基于仿真研究的城市隧道遮光棚遮光效果分析

李 志，李 凡

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000；2.武漢中交交通工程有限責任公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

作為城市道路網(wǎng)絡中的一種特殊基礎設施，城市隧道洞內(nèi)外亮度存在很大的差異，駕駛員進入隧道時需要相當長的時間去識別隧道的內(nèi)部狀況，稱為“適應滯后現(xiàn)象”[1]。人們認為，從明亮空間到黑暗空間的視覺適應需要相當長的時間，可能會持續(xù)8分鐘[2]。強烈的光線過渡，超過了駕駛員的視覺適應能力，可能會造成瞬態(tài)盲期[3]，使司機不能使準確、迅速地感知和判斷障礙物，從而誘發(fā)道路交通事故。這也解釋了在隧道入口和出口區(qū)域中的事故發(fā)生率明顯高于隧道的中間區(qū)域[4-7]。此外，F(xiàn)ANG[7-8]等研究表明強烈的光線差異使駕駛員在開車進入隧道時，心率上升明顯，而高頻的心率波動可能會導致緊張、焦慮、注意力和判斷力下降，對道路安全產(chǎn)生負面影響。因此，在白天公路隧道入口需要加強照明，來保證當駕駛員進入隧道時，視覺性能不會受到損害，并且可以減少由于隧道內(nèi)環(huán)境不同而產(chǎn)生的緊張感和精神需求[8]。

目前規(guī)范通過加強照明減弱隧道入口洞內(nèi)外亮度差異，實現(xiàn)視覺過渡[9]。據(jù)統(tǒng)計，隧道入口段照明占據(jù)隧道照明的40%～50%[10]，入口段電氣照明消耗了大量的電力能源并且產(chǎn)生了CO2，對環(huán)境造成危害。因此，實現(xiàn)白天隧道洞內(nèi)外亮度的緩慢過渡并減少電氣照明的投入成為隧道可持續(xù)健康發(fā)展的重要方向。目前主流的研究方向為減小對外亮度L20、自然光線的利用、照明控制系統(tǒng)的利用，其中采用遮光設施對自然光線的利用成為主流緩解駕駛視覺適應及節(jié)能手段。

陶鵬鵬等[11]基于視覺負荷指標分析了不同形式的遮光設施遮光效果，得到了30°反削竹遮光設施的遮光效果最佳；相同角度遮光設施形式，反削竹遮光設施比正削竹遮光效果好。李英濤等[12]從出入隧道時駕駛員的視覺恢復時間出發(fā)，給出了不同車速下的減光格柵的合理長度。鄭晅等[13]分析了太湖隧道遮光棚效果并對其進行了優(yōu)化，但評價方法局限于遮光棚遮光整體效果，不能體現(xiàn)遮光棚內(nèi)路面照度隨距離的變化趨勢。吳剛等[14]以隧道進出口瞳孔面積變化速度為指標，對隧道口減光罩的安全性能作出分析，得出在設置減光罩時駕駛員的瞳孔變化速度減小，遮光罩的設置可有效減少光環(huán)境突變造成的視覺安全問題。Pena[15]為了克服與公路隧道中的涼棚相關的不均勻性，已經(jīng)研究了在涼棚梁之間的間隙中設置擴散板的效果。Onaygil等[16]提出在隧道口采用一定的結構措施來降低入口區(qū)的照明等級，且設置建筑物設施能對隧道口處光環(huán)境形成減光過渡作用。

以上研究沒有考慮遮光棚外到隧道洞內(nèi)路面照度連續(xù)變化的影響。遮光棚內(nèi)部存在明暗交替的光紋，其照度也存在差異，現(xiàn)場實測很難保證測量點的代表性，數(shù)值模擬能更有效地分析遮光棚內(nèi)部照明路面照度的整體變化趨勢。鑒于以上原因，以某城市隧道為例，對隧道設置遮光棚的遮光效果進行評估，通過DIALux對遮光棚進行建模計算，分析其遮光效果，為城市隧道遮光棚設計提供依據(jù)。

1 方法與材料

1.1 模型建立

為了仿真遮光棚內(nèi)路面照度，在 DIALux 軟件中建立遮光棚模型，得到遮光棚的三維模型如圖1所示。

圖1 隧道遮光棚仿真模型

1.2 參數(shù)設置

利用隧道與遮光棚中天花板、側壁、路面的相應紋理特性(包括類型和顏色)作為隧道表面紋理參數(shù)。根據(jù)實際隧道情況，模擬隧道頂部涂黑色防火漆，路面為瀝青路面，側壁覆蓋白色瓷磚，距地面3 m。將遮光棚的表面賦予反射率為 0.3的水泥混凝土材質。模型中天花板、路面、側壁的反射率分別為0.25，0.2，0.5。

根據(jù)實際隧道的經(jīng)緯度、面向隧道入口的方向以及隧道所選擇的位置，北向角設置為-56.3。

1.3 仿真時間與路面照明計算點

根據(jù)太陽高度角及洞口地理坐標可知，分析全年最不利工況下(晴朗天氣下太陽直射洞口)的路面照度，仿真時間為12:00、13:00、14:00、15:00。隧道內(nèi)20 m到遮光棚出口20 m被選為計算區(qū)域，縱向計算點間間距為1 m。橫向計算點設置5個，橫向計算點間距為5.5 m。縱向上若取值太小，仿真值會出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象，不利于分析照度變化。醫(yī)學領域認為低于0.2 s的明暗視覺刺激難以引起人眼不良知覺，本隧道設計速度為80 km/h，0.2 s的行駛距離為4.4 m左右，因此可取間隔5 m的范圍內(nèi)平均照度作為特征點的路面照度，分析遮光棚的遮光效果。

2 結果

對隧道模型進行仿真，得出不同時刻道路路面照度變化趨勢。根據(jù)照明計算點照度分布值，采用平均化處理辦法繪制得到隧道入口遮光棚下路面照度隨距洞口距離變化如圖2所示。

圖2 遮光棚下路面照度隨距洞口距離變化

從圖2可以看出，將路面照度做平均化處理后，遮光棚光斑現(xiàn)象消除，從隧道外到隧道口路面照度呈現(xiàn)緩慢遞減趨勢，在遮光棚外路面照度略有上升。路面照度最大值在13:00與14:00達到，為10 807 lx。遮光棚對隧道遮光效果具有顯著影響。具體而言，路面照度從洞外90 m處開始緩慢下降，洞外85～75 m范圍內(nèi)，路面照度下降得最為明顯，照度折減約50 000～60 000 lx，在14：00時路面照度從97 031 lx減少到34 033 lx，折減率達到64.%。洞外50～20 m間出現(xiàn)一段平穩(wěn)期，路面照度保持在一定范圍內(nèi)。洞外20 m到隧道入口，路面照度折減曲線較為緩慢。

根據(jù)規(guī)范，隧道入口到隧道中間段起點的時間約為20 s，期間路面照度成曲線或階梯狀下降，且階梯形下降時，前一階梯高度與后一高度的比值不超過2，但對于階梯變化的持續(xù)時間未做說明。杜志剛等[17]通過對隧道進出口駕駛員的瞳孔變化與路面照度關系進行大量行車實驗和分析證明公路隧道進出口有：

log(ES)=alogE+b

通過變換可以得到瞳孔面積變化率

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)值，a=0.9，b=1，則有：

3 結語

本文分析了隧道入口光環(huán)境變化對駕駛人員視覺適應的影響，結合現(xiàn)有對隧道口光線突變的改善方法，提出了基于仿真研究的隧道洞口這光盤分析方法。利用DIALux照明仿真軟件建立了某城市隧道洞口遮光柵模型，分析了隧道洞口連續(xù)照度變化，分析了隧道洞口遮光棚的遮光效果，得到如下結論：(1)隧道遮光柵減光效果分析須結合隧道設計時速及駕駛人視覺反應時間。(2)遮光棚設置可有效減緩洞口路面亮度劇烈變化程度，減輕駕駛人的視覺適應難度。