案例应用公路隧道照明设计研究

•公路隧道照明设计应解决好隧道中特有的视觉现象，尤其是根据隧道所在地的光气候、朝向、隧道入口的光环境等，选择合适的洞外景物亮度值等照明设计参数值，它们关系到公路隧道照明节能、交通安全和快速。

关键字：隧道照明 [42篇] 察觉对比 [1篇] 照明设计 [238篇] 照明节能 [32篇] 照明安全 [2篇]
1.引言
公路隧道由于具有缩短里程、节省时间、提高交通运输效率、节省用地和有利于保护生态环境等优点，在山区的公路建设中被广泛采用。

因此，隧道照明设施的规模及数量越来越大，隧道的运营电费和维护费用也越来越高，照明节能和照明安全也越来越突出，为了解决好照明节能和安全问题，就必须研究公路隧道照明。

隧道的构造比较特殊，它的两侧和顶部是封闭的，会产生隧道特有的人眼明适应和暗适应，尤其是白昼的视觉问题。

在白昼，刚接近长隧道时，驾驶员看到是一个黑洞，这是“黑洞”现象;如果隧道较短，则会产生“黑框”现象;由于洞外亮度大，进入隧道后，人眼需要适应时间，即产生“适应的滞后现象”;对于长隧道的中间段，汽车废气会形成烟雾，影响驾驶员的可见度;在隧道出口，会产生一个很亮的洞口，形成强烈的眩光，降低驾驶员的可见度，这就是“亮洞”现象。

上述这些现象均会对驾驶员的视觉生理产生影响;在隧道中同时还会产生管状视觉现象和闪烁现象等，这些现象也均会对驾驶员的视觉心理产生影响，会使驾驶员产生心理上不舒适感，从而产生安全隐患。

所以隧道照明设计必须解决好隧道照明特有的视觉问题，尤其是确定合理的洞外亮度值，这样才能创造出良好的视觉环境，从而更有利于隧道照明安全和节能。

在机动车交通量和设计行车速度一定的条件下，隧道洞外景物亮度值大小将直接关系到入口段亮度值大小，也即与隧道照明节能、营运电费、工程投资和行车安全等有关。

2.洞外景物亮度研究
目前在进行隧道照明设计时，入口段的亮度值是由洞外亮度L20(s)乘以入口段亮度折减系数K近似算得[1]，而确定洞外亮度L20(s)的方法主要有4种：查表法，黑度法，数码相机照相法和亮度计算法(环境简图法)。

(1)查表法
查表法就是根据国标[I]洞外亮度中，按洞外停车视距(如设计车速80km/h 为100m)视看隧道的20度视野的天空面积百分比值、洞口朝向或洞外环境、车速查取洞外亮度值。

由于重庆市目前新建的公路隧道大多数位于山区，此时的天空面积百分比值通常为零，此时如按国标在设计车速一定时查取洞外亮度值，那么只能按暗环境和亮环境进行确定，这时不但存在如何区分暗环境和亮环境的问题，而且还没有考虑不同朝向和洞外植被、护坡、端墙、路面铺装等洞外环境的影响。

实际上不同情况的洞外亮度值差别是很大的，具体测试值见表1(由重庆交通科研设计院测试)。

表1高速公路隧道在天空面积百分比为零时洞外亮度实测值
从表l中可以算得，南向洞外亮度平均值为4073cd/m2，北向为3400cd/m2，东向为2455cd/m2，西向为2725cd/m2;由此看来，南向洞外亮度为最大，东向和西向洞外亮度较小，所以，即使当天空面积百分比为零时，L20(s)也是与朝向有关的;此外还与“公路隧道通风照明设计规范”[1]规定东洞口与西洞口取用南洞口与北洞口之中问值的说法是有矛盾的。

从表1中可看出，L20(s)大小与洞外环境关系很大，如果保留自然植被或洞口正墙面采用深色植被和沥青路面等措施，那么就可使L20(s)减小到3000cd/m2左右。

从表1中还可以看出，隧道代号为22的L20(s)值是当地其他南向隧道的洞外亮度值的2倍左右，原因是该隧道口正墙面采用具有规划(镜面)反光特性的大理石材料，因此导致了在特定的反射角度时，反射光很强，造成了眩光，L20(s)也上升到6870cd/m2，这是不利于隧道照明节能和安全的，应在进行隧道照明设计时避免在洞口外采用镜面反射材料，宜采用粗糙的建筑材料，努力降低洞外亮度值，使隧道照明设计有利于隧道照明节能和安全，从而使隧道照明设计更为合理。

(2)黑度法
黑度法是一种洞外亮度测量法，它是国标[1]推荐的一种洞外亮度的实测方法。

实测时，在接近段起点S处(当设计车速为80km/h时距洞口 100m)，距地面
1.5m高正对隧道洞口方向20度视野的洞外环境一次成像在胶片上，拍摄黑白照片时还需要在洞口旁立一个已知亮度的灰板作为参照物，然后将冲洗出来的胶片置于黑度仪上测读度视野内各景物的黑度[1]，将各自所占面积的百分比作为权重计算出平均黑度，再与参照物的亮度作比较，确定现场测量时刻的洞外亮度
L20(s)值。

实测应选在夏季(6～8月)晴天无云连续进行3天，每天测量5次(10：00～14：00，地方时，每次间隔lh)或11次(7：00～17：00，地方时，每次间隔lh)。

黑度法的缺点是测量精度与感光胶片质量、冲洗状况等关系密切，而且确定洞外亮度过程复杂，不适宜在工程在应用：而且偶然几天的洞外亮度测量结果不一定能真实反映出当地的光气候变化的规律性，会导致实际的洞外亮度值与设计值之间产生误差，使相对误差超出士25%范围。

总之，从实际应用和理论观点上看，用黑度法确定洞外亮度还需要进一步改进才行，并且要进行长期实测后才能确定洞外亮度的变化规律性。

(3)数码相机照相法
为了消除黑度法因采用感光胶片带来的测量误差和缩短测试洞外亮度的周期，随着电子科学技术的发展，数码相机获得了进一步完善，因此可利用数码相机照相法确定洞外亮度‘到。

虽然数码相机的成像技术在不断提高，但是数码相机毕竟不是测光仪器，所以由不同型号、不同厂家生产的数码相机采集的光度参数会产生差别，为此应进行数码相机光学特性化研究[3]，确定数码相机所采集的数字图像的灰度值和刺激值之间的关系式与相应的校正系数，并在光度学实验里进行标定，即在正常曝光条件下，利用标准灰板、色板，确定刺激值与被测目标的亮度表达式，这样才能利用数码相机对洞外亮度分布进行近似测量。

数码相机照相法快速简便，具有一定的测量精度，满足隧道照明工程上的应用要求。

将数码相机照相法作为隧道照明设计的实测验证的手段是可行的，但是，数码相机照相法与黑度法一样，必须要排除测量洞外亮度的偶然性才行，为了隧道照明安全和节能，采用数码相机照相法和黑度法均需要进行长期实测后才能确定适宜的洞外亮度值;而且当隧道口土建完成后，还应保证公路路面施工也需要同时完成，完成时问应在每年6月份之前，否则就不适合用实测法确定洞外亮度值。

(4)亮度计算法
亮度计算法又称为环境简图法。

环境简图法的实质就是由隧道口外景物亮度与各部分所占的百分比乘积算得的，所以必须确定合理洞外景物亮度值。

环境简图法要求在接近洞口段起点s处，距地面1.5m高正对隧道洞方向20度视野范围内，考虑天空亮度、路面亮度、洞IJ环境亮度和隧道洞口亮度的贡献，于是算得洞外亮度值。

L20(s)=cLc+rLr+eLe+rLr (1)
式中L20(s)——洞外亮度(cd/m2);
LC——20度视野范围内的天空亮度(cd/m2);
Lr一一洞外道路路面亮度(cd/m2);
Le一一环境亮度(cd/m2);
Lr_一洞口亮度(cd/m2);
c、r、e、t——分别为天空、路面、环境、洞口所占的百分比。

由于隧道入口所占的百分比较小，一般在8%左右，而且洞口亮度也很小，所以洞口亮度对洞外亮度贡献是很小的，可忽略不计。

于是，式(1)可以简化成下式，
L20(s)=cLc+rLr+eLe (2)
从式(2)中可以看出，利用正对隧道口的20度视野的数码相片和AutoCAD 软件较容易地确定天空、路面和环境所占的百分比c、r和e值。

而洞外亮度值L20(s)的确定，需要计算出符合当地光气候、植被和隧道口朝向等情况的由天空和太阳直射光在地物上产生的亮度，即需要选择合适的天空亮度模型和大气透明度，以及不同时刻、不同季节、不同路面、不同表面反射情况和反射角度等，通过式(2)计算出洞外亮度值。

不同朝向的隧道口看到的天空、路面等的反射光亮度的粗略参考值见表2[1]。

表2洞外景物亮度 (单位：cd/m2)
根据式(2)和表2可算得洞外亮度L20(s)值，如以实测值(见表1)为准，则计算值与实测值比较见表3。

表3隧道口洞外亮度计算值与实测值比较
从表3中可以看出，当隧道口朝向为东、西向时，计算值与实测值较为吻合，相对误差在-10%～+10%范围内;当隧道口朝向为南、北向时，其相对误差较大，但是计算值一般偏小，原因主要是由表2中岩石表面的亮度差别太大造成的，而且岩石所占的百分比也较大，一般要占30%左右，所以造成了较大计算误差;例如隧道口为北向时，表2中岩石亮度为1000cd/m2，而实测平均值为3036cd/m2，两者相差3倍多;由于62号隧道岩石面积占的百分比只有0.08，所以L20(s)计算值与实测值相差不大，相对误差为-2.0%。

从表2中可以看出，景物的类型较少，这是不利于隧道照明计算的;为此，应将我国常见的隧道口外景物归类，并且给出不同光气候区对应的景物表面亮度值。

例如，路面应分别给出混凝土路面和沥青路面两种情况等，从而使表2给出的景物亮度更符合实际情况。

3.隧道照明设计
隧道照明设计最新研究成果表明，当确定了合适的不同朝向的隧道口的景物亮度等参数值后，就可以按照CIE在2004年《公路隧道和地下通道照明指南》中的建议：采用察觉对比法进行隧道照明设计，即可以根据等效光幕亮度等有关的参数值计算出入口段亮度Lth。

为了使隧道照明设计达到安全和节能的要求，就不但要合理确定设计参数值，而且还要采用新颖的、可靠的设计理念，同时还要采用高效光源和灯具，增大光反射比等。

在现行的照明设计标准和规范中，没有考虑隧道照明光源的光谱分布对驾驶员的视觉影响，尤其是没有考虑人眼中新发现的第3种感光细胞一一神经结细胞[4]对人的机敏程度等光生物效应的影响;同时也没有考虑中间视觉情况，而是仅仅按照明视觉时锥状感光细胞起作用的条件下进行隧道照明计算。

实际上，在隧道照明条件下，人眼中视网膜上的神经结感光细胞、锥状感光细胞和杆状感光细胞同时起作用，所以在进行隧道照明设计时，必须要考虑到这种特殊视觉情况。

总之，应该采用视觉科学的研究成果合理地解决好隧道照明设计，同时还应采用与现行的隧道照明亮度设计方法不同的新颖照明设计方法——可见度设计方法[5]，使隧道照明达到节能和安全要求。

选择隧道照明光源的现行评价指标是：光效高、透雾性能好、寿命不小于10000h。

这里所指的光效是采用明视觉2度视野光度学系统确定的光效，即所谓额定光效;但是，在中间视觉时，光源的光效不是一个固定值，而是一个随人眼适应水平而变化的值，所以，为了更符合隧道照明实际情况，并且考虑光生物效应的影响，宜采用在不同人眼适应水平条件下反应时间相等时，相对于高压钠灯
的亮度对比系数来评价光源的光效会更为合适;同时还要考虑光源的寿命、透雾能力和营运费、价格等方面的因素，即由光源性价比来选择隧道照明光源。

隧道照明灯具应满足防护等级不低于IP65，配光合适，眩光少，更换方便，防腐性能好等，而且，还要选择品质优良的照明配套电器，使问接能耗小。

目前可选用品质优良的电子镇流器，也可选用节能型电感镇流器，但要加强检修维护，定期检测配电线路的无功损耗，及时发现问题并及时更换。

总之，不但要求光源质量好，而且还要求与其配套的附件质量也要好。

隧道内汽车废气多，可见度差，而且会污染灯具的透光表面，光损失严重，所以灯具的维护系数一般为0.5～0.7，
我国取为0.6～0.7，即有30%左右光能损耗掉了。

这可以用二氧化钛(TiO2)光触媒膜自动去掉灯具透光表面上汽车废气和油污等污垢，提高光透过率。

二氧化钛光触媒膜具有很强的氧化分解作用，会使有机物分解，自动清洁灯具透光表面，而且化学稳定性好，强度大，硬度与玻璃相同，寿命长，材料价低。

在隧道照明中采用二氧化钛光触膜技术，可以消除汽车废气，尘埃在灯光发光面上的污垢，增加光输出，减少灯具人工清洁次数，降低维护费用。

如果选择了合适的灯具和其安装角度，增大隧道顶棚和墙壁的光反射比，尤其是使侧壁2m以下的光反射比较大，那么由于隧道顶棚、墙和路面之间的多次反射，可使路面平均亮度和侧壁2m以下的亮度较大，使隧道照明设计更为合理，从而达到隧道照明安全和节能要求。

4.小结
公路隧道照明设计应首先根据当地光气候等实际情况，对洞口上建进行精心设计，降低洞口景物亮度，选择适宜的设计参数，并且要采用新颖的察觉对比法及视觉科学的研究成果进行隧道照明设计，要严格把握好一个适合的“度”，即采用合适的隧道照明设计标准制，切实解决好隧道中特有的视觉问题，同时采用行之有效的照明节能措施，从隧道照明系统工程观点出发进行合理的隧道照明设计和隧道通风设计，加强管理和维护，实现隧道照明和行车安全，快递，舒适的目的。

[1]交通部重庆公路科学研究所公路隧道通风照明设计规范
[S].JTJ026.1-1999，北京：人民交通出版社，2000.
[2]陈仲林，翁季等，用数码相机测量亮度分布[J].照明工程学报，2005，16(3)：11～14
[3]吴静等.基于BP神经网路的数码相机特性化[J].光学技术，2004，30(5)：577～579
[4]Berman，S.M.and.clear，Robert.Past Vision Studics can Support a Novel Human Photorecepter.Procedings of CIE Mid term Meeting and International Lighting Conference Le’on 2005
[5]ANSI/IESNA RP-8-00.American National Standard I’racticc for Roasway Lighting。