隧道高效照明防眩光技術(shù)研究

于建游，于國功，李春杰，侯曉青，夏明穎

(1.河北省高速公路延崇管理中心，河北 張家口 075400；2.河北高速公路集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050000；4.自動(dòng)駕駛技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，河北 石家莊 050000；5.車路云網(wǎng)河北省工程研究中心，河北 石家莊 050000；6.河北立德電子有限公司，河北 石家莊 050200)

引言

根據(jù)公安部和國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局的公布數(shù)據(jù)，由于交通事故造成的經(jīng)濟(jì)損失逐年上升，隧道內(nèi)的交通事故又是正常路面的2至3倍；長期以來，我們對(duì)于交通安全的考慮往往強(qiáng)調(diào)駕駛員的安全意識(shí)，甚至將90%的事故責(zé)任歸結(jié)到駕駛員身上。隨著系統(tǒng)科學(xué)和安全科學(xué)的發(fā)展，逐漸認(rèn)識(shí)到道路交通事故是多種因素綜合作用的結(jié)果，應(yīng)該達(dá)到人、車、路三者的協(xié)調(diào)，而照明系統(tǒng)是保障隧道行車安全的一個(gè)重要組成部分。早在20世紀(jì)60年代，歐洲就對(duì)隧道的照明進(jìn)行了專門研究并制定標(biāo)準(zhǔn)[1]。80年代后，世界各國相繼出臺(tái)了隧道照明規(guī)范，以規(guī)范隧道照明的設(shè)計(jì)和施工，減少交通事故。但照明標(biāo)準(zhǔn)目前大多是針對(duì)傳統(tǒng)光源設(shè)計(jì)的，主要以高壓鈉燈為主。近5年來，隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展以及在國家發(fā)改委等部委的大力推廣下，LED逐步應(yīng)用到隧道照明領(lǐng)域，但仍以替換傳統(tǒng)燈具為主，主要表現(xiàn)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的替換，個(gè)別采用了LED日光燈管進(jìn)行替換，效果不佳。由于設(shè)計(jì)沒有考慮到在半封閉空間內(nèi)視覺的局限性、眩光指數(shù)等指標(biāo)，尤其是對(duì)于螺旋隧道。彎曲隧道不同于平直隧道，彎曲段駕駛員視野的正前方是隧道的外側(cè)墻壁，目標(biāo)識(shí)別及判斷變得尤為重要，前方外側(cè)墻壁的照明燈具如果采用傳統(tǒng)照明光源，必然有直射入駕駛員眼睛的眩光從而影響目標(biāo)識(shí)別，因此有效防止眩光、安全并舒適行駛是螺旋隧道照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文通過分析高速公路隧道內(nèi)彎道及螺旋隧道照明環(huán)境及與普通公路隧道的照明環(huán)境差異，建立一套通用的、更節(jié)能、更安全、更高效、更環(huán)保、更人性化的隧道照明體系，極大地減少了眩光，提高了照度均勻性。

1 螺旋隧道內(nèi)照明燈具眩光分析

高速公路隧道的高度在7～8 m，燈具的布置一般是雙側(cè)布置。由于隧道的低矮空間，燈具安裝高度不足，對(duì)稱配光的燈具中心光軸垂直路面，迎著駕駛員方向的光線必然會(huì)形成眩光。眩光不但會(huì)造成視覺上的不舒適，還會(huì)延長人對(duì)物體的辨認(rèn)時(shí)間，強(qiáng)烈的眩光會(huì)損害視覺甚至引起短暫失明，因此控制眩光對(duì)安全照明非常重要。

常規(guī)道路及隧道照明產(chǎn)品，無論是蝙蝠翼還是朗伯配光，都是對(duì)稱配光的光源，對(duì)某一固定點(diǎn)來說，光線中心光軸與路面垂直，圖1是常規(guī)隧道照明燈具產(chǎn)品的光線軌跡模擬圖。可見在常規(guī)的燈具設(shè)計(jì)中，眩光的影響較大。

圖1 常規(guī)隧道照明燈具光線軌跡Fig.1 Light trace of conventional tunnel lighting fixtures

螺旋隧道是近年來快速發(fā)展的高速公路建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目大多位于山區(qū)，主要是通過大角度的轉(zhuǎn)彎，完成出入口的高度差，比如，金家莊特長螺旋隧道項(xiàng)目通過360°螺旋上升，使得出口和入口的高度差達(dá)到了112余米。

在螺旋隧道的特殊照明應(yīng)用環(huán)境下，正前方不是平直路面，而是隧道的外墻壁，如果采用目前市面通行的蝙蝠翼配光或朗伯配光的燈具，由于都是對(duì)稱配光，會(huì)比平直隧道有更多的法線光投射至司駕人員的眼睛，如圖2所示。

圖2 螺旋隧道照明燈具光線軌跡Fig.2 Light trace of spiral tunnel lighting fixtures

為了解決眩光問題，設(shè)計(jì)中心光軸順著車流方向與路面成一定角度的非對(duì)稱配光、定向LED照明燈具?？刂茻艟叩墓廨S順向行駛方向，減少眩光，削減直射入車內(nèi)的直射光。圖3、圖4模擬的是理想隧道照明光線軌跡布置，削減掉逆向行車方向的光線，使得照明光線指向行車方向，這樣既有利于目標(biāo)識(shí)別，又克服了眩光。

圖3 模擬直隧道無眩光燈具光線軌跡Fig.3 Light trace of simulated straight tunnel lighting fixtures without lens flare

圖4 模擬螺旋隧道無眩光燈具光線軌跡Fig.4 Light trace of simulated spiral tunnel lighting fixtures without lens flare

2 非對(duì)稱性光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

眩光主要是由于光源位置與視點(diǎn)的夾角造成的，它不但會(huì)造成視覺上的不舒適，還會(huì)延長人對(duì)物體的辨認(rèn)時(shí)間，甚至引起短暫失明。

由上述分析可知，如果要減少眩光對(duì)司駕人員的影響，需要削減直射入面向行車方向的光線，保留順向光線，但又不能簡單地削減，否則會(huì)極大影響燈具的發(fā)光效率，達(dá)不到節(jié)能減排的目標(biāo)。應(yīng)盡量將逆向光通過光學(xué)設(shè)計(jì)，使其變?yōu)轫樝蚬?，充分提高發(fā)光效率。

非對(duì)稱配光燈具的重點(diǎn)在光學(xué)的設(shè)計(jì)上，考慮到通用性，本研究針對(duì)隧道內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了非對(duì)稱配光透鏡組。燈具沿隧道兩個(gè)側(cè)壁均勻連續(xù)布置，0～180°角覆蓋半幅隧道，90～270°角向車行方向偏光，減少并避免車行相反方向的光。

圖5是獨(dú)立的透鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過多層透光結(jié)構(gòu)組合，將對(duì)稱分布的光線調(diào)整為單向光線，并且透光效率大于90%。透鏡系統(tǒng)與PCB板之間結(jié)合結(jié)構(gòu)，凹槽用于灌膠密封，如圖6所示。

圖5 透鏡結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of lens

圖6 透鏡與燈板組裝示意圖Fig.6 Assembly diagram of lens and lamp plate

考慮到產(chǎn)品應(yīng)用，同時(shí)給出了組合光學(xué)系統(tǒng)模式，可大幅度提高生產(chǎn)效率，便于應(yīng)用推廣。考慮到相鄰?fù)哥R之間的遮擋及光的利用率等問題，透鏡距離遠(yuǎn)近會(huì)影響光效，相鄰兩個(gè)透鏡互不遮擋，并盡量接近時(shí)為最佳，最佳間距為22 mm，如圖7和圖8所示。

圖7 多透鏡組合光線分布圖Fig.7 Light distribution map of multilens combination

圖8 多透鏡系統(tǒng)組合圖Fig.8 System composition diagram of multilens

透鏡與LED燈板組合后，測試的配光曲線如圖9所示。由圖9可知是非對(duì)稱配光，產(chǎn)品具有單向性，滿足防眩光的需求。

圖9 燈具配光曲線Fig.9 Luminous intensity distribution diagram

3 防閃爍干擾

隧道內(nèi)除了眩光干擾司駕人員，有安全隱患外，亮度不均所造成的頻閃也是另外一個(gè)不安全因素。

《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD 70/2-01—2014)[2]規(guī)定：燈具布置應(yīng)滿足閃爍頻率低于2.5 Hz或高于15 Hz，以設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h計(jì)算，亮度變化間距應(yīng)大于8.88 m或小于1.48 m，這是點(diǎn)狀布置燈具無法實(shí)現(xiàn)的。因此，采用視覺連續(xù)照明技術(shù)，減少閃爍光斑對(duì)于司駕人員視覺的干擾，需設(shè)計(jì)滿足視覺連續(xù)照明光源布設(shè)的低功率密度線狀燈具。

燈具布置設(shè)計(jì)為準(zhǔn)連續(xù)布燈，燈具間距設(shè)計(jì)為1 m，燈具長度≥0.8 m，燈具出光面長寬比≥18，如圖10所示。燈具沿隧道兩側(cè)洞壁連續(xù)布置，如圖11所示。

圖10 燈具圖紙F(tuán)ig.10 Drawings of lighting fixtures

圖11 燈具布置圖Fig.11 Arrangement diagram of lighting fixtures

燈具約200 m一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段，根據(jù)燈具布置圖紙、燈具配光，對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行了照度計(jì)算，觀察者位置選在道路行車方向居中位置，如圖12和表1所示。由表1可知，照度均勻性明顯優(yōu)于點(diǎn)光源布置，且眩光值小于10。

圖12 照度計(jì)算書Fig.12 Statement of illuminace calculation

表1 照度計(jì)算眩光值Table 1 Illuminance calculation glare value

根據(jù)上述計(jì)算分析，基于防眩光線性準(zhǔn)連續(xù)布置，視覺連續(xù)性燈具布置也會(huì)提高司駕人員對(duì)隧道走向判斷準(zhǔn)確度。所有研究成果均已用于金家莊隧道照明系統(tǒng)的建設(shè)，現(xiàn)場測試眩光小于10，實(shí)現(xiàn)了無眩光、高均勻度和高效率的隧道照明的目標(biāo)。經(jīng)施工方初步測定，比常規(guī)技術(shù)(設(shè)計(jì)值)節(jié)能60%～70%。圖13為金家莊螺旋隧道實(shí)施的現(xiàn)場照片，金家莊螺旋隧道是半徑為860 m的螺旋線，左幅長4 228 m，右幅長4 104 m，雙向四車道，最大行車速度100 km/h，共使用燈具17 324套，防眩光線性燈具連續(xù)布置，現(xiàn)場測試路面中間段平均照度82 lx，測試數(shù)據(jù)如表2所示，該隧道均勻度大于90%，眩光指數(shù)小于10，行駛環(huán)境明顯較其他隧道舒適。

圖13 金家莊螺旋隧道Fig.13 Jinjiazhuang spiral tunnel

表2 照度測試值Table 2 The test value of illuminance

4 結(jié)語

根據(jù)《2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[3]，隨著高速公路建設(shè)不斷發(fā)展，截至2020年底，全國公路隧道共21 316處、2 199.93萬延米，其中特長隧道1 394處、623.55萬延米；長隧道5 541處、963.32萬延米。隨著后奧運(yùn)時(shí)代的到來以及西部大開發(fā)的進(jìn)行，貫穿山區(qū)的螺旋隧道及長隧道在迅速增加。因此防眩光準(zhǔn)連續(xù)布置照明燈具，是螺旋隧道照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，有望推動(dòng)我國LED照明技術(shù)引領(lǐng)隧道照明設(shè)計(jì)，將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。