非對(duì)稱照明和單行排列照明兩種方式。非對(duì)稱照明又分為對(duì)稱照明、逆光照明和順光照明3種，其中對(duì)稱照明主要用于基本照明和入口段照明。稻森真還從光通量和使用壽命等方面對(duì)比分析了幾種常用的公路隧道照明光源（低壓鈉燈、高壓鈉燈、緊湊型熒光燈等），但他并沒有指出各種光源用于隧道照明時(shí)的優(yōu)劣［4－5］。

日本NEXCO高速公路研究所的Sato等［6］研究發(fā)現(xiàn)：順光照明能加強(qiáng)小目標(biāo)物輪廓的可見性，增加可見度。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)的追蹤和測(cè)試，研究結(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，從而防止追尾事故的發(fā)生，確保隧道行車安全與舒適。兩位學(xué)者指出，公路隧道出口段照明在滿足可見度要求后，運(yùn)用順光照明時(shí)路面亮度水平比采用對(duì)稱照明時(shí)低得多，因此，隧道出口段采用順光照明時(shí)更加節(jié)能。

Lee等［7］指出，公路隧道出口段的“白洞效應(yīng)”嚴(yán)重降低了司機(jī)白天駕車駛離隧道時(shí)的可見性。他們?cè)谒淼莱隹诙尾捎脤?duì)稱照明、逆光照明和順光照明模擬實(shí)際照明環(huán)境，得到小目標(biāo)物、路面亮度和墻面亮度的實(shí)測(cè)值（見圖1）。研究結(jié)果表明，順光照明時(shí)出口段照明滿足亮度要求的同時(shí)又能達(dá)到足夠的亮度對(duì)比度，確保足夠的可見度水平［8］。

圖1 順光照明模擬實(shí)驗(yàn)各界面測(cè)點(diǎn)布置圖及實(shí)測(cè)結(jié)果

2 光源選擇和燈具配光曲線

Tsai等［9］指出傳統(tǒng)公路隧道照明中嚴(yán)重眩光、照明水平不足和浪費(fèi)電能等問題均與光源選擇有關(guān)。與傳統(tǒng)熒光燈相比，LED具有節(jié)能、減少眩光等優(yōu)點(diǎn)［10］。為營(yíng)造隧道照明低眩光和高均勻性的環(huán)境，根據(jù)燈具的截光理念控制光強(qiáng)分布，如圖2（a）所示，通過給LED光源增加透鏡改變燈具配光形式，如圖2（b）所示，模擬和實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)與研究成果吻合度很高［11］。

圖2 依據(jù)截光理念控制燈具的光強(qiáng)分布

郭興隆等［12］在1∶1公路隧道模型中測(cè)試LED和高壓鈉燈對(duì)小目標(biāo)物辨識(shí)度的影響。研究結(jié)果表明，在同等亮度水平下，LED照明時(shí)小目標(biāo)物可見度STV值比高壓鈉燈提高40%，說明LED照明下駕駛員視看條件更好，隧道照明中采用LED更節(jié)能。楊超等［13］從隧道照明燈具選擇等方面總結(jié)了公路隧道照明節(jié)能技術(shù)，從光效、平均壽命、啟動(dòng)穩(wěn)定性和耐震性能等方面分析常用的照明光源（高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、熒光燈和LED等）［14－15］。馬志功［16］從光源特性和節(jié)能效果出發(fā)分析了中國(guó)公路隧道常用的照明燈具，發(fā)現(xiàn)白光LED光源參數(shù)可達(dá)到150 lm／W，白光LED光效高、壽命長(zhǎng)、顯色性能優(yōu)于其他燈具，從實(shí)際工程分析發(fā)現(xiàn)，LED具有的動(dòng)態(tài)調(diào)光功能可使總節(jié)能率達(dá)75%［17］。

CIE和CEN發(fā)布的公路隧道照明研究報(bào)告中指出，道路和隧道照明燈具配光曲線需在滿足路面亮度和眩光控制要求的基礎(chǔ)上盡可能降低能耗［18－19］。為調(diào)和照明系統(tǒng)的有效性與能耗之間的矛盾，Pachamanov等［20］指出，基于各個(gè)界面的反射系數(shù)考慮燈具配光曲線，在滿足路面平均亮度和其他限制條件的基礎(chǔ)上尋求燈具最低光通量參數(shù)。但是線性優(yōu)化存在很多問題，如照明設(shè)備的幾何參數(shù)和路面反射特性，因此，他們選用優(yōu)化模型使配光曲線平滑，從而提高照明效率，保證照明設(shè)施更加節(jié)能。兩位學(xué)者優(yōu)化了保加利亞兩條高速公路的隧道照明燈具配光形式（見圖3）。

圖3 隧道燈具配光及優(yōu)化

3 燈具布置方式和隧道內(nèi)光的多次反射

燈具布置方式包括燈具安裝位置、燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉(zhuǎn)角和燈具俯仰角。隧道內(nèi)燈具安裝位置情況共分為4種：拱頂側(cè)偏單光帶布燈、中間布燈、兩側(cè)交錯(cuò)布燈和兩側(cè)對(duì)稱布燈。燈具偏轉(zhuǎn)角與3種照明方式（逆光照明、對(duì)稱照明和順光照明）有關(guān)，一般在－60°～60°之間，負(fù)值代表逆光照明，0°代表對(duì)稱照明，正值代表順光照明。燈具俯仰角決定了燈具光通量在隧道路面、墻面以及頂棚間的分配比。

3.1 燈具安裝位置

張阿玲［21］對(duì)比分析了公路隧道照明常用的布燈方式，提倡拱頂側(cè)偏單光帶布燈（中線布燈的變形）（見圖4）。當(dāng)二車道隧道中間段設(shè)計(jì)亮度≥3.0 cd／m2或三車道隧道中間段設(shè)計(jì)亮度≤2.5 cd／m2時(shí)，基本照明宜采用“拱頂側(cè)偏單光帶布燈”，否則宜采用雙側(cè)對(duì)稱布燈或交錯(cuò)布燈。過渡段和出口段加強(qiáng)照明宜優(yōu)先采用與基本照明相同的布燈方式。當(dāng)基本照明采用拱頂側(cè)偏單光帶布燈時(shí)，若過渡段和出口段加強(qiáng)照明無法滿足亮度要求，也可采用雙側(cè)對(duì)稱布燈或交錯(cuò)布燈方式［22］。

圖4 隧道內(nèi)燈具布置方式

黨偉榮等［23］認(rèn)為，雖然拱頂側(cè)偏單光帶布燈在公路隧道照明中已普遍使用，但該燈具布置方式存在一系列問題（僅適用于兩車道和交通量較小的隧道）。通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)燈具側(cè)偏行車道中心線的距離應(yīng)為1.0～2.0 m，最大不宜超過2.0 m［24］。同時(shí)在隧道照明燈具布置中應(yīng)考慮人眼舒適性，盡量將燈具安裝在隧道頂部?jī)蓚?cè)或中央，且安裝高度以4 m為宜；一般情況下，路面亮度均勻度不小于35%［25］。曾洪程［26］分析公路隧道常用節(jié)能燈具后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)計(jì)車速為80 km／h時(shí)，選用高壓鈉燈的燈具間距一般為7 m；選用LED時(shí)，燈具間距可在7 m的基礎(chǔ)上提高，這也表明了LED燈在隧道照明節(jié)能上的優(yōu)勢(shì)。采用拱頂側(cè)偏單光帶布燈方式時(shí)，燈具可在頂端中線偏置70～100 cm。楊超［27］建立了公路隧道中間段布燈參數(shù)優(yōu)化模型，該模型包括中間段長(zhǎng)度、單燈功率、燈具發(fā)光效率、中間段最小照度值和燈具總功率等參數(shù)［28］。薛保勇等［29－30］利用Ecotect照明仿真軟件建立公路隧道照明模型，并以路面照度、平均亮度和照度均勻度等為指標(biāo)研究對(duì)稱布燈、交錯(cuò)布燈和中央布燈。研究表明，中央布燈照明效果最好，對(duì)稱布燈照明效果最差，但該研究沒有考慮不同照明方式對(duì)照明效果的影響。

楊翠等［31］對(duì)比研究不同版本的公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范，分析了在不同版本公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范下隧道不同照明段（入口段、過渡段和出口段）的燈具安裝間距，如表1所示。

表1 不同規(guī)范下隧道不同照明段燈具間距

3.2 燈具間距、燈具掛高、燈具偏轉(zhuǎn)角和燈具俯仰角

在燈具偏轉(zhuǎn)角的研究上，林勇［32］指出隧道照明燈具的最佳偏轉(zhuǎn)角為53°，對(duì)稱照明中燈具仰角發(fā)生變化后對(duì)比顯示系數(shù)仍比較穩(wěn)定。徐雅琪［33］通過DIALux軟件模擬逆光照明，當(dāng)改變模型中X軸的角度時(shí)可達(dá)到改變逆光偏轉(zhuǎn)角的目的（見圖5），對(duì)比不同傾角下的路面亮度測(cè)量值可找到最佳的燈具偏轉(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(yuǎn)高于對(duì)稱照明。通過逆光照明優(yōu)化的實(shí)際隧道工程（燈具傾角為30°）與原有方案對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后路面平均亮度和亮度總均勻度等遠(yuǎn)高于原方案［34－36］。

圖5 DIALux軟件模擬逆光照明

3.3 隧道內(nèi)光的多次反射

楊韜［37］通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，公路隧道照明反射增量系數(shù)K與隧道內(nèi)墻面反射系數(shù)、路面反射系數(shù)和路面墻面之間的直射光光通分配比3個(gè)因素有關(guān)。通過建立1∶10公路隧道模型得到了3個(gè)影響因素與反射增量系數(shù)之間的關(guān)系。研究表明，當(dāng)隧道墻面反射系數(shù)為0.7，燈具直射光光通分配比為5.0～6.1時(shí)，瀝青路面可使路面平均照度提高11%～14%，混凝土路面可使路面平均照度提高13%～16%。因此，通過反射增量系數(shù)K與墻面反射系數(shù)、路面反射系數(shù)、光通分配比a之間的關(guān)系，可對(duì)隧道進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)［37］。林勇［32］則通過對(duì)比顯示系數(shù)qc計(jì)算軟件，建立了對(duì)比顯示系數(shù)與路面反射系數(shù)、對(duì)比顯示系數(shù)與墻面反射系數(shù)之間的關(guān)系（見圖6、圖7）。

圖6 路面反射系數(shù)與對(duì)比顯示系數(shù)的關(guān)系

圖7 墻面反射系數(shù)與對(duì)比顯示系數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)論

通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)以下不足：

1）公路隧道照明方式研究中缺乏對(duì)稱照明的研究。

2）推薦了不同照明段適用的照明燈具布置方式（中間布燈、拱頂側(cè)偏單光帶布燈、兩側(cè)對(duì)稱布燈和兩側(cè)交錯(cuò)布燈），但推薦依據(jù)并不完善。

3）已有研究分析了公路隧道各個(gè)照明段的燈具安裝高度、燈具安裝間距、路面反射系數(shù)、墻面反射系數(shù)等，但未系統(tǒng)考慮公路隧道照明評(píng)價(jià)體系中的各項(xiàng)指標(biāo)。

研究擬解決的問題，文獻(xiàn)中值得借鑒的研究思路與方法：

1）基于現(xiàn)有公路隧道照明質(zhì)量評(píng)價(jià)體系確定隧道照明燈具安裝方式（照明方式、燈具布置方式、燈具安裝高度、燈具安裝間距、路面反射系數(shù)和墻面反射系數(shù)等）的方法依然值得借鑒。

2）明確各個(gè)照明段的燈具安裝方式后，通過隧道照明質(zhì)量評(píng)價(jià)體系評(píng)估對(duì)應(yīng)的隧道照明光環(huán)境質(zhì)量。