公路隧道照明对比显示系数探讨

翁 季，陈秀雯，黄 珂，张青文，胡英奎，许景峰，陈仲林

(1．重庆大学建筑城规学院，重庆400045;2．重庆市江北嘴中央商务区开发投资有限公司，重庆400024;3．西南科技大学土木工程与建筑学院，绵阳621010)

0 引言

国际照明委员会(CIE)于1990年推荐了《公路隧道和地下通道照明指南》，建议用入口段亮度折减系数k计算公路隧道入口段亮度值，即采用洞口外200视野内亮度L20(S)乘上k值计算出公路隧道入口段路面亮度值，这就是k值设计方法。我国JTJ026．1—1999《公路隧道通风照明设计规范》中，也遵循了k值设计方法，同时还规定了公路隧道k值设计方法中的主要参数不但有各隧道照明段的路面亮度指标，而且还有隧道两侧墙面2 m高范围内的平均亮度不低于路面平均亮度和中间段路面亮度均匀度的规定，以及规定了灯具布置产生的闪烁频率低于2．5 Hz或高于15 Hz的要求。由于公路隧道k值设计方法没有考虑汽车通过隧道时驾驶员的生理、心理变化，与人眼视觉特性的差别，所以由该法确定的入口段路面亮度与隧道照明实际需要差别较大。

1 对比显示系数

CIE于2004年推出了CIE88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》，提出了利用察觉对比法计算公路隧道入口段的路面亮度值。在行车时，如设前方目标的察觉亮度

式中:τws——汽车前挡风玻璃光透射比;

τatm——汽车前方1个停车距的近地大气光透射比;

Lt——目标物表面反射光亮度，单位为cd/m2;

Latm——汽车前方1个停车距的近地大气散射光亮度，单位为cd/m2;

Lws——汽车前挡风玻璃透射光亮度，单位为cd/m2;

Lseq——由驾驶员的眼睛扫视前方景物亮度产生的等效光幕亮度，单位为cd/m2。

而背景(路面)察觉亮度

式中Lb为背景反射光亮度，单位为cd/m2。

则驾驶员察觉到的目标物的察觉对比

由(3)式整理后得

式中C为亮度对比，并由下式算得

由于采用了参考目标物，它是一个立方体边长为0．2 m、漫反射表面的光反射比为0．2的小目标，因此有

式中:ρ0——漫反射表面的小目标光反射比;

Ev——小目标中心点的垂直面上照度，单位为lx。

由(5)式和(6)式可算得

代入(4)式后得

如果设入口段路面亮度为Lth，则有

又当察觉对比为最小察觉对比Cm时，即有

则(8)式可写成

(11)式即为CIE于2004年推荐的公路隧道照明察觉对比法的计算公路隧道入口段路面亮度的公式。

(11)式中对比显示系数qc的大小不但直接影响公路隧道入口段亮度Lth的大小，而且也是公路隧道照明质量主要的评价指标之一。

2 对比显示系数实验

实验于2010年8月在福建省高速公路隧道内封路后进行，测点布置方法参考CIE88—1990技术报告推荐的亮度测量点的规定，分成3行3列，共9个测点，测量了路面上的亮度Lb和正对行车方向小目标垂直面上的照度Ev。为了验证公路隧道人工照明设计的合理性，同时还采用眼动仪测量驾驶员在行驶过程中发现小目标的反应时间，并与国家标准JTG D 20—2006《公路路线设计规范》中的停车视距作比较，如果测得的反应时间乘上匀速行驶的汽车速度的距离大于或等于规定值，则满足安全停车的要求。

实验用车选用了三菱君阁MPV商务车，受测驾驶员共8名，驾龄在4年以上，受测人的平均年龄30岁，身体健康，无色盲、色弱，矫正视力均在5．0以上，无心理疾病。

被测量隧道高7 m，宽7．2 m，分成超车道和行车道，测点布置在行车道上。从头到尾安装的基本照明灯具在行车道上方且距隧道轴线1．6 m，灯具安装高度6．3 m，功率为70 W，灯距7．2 m，隧道基本照明灯具安装示意图见图1。

图1 隧道基本照明灯具安装示意图(长度单位/mm)

测量位置选择了灯距的间距、悬挑和光源一致性等方面有代表性地段，入口1的位置是距离洞口30 m开始的一组灯具区域内，入口2的位置距离洞口80 m开始的一组灯具区域内，中间段选择隧道内基本照明的一组灯具区域内。从测点距离洞口大于30 m和洞高7 m的情况来看，根据天然采光设计理论，在一般情况下，这些测量位置的天然光影响可以忽略不计。

2．1 基本照明时对比显示系数实验

各个隧道基本照明灯具在测点处产生路面亮度、小目标垂直上照度值及对比显示系数计算值见表1。

表1 不同情况时隧道内各测点处路面亮度Lb(cd/m2)、垂直面上照度Ev(lx)和对比显示系数qc

从表1中可以看出，在基本照明的条件下，如果隧道照明仅采用与图1所示的灯具布置相似的单侧布灯照明方式时，并且采用同一种配光的灯具时，对比显示系数在0．23左右。这是由于这几个公路隧道照明设计是由同一家单位完成的，所以隧道内部装修和灯具选择等方面大致相同，即隧道内光的多次反射影响差别不大，因此由实测值计算得到的对比显示系数值较为接近。

为了验证如图1所示的隧道照明设计的合理性，于2010年8月19日早晨7点30分对隧道1的照明工况为基本照明(整个隧道仅开启基本照明灯具)时进行安全停车视距实验:实验用汽车以80 km/h均速行驶，用眼动仪记录发现前方小目标的行驶时间，于是可算得发现小目标的发现距离，并与国标规定值作比较。当时天气晴间多云，距洞口100 m处20°圆锥角视野范围内看不到天空，洞门形式为浅色端墙式，洞顶采用深色植被绿化，部分边坡裸露，接近段铺装沥青路面，由灰板亮度分析确定L20(S)为100 cd/m2，环境亮度不大，小目标发现距离测量值见表2。

从表2中可以看出，当时该隧道仅开启基本照明灯就可以了，因为发现距离110 m已经满足国标规定的安全停车视距，这样就能在保证交通安全条件下，节约能源。

2．2 入口段照明时对比显示系数实验

对比显示系数与照明方式、灯具安装位置及灯具配光曲线，以及光在隧道内多次反射特性等有关，即与光通量空间相对分布有关，而与使用的光源功率大小关系不大，入口1和2灯具安装示意图见图2、图3。

图2 1号隧道入口1灯具安装示意图(长度/mm)

图3 1号隧道入口2灯具安装示意图(长度/mm)

从图2中可以看出，7．2 m隧道长度范围内，入口1的光源功率为1 750 W加上720 W，总共为2 470 W。而从图3中同样可以看出，在7．2 m隧道长度范围内，入口2的光源功率为900 W加上320 W，总共为1 220 W。入口1光源功率为入口2的1倍以上，但对比显示系数值接近相等，1号隧道入口1和2的对比显示系数计算值见表3。

当与基本照明一样采用单侧照明时，在两盏70 W基本照明灯具之间均匀地增加2盏250 W加强照明灯，由于光的分布发生了改变，所以对比显示系数增大了70%左右，即由原来0．23左右增大到0．39。相应的1号隧道入口2的第2种布灯的灯具安装示意图见图4，对比显示系数计算值见表3。

图4 1号隧道入口2第2种布灯的灯具安装示意图(长度/mm)

表3 1号隧道内入口段各测点处路面亮度Lb(cd/m2)、垂直面上照度Ev(lx)和对比显示系数qc

由表3分析得出，隧道长为7．2 m的入口1的光源功率是入口2的1倍以上，在行车方向左侧是大功率的加强照明灯，在行车方向右侧安装了3盏灯，两者的灯具安装位置相似，但是光源功率不同。因此，两者在路面上形成的亮度和小目标垂直面上产生的照度几乎相差1倍左右，即入口1与入口2的Lb和Ev均是前者比后者大1倍左右，所以他们之比值qc为0．38 和 0．39，接近相等。

从图1、图4和表1、表3中可以看出，虽然隧道基本照明灯具与入口2的第二种布灯的灯具均是采用单侧照明方式，但是对比显示系数的计算值差别较大，由此看来，对比显示系数值大小不但与照明方式有关，而且还与灯具间距、光源功率和灯具位置等有关。总之，对比显示系数与隧道内光的空间相对分布有关。

3 小结

随着国内外对人眼视觉科学研究的发展和对隧道照明理论深入研究，CIE于2004年提出了采用察觉对比方法进行隧道照明设计，2010年CIE又提出了将基于察觉对比法的对比显示系数作为隧道照明质量的评价指标之一。

在CIE 2004年《公路隧道和地下通道照明指南》中提出，对比显示系数与隧道照明方式有关，在对称照明方式时对比显示系数值为0．2，逆光照明时为0．6。从实际隧道路面给定区域测点处的路面亮度和小目标垂直面上照度的比值分析表明，对比显示系数不但与隧道照明方式有关，而且还与灯具间距和挂高、光源功率、灯具配光、隧道内装饰产生的多次反射等有关。总之，对比显示系数与隧道内光的照射方向、相对大小有关，即与隧道内光的相对分布有关。

［1］ CIE Technical Report．88-1990．Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［S］．1990

［2］ JTJ 026．1—1999中华人民共和国行业标准．公路隧道通风照明设计规范［S］．北京:人民交通出版社，2000

［3］ CIE Technical Report．88-2004．Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［S］．2004

［4］ 张青文，涂耘，胡英奎，翁季，陈建中，黄珂．基于生理和心理效应的公路隧道入口段照明质量检测方法［J］．照明工程学报，2012，23(2):8 ～14

［5］ JTG D 20—2006公路路线设计规范［S］．北京:人民交通出版社，2006

［6］ CIE Technical Report．189-2010．Calculation of Tunnel Lighting Quality Criterion［S］．2010