浙西南山区高速公路隧道洞外亮度L20(S)研究

涂耘 王少飞 侯伶 张琦蔡坚健 谢晓辉 刘琦 潘永杰

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司 隧道建设与养护技术交通行业重点实验室，重庆 400067;2.国家山区公路工程技术研究中心，重庆 400067;3.浙江金丽温高速公路有限公司监控中心，丽水 323000)

1 引言

洞外亮度L20(S)是指在公路隧道接近段起点S处，距地面1.5m高、正对洞口方向20°圆锥角视场范围内实测得到的平均亮度［1～2］，如图1所示。洞外亮度L20(S)是公路隧道照明设计最重要的基准参数之一，其取值对公路隧道照明系统工程投资和运营费用都将产生较大影响。日本在建设东京湾海底隧道时曾做过详细比较［3］，如其他基准参数相同，洞外亮度 L20(S)由4000cd/m2提高至 6000cd/m2，照明设备费将增加34～51%，年运营电耗将增加30～46%。根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)［1］，洞外亮度 L20(S)取值将显著影响公路隧道入口加强照明 (入口段、过渡段)的设计标准。目前，浙西南地区的金丽温、两龙高速公路隧道洞外亮度L20(S)通常按4000cd/m2取值，由于没有考虑公路隧道洞口的具体条件和实际特点，使得部分公路隧道运营照明能耗过高，造成不必要的能源浪费。本文介绍了对金丽温、两龙高速公路4座山区公路隧道洞外亮度L20(S)的实测结果，提出浙西南山区高速公路隧道洞外亮度L20(S)建议值，可供高速公路隧道照明系统节能运营及改造设计时参考。

图1 20°圆锥角视场范围示意图

2 公路隧道洞外亮度L20(S)的传统测算方法

公路隧道洞外亮度L20(S)的传统测算方法主要有4种:查表取值法、黑度测试法、环境简图法和等效亮度法［1～2］。

2.1 查表取值法

在工程设计阶段，由于道路没有完全形成、洞口结构物尚在施工、洞口地形和绿化效果尚未确定，因而很难得到公路隧道洞外亮度L20(S)的精确值，此时可查询设计规范的建议值。由于查表取值法未考虑实际在建工程的具体特点，其取值结果与实际数值相比误差一般会比较大。

2.2 黑度测试法

由于公路隧道洞口环境中景物的亮度受昼光影响，是非恒定和瞬息间的变化着。因此，要测试洞口环境中景物的亮度，就必须将众多被测景物亮度测量限制在极短的时间间隔内。若用亮度计进行逐点测试，就会因耗时过长而带来一定误差。黑度法将被测对象一次性同时成像在胶片上，继而在实验室认读负片上被测对象的黑度值，进而再换算成亮度值，就能完成众多被测亮度对象的同时记录和取值［4］。

黑度测试法是现行行业规范推荐的一种简易的公路隧道洞外亮度L20(S)实测方法［1］，上海市照明灯具研究所曾采用黑度测试法对甬台温高速公路、福厦高速公路和罗宁高速公路的山岭隧道进行了一系列实测［4］。该方法缺点是测试精度与感光胶片质量、冲洗状况等密切相关，且数据处理过程较为复杂［5］。

2.3 环境简图法

环境简图法是根据公路隧道洞口外一个停车视距处20°圆锥角视场环境简图中天空、路面及其他不同洞口景物的亮度来综合确定洞外亮度L20(S)的方法，其计算公式为:

式中 Lc——天空亮度 (cd/m2);

LR——路面亮度 (cd/m2);

LE——环境亮度 (cd/m2);

Lth——隧道入口段亮度 (cd/m2);

r——天空所占百分比 (%);

Q——道路所占百分比 (%);

ε——景物所占百分比 (%);

τ——隧道洞口所占百分比 (%);

r+Q+ε+τ=1

对100m和160m停车视矩而言，τ值一般低于10%，同时 Lth值较小，因而 τ·Lth可忽略不计，则有:

式中 Lc、LR、LE可采用亮度仪测试确定;r、Q、ε取值则由环境简图来确定。

环境简图法是国际照明委员会 (CIE)最早推荐的一种洞外亮度L20(S)测算方法［2］，招商局重庆交通科研设计院隧道工程所曾在国内首次采用环境简图法，对京珠高速公路粤境北段和南段隧道群进行了大量现场实测和数据分析，为工程建设提供科学合理的指导意见，节约了近千万元的投资和运营费用［6～7］。

采用环境简图法时，环境亮度测试值会受到测试人员的经验影响，不同人员测得的样本景物亮度差别很大，同样会造成洞外亮度L20(S)取值有较大误差。

2.4 等效亮度法

等效亮度法是国际照明委员会 (CIE)目前最新提出的一种洞外亮度L20(S)测试方法［2］，其计算公式为:

式中 Lseq——等效光幕亮度 (cd/m2);

Lije——眼睛所能看见的每个地带的亮度(cd/m2);

Lij——每个地带的平均亮度 (在汽车外挡风玻璃迁测试)(cd/m2);

Lws——挡风玻璃损失亮度 (cd/m2)，可忽略不计。

采用等效光幕亮度法测试公路隧道洞外亮度L20(S)所使用的仪器较为复杂，其计算方法也比较繁琐［8～9］，实际工程应用的可操作性较差。

3 公路隧道洞外亮度L20(S)数码测试分析法

上述4种公路隧道洞外亮度L20(S)测算方法均存在测试时间过长、数据处理繁琐、误差相对较大等缺点，因而未能在实际工程中得到全面推广应用。随着电子技术和光学技术的发展，数码相机制造工艺日臻完善，其质量和性能有了大幅提升。数码相机用于光环境测试的潜能高于传统测光仪器且价格较低。采用数码相机作为测光工具不但可摆脱感光胶片的局限性，而且还能将采集的光信息数据直接输入计算机，使得公路隧道洞外亮度L20(S)的整个测试过程由采用普通黑白相机测试的4步 (拍摄、冲洗、输入、处理)简化为现场拍摄和计算机处理2步，在缩短测试周期的同时大大减少数据分析工作量［10～12］。这种测试方法精度较高，也有利于工程应用。

3.1 数码测试法的基本原理

根据摄影理论和照相光度学，曝光量H和摄像过程中所采用的光圈数 F、曝光时间T、目标物亮度L存在如下关系:

式中 τ——镜头光学透射系数，其反映感光材料的主要特征指标。

数码相机CCD板对外界光能量的响应是线性的，其存在如图2所示的感光特性曲线。数码测试法就是利用数码相机生成的数字图像灰度D与曝光量H之间存在的线性关系:D=f(lgH)(特性曲线中的直线段部分)，通过获取某幅数字图像的灰度值后求出拍摄图像时所用的曝光量H，再由式 (5)得到亮度L。

图2 数码相机感光特性曲线

3.2 数码测试法的主要设备

本研究通过数码测试法实测公路隧道洞外亮度L20(S)所使用的仪器主要包括:

(1)数码相机1台，型号:NIKON E8800(如图3所示);

(2)木质灰卡1套，型号:Kodak(如图4所示);

(3)亮度仪1台，型号:MINOLTA LS100(如图5所示);

(4)野外测试用三脚架1副;

(5)指南针一部;

(7)记录夹一副。

图3 NIKON E8800

图4 KODAK Gray Cards

图5 MINOLTA LS100

3.3 数码测试法的一般步骤

本研究采用数码测试法实测公路隧道洞外亮度L20(S)的一般步骤如下:

(1)确定数码相机拍摄点位置 (公路隧道设计速度为80km/h、洞口外道路纵坡为0%时，拍摄点距洞口100m)，并用指南针测试洞口朝向;

(2)将数码相机镜头中心调整为距路面1.5m;

(3)将反射率为18%的灰卡置于拍摄点和洞口之间，灰卡中心距路面1.5m;

(4)开启亮度仪后调整其焦距，使测试对象在仪器观景窗中清晰可见;

(5)将亮度仪对准灰卡，读取测试亮度值，同时用数码照相机拍摄洞口及周围景观照片 (含灰卡);

(6)通过自行开发的“隧道洞口亮度测试系统”［13］(如图6所示)分析数码相片中的灰卡亮度值，并将其与亮度仪测取的灰卡亮度值进行对比，选取一定误差范围内 (≤5%)的数码照片进行数据分析，从而获得较为精准的公路隧道洞外亮度L20(S)。

图6 公路隧道洞口亮度测试系统软件登录界面

4 浙西南高速公路隧道洞外亮度L20(S)测试

本研究在2010年8月晴好天气状况下，对浙西南地区的金丽温、两龙高速公路的4座高速公路隧道洞外亮度L20(S)展开现场实测，其部分测试分析结果如图7～图10所示。4座公路隧道的洞外亮度L20(S)变化曲线如图11～图14所示。

图7 阳山隧道洞外亮度L20(S)测试分析图 (11:00)

图8 牛廷岭隧道洞外亮度L20(S)测试分析图 (14:00)

通过采用数码测试法对阳山隧道、牛廷岭隧道、阉基头隧道和东田隧道的洞外亮度L20(S)进行现场实测，并结合浙江西南部气象条件，本研究得出如下分析结论:

(1)金丽温、两龙高速公路隧道洞口外一个停车视距处 20°圆锥角视场范围内天空含率一般为0%。

图9 阉基头隧道洞外亮度L20(S)测试分析图 (13:00)

图10 东田隧道洞外亮度L20(S)测试分析图 (11:00)

图11 阳山隧道洞外亮度L20(S)变化曲线

(2)金丽温、两龙高速公路采用端墙式洞门的公路隧道，其洞外亮度 L20(S)取3000 cd/m2较为合理;采用削竹式洞门的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取2500 cd/m2较为合理。

(3)根据金丽温、两龙高速公路隧道洞外亮度实测数据，在夏季 (6月～8月)晴好天气状况下，洞外亮度L20(S)的最大值一般出现在11:00～14:00。因此，公路隧道照明控制采用时序控制法时，应注意时间段的划分，实现节能运营。

图12 牛廷岭隧道洞外亮度L20(S)变化曲线

图13 阉基头隧道洞外亮度L20(S)变化曲线

图14 东田隧道洞外亮度L20(S)变化曲线图

5 公路隧道接近段减光措施

如果公路隧道洞门景观设计不考虑周围环境亮度，要么将给公路隧道运营安全埋下隐患，要么将使得公路隧道照明系统设置庞大造成电能浪费。因此，应通过对洞口山坡绿化或对结构物进行减光处理，尽量降低洞外亮度L20(S)。例如，接近段路面采用深色材料 (如图15所示)、对洞门端墙进行暗化处理 (如图16所示)、在洞口附近种植深色植被(如图17所示)等。

图15 公路隧道接近段深色路面

图16 公路隧道洞门端墙进行暗化处理

植被反射光比裸露的岩石、土坡、混凝土、端墙等反射光柔和得多。植被大致可以分为草地和树木，前者表面为毛状结构，由很多垂直面组成，后者可以视为更大的毛状结构，亮度特性与前者大体类似。因此，在公路隧道入口附近种植具有垂直表面的植被较为有利。应当注意的是，同为绿色植物的阔叶树与针叶树的光谱反射曲线虽大体相似，却又略有不同，由图18可知，种植针叶树比阔叶树好些，洞口种植像松塔那样具有水平成层枝叶的乔木是比较理想的;另一方面，高大乔木可以投下浓重的阴影，避免或减弱阳光对路面的照射，对降低接近段路面亮度十分有益。

此外，洞口处的大型浅色调广告宣传牌越少越好、最好没有，这是因为大型浅色调广告宣传牌对提升洞外亮度 L20(S)有一定的影响 (如图19所示)，加之广告信息属冗余信息，容易导致驾驶员分散注意力 (公路隧道入口本身就是事故高发地段)。

丹麦金硕公司专家1992年访华时介绍了挪威公路隧道接近段减光措施的研究成果［6］:① 植被和灌木可降低洞外亮度5%～7%;②洞门端强采用深暗颜色，可降低洞外亮度5%～7%;③洞口外至少一个停车视距长路面采用暗色材料，可降低洞外亮度12% ～27%。

图17 适宜的洞口绿化

图18 绿色植被的光谱反射曲线

6 公路隧道洞外亮度L20(S)取值效益分析

目前，浙西南大量公路隧道照明系统设计通常采用的洞外亮度L20(S)≥4000cd/m2。根据分析计算，当公路隧道洞外亮度L20(S)降低为3500cd/m2时，加强照明系统大约可节能11.78% (按系统功率计算);若降低至3000cd/m2时，加强照明系统节能可达25.39% (按系统功率计算)，从而大幅减少电能消耗、保护生态环境、节约运营费用，产生较好的经济效益、社会效益和生态效益。

7 结语

(1)本文介绍了一种采用数码测试法快速实测试公路隧道洞外亮度L20(S)的新颖技术，其克服了传统公路隧道洞外亮度L20(S)测算方法的弊端，使得大规模、高效率地测试公路隧道洞外亮度L20(S)成为可能，具有较好的应用前景，可在实际工程中全面推广应用。

(2)通过对地处浙西南的金丽温、两龙高速公路隧道洞外亮度L20(S)进行测试分析，采用端墙式洞门的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取3000 cd/m2较为合理;采用削竹式洞门的公路隧道，其洞外亮度L20(S)取2500 cd/m2较为合理。

图19 公路隧道洞口不宜设置广告牌

(3)基于环境景观理论，提出符合“环境友好型”山区高速公路隧道设计理念的接近段减光措施，包括接近段路面采用深色材料、对洞门端墙进行暗化处理、在洞口附近种植深色植被等。分析计算表明，应用本研究成果，可大幅减少电能消耗、保护生态环境、节约运营费用，产生较好的经济效益、社会效益和生态效益。

致谢:本项目调研、测试工作得到金丽温高速公路有限公司监控中心、丽水管理处、龙丽管理处、丽龙管理处及阳山隧道管理所、牛廷岭隧道管理所等部门的鼎力支持，在此一并表示衷心的感谢!

［1］公路隧道通风照明设计规范 ［S］JTJ 026.1—1999.

［2］Guide for the lighting of road tunnels and underpasses［S］.CIE 88:2004.

［3］郑汉璋.CIE《公路隧道与地道照明准则 NO.26/2.1990》中的概念更新与不足 ［C］∥第二届全国公路隧道学术会议论文集.重庆:交通部重庆公路科学研究所，1993.138～144.

［4］曹言瑞，章海璁.隧道洞外亮度L20值的黑度法测量和洞口装饰的讨论 ［J］.光源与照明，2003， (3):20～24.

［5］陈仲林，孙春红.公路隧道照明设计研究 ［J］.灯与照明，2007，31(3):32～35，52.

［6］屈志豪，赵清碧，刘相华.用环境简图法测试隧道洞外亮度L20(S)［J］.公路交通技术，2004，(5):117～121.

［7］涂耘.公路隧道节能照明系统研究 ［J］.公路交通技术，2008，(6):117～120.

［8］殷颖，陈仲林，崔璐璐.隧道入口段亮度计算方法比较研究 ［J］.灯与照明，2008，32(2):20～24.

［9］胡英奎，陈仲林，孙春红，等.公路隧道洞外亮度的确定方法对比分析 ［J］.灯与照明，2010，34(2):1～3，7.

［10］涂耘，王小军，周健.福建公路隧道洞外亮度L20(S)研究 ［J］.公路交通技术，2007，(S1):96～99.

［11］郑琼水.隧道入口段照明设计探讨 ［J］.公路交通技术，2007，(4):114～115，122.

［12］涂耘，王少飞，张琦，等.西汉高速公路隧道照明系统评估研究 ［J］.照明工程学报，2010，21(5):15～21，36.

［13］王少飞，李科，陈建忠.公路隧道洞外亮度L20(S)测试分析软件 ［J］.中国交通信息产业，2009， (5):91～93.