公路隧道洞外适应亮度的确定方法

公路隧道洞外适应亮度的确定方法胡英奎陈仲林张青文翁季（重庆大学建筑城规学院重庆400045）摘要：在分析驾驶员在隧道洞外适应亮度内涵的基础上，介绍了隧道洞外亮度L20的3种确定方法：查表法、环境简图法、黑度法，及等效光幕亮度L seq的确定方法，并对比分析用L20和L seq表达隧道洞外亮度的合理性，提出用等效光幕亮度L seq表达驾驶员驾车接近隧道时的适应亮度更为合理。

考虑CIE推荐的计算L的各环边界视角为近似值，提出用各环边界视角想精确值计算等效光幕亮度L seq seq能进一步提高计算精度。

关键词：隧道照明适应亮度洞外亮度等效光幕亮度驾驶员在隧道洞外的适应亮度是指驾驶员驾车接近隧道过程中所感受到并已适应的环境亮度。

驾驶员的适应亮度在接近隧道过程中不断变化，一般取距隧道一个停车视距处的适应亮度作为隧道照明设计的基础，并称之为隧道洞外亮度。

洞外亮度的取值直接影响隧道入口段亮度的设计值，进而影响过渡段等后续照明段的亮度设计值。

隧道洞外亮度的合理取值对工程投资和运营过程中的能耗影响很大。

日本东京湾海底隧道曾在设计中做过详细比较，在其他条件（包括设计车速等）相同的情况下，如果洞外亮度分别设定为4000 cd/m2与6000 cd/m2，则设备费相差34%，年耗电量（kW·h）相差达30%[1]。

因此，合理确定隧道洞外亮度是科学确定隧道入口段亮度的前提条件，且对在保证交通安全的前提下实现隧道照明节能有着重要意义。

国际上现行的隧道照明设计规范多用驾驶员20°视场中的平均亮度L20或等效光幕亮度L seq表达洞外亮度。

L20是指在接近段起点处、据地面1.5 m高、正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度；等效光幕亮度L seq是考虑驾驶员开车时眩光源的光入射到驾驶员的眼中发生散射而产生的光幕亮度，是考虑瞬时适应和大气、汽车挡风玻璃等透光介质中的光学散射等的影响，在驾驶员视网膜上产生的光幕亮度。

本文将对比分析用L20和L seq表达隧道洞外亮度的确定方法及其合理性。

1 洞外亮度L20Schreuder在1962年进行的实验室实验中试图用L20代表驾驶员驾车接近隧道时的适应亮度。

CIE在1973年发布的26号出版物中建议，在3个不同位置测量驾驶员20°视场内的平均亮度，然后分别乘以不同的权重系数再取平均值作为驾驶员的适应亮度[2]。

在后来的实际测量中，CIE建议的方法被简化为在隧道洞外距隧道洞口一个停车视距处测量驾驶员20°视场内的平均亮度作为适应亮度。

这就是用L20表达洞外亮度的由来。

驾驶员驾车接近隧道时的适应亮度受两个因素的影响：隧道洞口周围不同亮度的景物产生的等效光幕亮度L seq和驾驶员视野中心区域（如前方道路和隧道入口本身）的亮度，且等效光幕亮度L seq被认为是影响驾驶员适应亮度的主要因素。

但在工程实践中，等效光幕亮度L seq常常难以确定，特别是在隧道的设计阶段[3]。

洞外亮度L20的计算则相对容易些，而且能在一定程度上保证精度，因此，CIE 88—1990推荐用L20近似表达驾驶员的适应亮度。

对于确定的隧道而言，洞外亮度L20受地理位置、季节、天气等因素的影响，因此无法实际测量得到。

CIE 88—1990给出了查表法和环境简图法2种在隧道照明设计中快速确定L20的方法，我国隧道照明设计规范JTJ 026.1—1999除了这2种方法外还推荐了黑度法。

1.1 用查表法确定L20查表法是指根据驾驶员20°视野中天空所占百分比、洞口朝向、环境明暗情况、设计行车速度等因素，查表确定L20。

CIE 88—1990给出的确定洞外亮度的表格见表1。

表1 L20的取值 cd/m2天空所占百分比/%35 25环境明暗情况常规①雪地①常规①雪地①暗环境亮环境暗环境亮环境暗环境亮环境暗环境亮环境60m停车视距—④—④—④—④4000 5000 4000 5000100~160m4000 6000 4000 6000 4000 6000 4000 6000 天空所占百分比/%10 0环境明暗情况常规②雪地③常规②雪地③暗环境亮环境暗环境亮环境暗环境亮环境暗环境亮环境60m停车视距2500 3500 3000 3500 1500 3000 1500 4000 100～160m停车视距3000 4500 3000 5000 2500 5000 2500 5000 注：① 主要受隧道入口朝向的影响。

暗环境在北半球指南向隧道入口（即驾驶员向北行驶进入隧道）；亮环境在北半球指北向隧道入口（即驾驶员向南行驶进入隧道）；对于东向或西向隧道入口，取暗环境和亮环境对应的中间值。

② 主要受周围景物亮度的影响。

暗环境指周围景物为低反射比的隧道入口；亮环境指周围景物为高反射比的隧道入口。

③ 主要受隧道入口朝向的影响。

暗环境在北半球指北向隧道入口（即驾驶员向南行驶进入隧道）；亮环境在北半球指南向隧道入口（即驾驶员向北行驶进入隧道）；对于东向或西向隧道入口，取暗环境和亮环境对应的中间值。

④ 停车视距为60 m 时，实际不会遇到天空百分比为35%的情况。

该方法使用简单，适用于在设计阶段无实测数据可以利用的情况，仅需要隧道洞口的几个基本参数，就可以通过查表快速得到洞外亮度的参考值，因而在一定时期内得到广泛应用。

我国现行隧道照明设计规范[1]也推荐了该方法，并根据我国的实际情况，参考其他国家和地区的相关规范给出了类似于表1的表格。

但该方法仅简单的考虑了隧道的几个基本参数对洞外亮度的影响，而洞外亮度L 20受地理位置、季节、天气以及洞口形式、洞外植被种类等众多因素的影响，且不同地点的天空亮度差别很大，洞外不同景物的反射率差别也很大。

显然，用该方法仅能得到近似的设计参考值，有时用该方法得到的洞外亮度值甚至可能与实际洞外亮度值相差较大。

1.2用环境简图法确定L 20环境简图法是根据20°视场内天空、路面等各种景物的亮度及它们在20°视场内所占的面积百分比用式（1）计算得到L 20：th E R C 20+++=τL L ρL γL L ε （1）式中：γ为天空所占百分比；C L 为天空亮度；ρ为道路所占百分比；R L 为路面亮度；ε为景物所占百分比；E L 为景物亮度；τ为隧道入口所占百分比；th L 为隧道入口段亮度；1=+++τργε。

值得注意的是，式（1）中的隧道入口段亮度th L 是需要根据洞外亮度L 20确定的，即在计算确定L 20时，th L 还是一个未知数。

但对于停车距离大于100 m 的情况，τ的值非常小（小于10%），且相对于其他亮度值而言，th L 也很小，因此用该方法计算L 20时可以忽略th τL 项；对于停车视觉为60 m 的情况，式（1）可以改写为式（2）：kL ρL γL L τε-1++=ER C 20（2）由于k 的取值非常小，各设计行车速度下都不超过0.1，因此k τ项可以忽略不计，这样式（2）就变成了式（3）：E R C 20++L ρL γL L ε≈ （3）式中：1++<εργ。

用该方法计算洞外亮度L 20所必需的γ、ρ、ε可以用环境简图确定。

环境简图的获得比较简单，只需在接近段的起点距地面1.5 m 高度处安装相机，正对洞口中心并以洞口中心距地面1/4洞高处作为拍照瞄准点拍摄照片，从照片中可以很容易的读出各种景物在20°视场中所占的百分比。

如果用数码相机拍照，并将所拍数码照片导入计算机，利用图像处理软件可以更方便地读取各种景物在20°视场中所占的百分比。

从式（1）可以看出，用该方法计算洞外亮度L 20，除了参数γ、ρ、ε外，还需要天空亮度C L 、路面亮度R L 、景物亮度E L ，如果设计时没有隧道所在地的这些亮度参考值，可以参考CIE 88—1990给出的参考值，见表2。

表2.2 参考景物亮度值行车方向（北半球）L C /(kcd ·m -2)L R /(kcd ·m -2)L E /(kcd ·m -2)岩石 建筑 雪 植被 北向 8 3 3 8 15（V ） 15（H ） 2 东-西向 12 4 2 6 10（V ） 15（H ） 2 南向165145（V ） 15（H ）2注：（V ）表示主要为陡峭山崖正对驾驶员的山区隧道；（H ）表示较为平缓区域的隧道；在南半球，南、北向隧道的数据要互换。

如果一个地区有实测得到的L C 、L R 、L E 的数据可用，则用该方法确定洞外亮度L 20的过程就比较简单。

如果没有这些数据可用，仅采用CIE 88—1999中推荐的景物亮度，则仍然会产生较大误差，因为地理位置不同等原因会造成景物亮度差别很大，而且CIE 88—1990给出的景物种类也有限。

因此，用该方法快速准确得到洞外亮度L 20，需要首先测得该地区的相关景物亮度，而通过实测获得这些参数本身就是一项非常困难的工作。

1.3用黑度法确定L 20黑度法是我国交通行业标准JTJ 026.1—1999推荐的确定洞外亮度L 20的方法。

其基本步骤是：在接近段的起点距地面1.5 m高度处安装照相机，正对洞口并以洞口中心距地面1/4洞高处作为拍照瞄准点拍摄黑白照片，在洞口旁立一标准灰板作为参照物，拍照的同时用亮度计测量标准灰板的亮度，然后将冲洗出来的胶片置于黑度仪上测读20°视场内各景物的黑度，经权重计算得出平均黑度，从而可以确定隧道的洞外亮度L20。

由于自然环境中景物亮度的变化非常快，因此对众多景物亮度的测量必须在非常短的时间内完成，如果用亮度计对洞外的景物亮度逐点测量，就会因耗时太长而带来测量误差，用黑度法瞬间将众多景物的亮度信息储存在相机胶片上，可以减小由于景物亮度的瞬时变化带来的测量误差。

近年来，随着数码相机技术的成熟、性能的提高和价格的下降，数码相机逐渐普及并开始被应用于照明测量领域。

国内外学者也已对用数码相机测量景物亮度进行了深入研究，从而使得用数码相机取代胶片相机进行黑度法测量洞外亮度成为可能。

用数码相机测量洞外亮度避免了胶片的冲洗的过程，测量过程中也不再需要标准灰板作参照物。

测量前只需在光学实验室对数码相机的光学特性进行标定，以获得所用数码相机的光学特性，将对洞外景物所拍的照片导入计算机后，用软件逐点读出20°视场中各像素点的灰度，计算出各点的亮度，即可获得洞外亮度L20。

根据所用数码相机的光学特性，编制好计算机程序后，可以非常便捷的利用数码照片获取洞外亮度L20，而且用编制的计算机程序可以读取20°视场内每一个像素点的灰度值，从而使得到的洞外亮度L20的精度比用胶片相机测量得的精度高。