基于光气候理论的隧道洞外景物亮度研究*

孙春红 杨春宇 陈仲林

(重庆大学建筑城规学院，重庆 400045)

1 引言

公路隧道作为公路上特殊的构筑物，照明有其特殊性。白天隧道外亮度很高，当驾驶人员从高亮度的隧道外进入到黑暗的隧道内时，由于人眼的视觉适应特征，需要一定的适应时间。为了避免因为视觉适应可能出现的安全问题，在隧道的入口段和过渡段需要有较高的照明亮度，保证视觉适应的顺利过渡，确保行车安全。但是，高的入口段和过渡段亮度意味着高的电能消耗和使用维护费用。

各国的隧道照明设计标准或指南中，关于隧道入口段的亮度值都是以“一个停车视距处视野范围内的洞外平均亮度值L20(S)”为参数，乘以亮度折减系数k计算得到的。因此，隧道照明的设计基准——洞外亮度L20(S)的取值大小将直接关系到入口段和过渡段亮度取值大小，也决定了隧道照明节能、营运费用和行车安全等。

作为隧道照明设计最基本参数的隧道洞外景物亮度值L20(S)，很多国家的科研人员进行了较长期的研究。并在这些研究的基础上给出了隧道洞外景物亮度的建议值。CIE和欧盟关于隧道洞外亮度的建议值是以Postma在荷兰关于日光照度的相关记录作为参考依据的。英国的隧道照明标准中关于洞外亮度的规定，是依据Hunt(1979)的全年任意时间日光水平照度的频率状况的研究作为参考依据的。《日本隧道照明标准 (JIS Z 9116—1990)》中洞外亮度值是根据Yoshikawa等人对位于日本中部山区的典型高速公路隧道进行了连续一年的测量，给出了洞外亮度平均值。

我国关于隧道照明的研究起步晚，经验和基础性的工作不足，在理论上的研究基本处于空白。目前使用的《隧道通风照明设计规范 (JTJ026.1—1999)》中关于隧道洞外景物亮度是直接引用的CIE隧道照明指南和欧盟隧道照明标准制定的。既没有长期的观测数据为基础，更没有考虑我国的实际光气候条件和地区差异。

为了填补这一空白，20世纪90年代后期，重庆交通科学研究院在福建通过环境简图法进行了洞外亮度实测。2001年10月上海市照明灯具研究所利用黑度法对福建10条隧道的隧道洞口亮度进行了测试。2005—2006年重庆交通科学研究院用数码相机现场拍照法对福建省多条公路路段的32处隧道洞口的洞外亮度数据进行了测试和分析。但是由于测试仅限于福建省内，并且每个隧道测试时的光环境条件都有很大的随机性，不能表达不同地区和不同光气候条件下洞外亮度的差异。

要获得不同地区隧道洞外景物亮度，需要大范围、长时间对各地隧道洞外亮度测试，才可能获得某一地区有代表性的、适宜的亮度参数。我国目前还没有这样大量的、长期的洞外景物亮度测试数据作为制定标准的依据。实际上，不同的地理位置、不同的光气候条件、以及洞口要素的不同材质和反射性能，其表面亮度值差异很大。我国幅员辽阔，地理纬度跨度较大，光气候条件差异巨大，想以一个地方的数据作为国家行业标准和规范，不够严谨。

因此，为了得到符合我国国情，能反映不同地区的光气候差异、更具普适性的隧道洞外景物亮度值，本文提出以光气候理论为基础，用已有的长期观测的光气候数据资料来研究隧道洞外景物亮度。这种研究方法可以弥补我国洞外景物亮度观测数据和理论研究的不足，也可以弥补随机测量的所带来的偶然性误差。

2 隧道洞外景物亮度的参考光气候条件

为了确保任何情况下隧道入口段的交通安全，原则上，入口段亮度 (Lth)需要设计为全年可能出现的最高入口段亮度值，也就是要以全年洞外景物最大表面亮度值为取值依据。但是，在实际的隧道照明设计时，如果用全年最大洞外景物表面的亮度值计算入口段所需照明亮度值，需要很高的入口段照明，无论从照明的经济性还是工程实施的必要性都是不合适的。

国际照明委员会在文件CIE 88—2004中明确指出:“如果用视野范围内的表面上出现的最高亮度值计算入口段亮度将会需要很高的入口段照明。因此提议用一年中至少出现75小时的最高亮度值作为计算参照值……”这种提法实际上是基于累积频率的概念。CIE标准中提出的不是直接针对于某一特定时间的最高值，而是记录超过一定出现频率的较大值。

基于以上的观点，从工程的实际需要出发，用累积出现频率达到75个小时的最大亮度值作为确定洞外景物表面亮度的标准参考值。因此，本文确定用累积频率75小时最大亮度值所对应的光气候状况作为研究隧道洞外景物亮度的基准参考光气候条件。

本文以1983—1984年，中国气象科学研究院和中国建筑科学研究院组织的，对全国14个有代表性的城市的光气候观测站进行的光气候观测数据，包括:每小时记录的水平面总照度、水平面散射照度、水平面直射照度、以及日面状况和云量状况的观测数据为依据。

首先以重庆为例，通过对重庆1984年全年每小时记录的水平面总照度的筛选分析，发现重庆1984年全年最大水平面总照度为125000lx，出现在1984年8月15日中午12:30。

累积出现频率达到75小时的最大水平面照度值为97000lx，即:全年记录数据中有75小时的水平面总照度大于97000lx，见图1。

图1 重庆地区1984年全年水平面照度累积频率分布

分析大于97000lx的75个小时水平面照度值在不同时刻和不同月份所占比例，如图2和图3。从图2中可以知道最大的75个水平面照度值主要出现在正午前后。出现在12:30和11:30总共达83%;出现在其他时段的:10:30时6个，14:30时1个。

（2）拥挤踩踏事故处置预案。志愿者应负责好划分区域内的人员流动与安全防范，禁止出现由于游客量增加而发生推挤、踩伤等状况。一旦出现，进行现场疏导，并求助组织方进行现场协调。

图2 最大的75小时水平面照度在不同时刻的百分比

图3 最大的75小时水平面照度在不同月份的百分比

如果考虑最大的75个水平面照度值的季节分布，从图3可以看出，全部在暖半季。而以6、7、8月为主，占到了91%，其他的9%出现在5月和9月。并且6、7、8月出现的比例比较接近，近似均匀地分布在夏季的3个月。

累积出现频率达到75小时的水平面照度，即大于97000lx的75个最大水平面照度值，对应的日面状况均为日面可见，其中80%的日面为 θ2状态，20%的日面为θ状态。没有出现日面为П的情况。这说明:水平面照度的最大值都出现在晴天空状况下。

综合以上的分析，重庆地区研究隧道洞外亮度可以将基准参考光气候条件定义为:夏至日正午的晴天空，参考水平面照度可以选择97000lx。

进一步分析其他13个城市的光气候观测数据，得到同样的结论:累积频率75小时的最大水平面照度值都出现在夏季正午前后的晴天空条件下。只是累积频率75小时的最大水平面照度值，不同地区存在差异。

因此，以累积出现频率75小时的最大水平面照度和所对应的天空条件作为计算该地区隧道洞外景物亮度的基准参考光气候条件是合适的。不同地区的光气候差异表现在参考水平面照度值大小的差异。

3 参考光气候条件下的隧道洞外景物表面照度

通过对重庆、贵州、福建等地的20多条隧道的实地调研，发现隧道洞外一个停车视距、20°视野范围内，典型的景物要素有洞口、路面、端墙、护坡、岩壁、绿化、建筑物、广告牌等。这些被照表面的亮度都取决于被照表面的照度值和反射特征。所调研的隧道中未出现天空，因此本文的讨论中未考虑天空亮度。

3.1 水平面照度值与垂直面照度值的转换系数

既然隧道洞口所有的景物表面都可以简化为铅垂面，那么如果能找到水平面照度和垂直面照度的转换关系，就可以方便地将光气候观测数据中的水平面照度值转化为垂直面照度。

垂直面照度转换系数是指在一标准天空下，某一垂直面照度与水平面总照度的比值。重庆大学奚于成博士对此进行了研究，并给出了与日面状况和云量相关的、不同朝向的垂直面照度转化系数。与研究隧道口洞外景物亮度的基准参考天空条件对应，为了简化计算，我们选取标准晴天空条件，即考虑日面状况为θ2和总云量为0的条件下，不同方向的垂直面照度转换系数。由于我们研究隧道洞外景物亮度的参考光气候条件是夏至日正午，而在正午时刻东西方向的垂直面照度转换系数应该基本相当，因此，本文根据文献 ［5］，并将东西方向合并取平均值，给出了累积出现频率75小时的最大水平面照度的参考天空条件下的垂直面照度转换系数，如表1。

表1 隧道洞外景物水平面照度与不同方向垂直面照度的转换系数 (来源:文献 ［5］)

2.2 以重庆为例计算隧道洞外景物表面照度

根据光气候理论研究和已有成果的运用，以及对重庆已有的光气候观测资料的分析，我们确定了重庆地区隧道洞外亮度的参考水平面照度为97000lx，参考天空条件为夏至日正午的标准晴天空。根据此条件选择的垂直面照度转换系数表 (表1)，计算出不同朝向的表面照度值，见表2。为了简便同时满足工程的需要，精确到1000lx。

表2 重庆地区隧道洞外景物表面照度值

4 隧道洞外典型景物表面亮度

通常为了行车安全，在隧道入口处的构建筑物尽量避免使用定向反射率高的材料，因此我们将隧道洞外典型景物表面定义为漫反射或近似漫反射表面。对于均匀漫反射可以用公式:L=E·ρ/π计算得到。

为了简化计算，本文将典型的隧道洞外景物要素分成几类，分别考虑其表面亮度。

a)洞口亮度:根据隧道入口段的亮度要求直接给出了洞口亮度为200cd/m2。对于路面、构建筑物和绿化植被则进行了分别讨论。

b)路面亮度:路面比较特殊，其表面为水平面，并且由于路面材料的不同，以及使用过程中的污染，其反射特征具有特殊性。考察路面的表面亮度，首先确定某一地区的参考水平面照度，以及参考水平面照度中直射照度和散射照度;确定该地区夏至日正午的太阳的天顶角γ;根据太阳天顶角和路面材料做法确定路面类型。查CIE的简化亮度系数表，确定该天空条件和路面状况下的亮度系数r，得到太阳直射光的亮度。根据路面材料确定散射光的平均反射系数Q0，计算得到散射光的亮度，两者之和即为天然光条件下的路面亮度。

c)构建筑物的表面亮度:先假设其为均匀漫反射或近似均匀漫反射材料;根据参考光气候条件中参考水平面照度的垂直面转化系数转化成不同方向的垂直面照度，根据常用材料反射系数表选定材料的反射系数，就可以计算出构建筑物的表面亮度。为了简化计算，本文分成深浅材质，取了两种典型反射系数值 (ρ=0.2和ρ=0.5)计算。

d)植被绿化表面亮度:将灌木、乔木和坡面上的草本植物理解成铅垂面;用参考水平面照度的垂直面转化系数转化为不同方向的垂直面照度。选取两种不同深浅的植被 (ρ=0.05和ρ=0.1)，就可以计算出植被表面亮度。

简化之后的重庆地区隧道洞外典型景物亮度取值见表3。

同样，可以根据不同地区的光气候观测资料确定参考光气候条件，并计算出各个地区的隧道洞外典型景物表面亮度，作为隧道照明设计的基准参数和依据。

5 小结

本文在国内外隧道照明研究成果基础上，以光气候理论为依据，结合CIE关于隧道洞外亮度值取值原则中的累计出现频率的概念，确定用参考光气候条件作为计算隧道洞外景物亮度的基准。通过对多个城市的光气候观测数据的分析，对这一理论的普适性进行研究。并以重庆为例，给出计算了隧道洞外典型景物亮度值的方法，并计算出重庆地区的隧道洞外典型景物亮度值。

表3 重庆地区隧道洞外典型景物亮度值L(cd/m2)

光气候理论研究隧道洞外景物亮度，可以得到更准确、更符合我国光气候特点的隧道洞外景物亮度的标准参考值，为隧道照明设计提供更切合实际的基础数据，避免因隧道洞外亮度值取值的不准确带来的能源浪费或者因此造成的安全隐患。

［1］公路隧道通风照明设计规范 (JTJ026.1—1999)．中华人民共和国行业标准，2000年

［2］Tunnel Entrance Lighting:A Survey of Fundamentals for Determining the Luminance in the Threshold Zone(E)，CIE/CIE 61—1984

［3］CIE 88:2004， 2nd Edition． GUIDE FOR THE LIGHTING OF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES

［4］JIS Z 9116—1990． 日 本．Lighting ofTunnels for Motorized Traffic

［5］奚于成，杨光璇，张青文．从水平面照度到垂直面照度转换系数的探讨，照明工程学报，1994，9