布灯方式对隧道照明的影响

范士娟，杨 超

布灯方式对隧道照明的影响

范士娟，*杨 超

（华东交通大学机电工程学院，江西，南昌330013）

为了研究布灯方式对隧道照明的影响，采用照明设计软件DIALux设计了隧道模型。在隧道模型里，分别按对称布灯方式、交错布灯方式和中央布灯方式建立了照明系统，使用相同的LED灯具，进行了仿真试验。试验结果表明，中央布灯方式的路面照度、亮度及亮度均匀度最高，照明效果最好，交错布灯方式优于对称布灯方式。在满足路面照度、亮度及路面亮度均匀度要求的前提下，中央布灯方式可以使用较小功率的灯具，从而节省电能。

隧道照明；布灯方式；照明效果；仿真

根据我国现行的隧道照明设计标准《公路隧道通风照明设计规范》[1]，长度超过100 m的隧道就应该配置照明设施，可见，照明系统是公路隧道的重要组成部分，也是使隧道交通安全运营的重要保证。不同于一般的道路照明，隧道在白天也需要照明，当汽车驾驶员穿过隧道时还存在视觉问题[2-4]。所以，设计隧道照明系统时，必须考虑驾驶人员的视觉问题，确保行驶车辆能够以设计的行车速度安全地通过隧道，同时降低照明系统能耗。布灯方式对隧道照明存在很大影响。

隧道灯具有多种布置方式，可以安装在拱顶或者墙壁上，沿着隧道纵向方向可单排布灯，也可双排布灯。在双排布灯的情况下，既可对称布置，也可交错布置，国外还有在余宽上布置投光灯的成功先例。若灯具装在侧面墙壁上，当其发出不连续直射光时容易造成驾驶室“闪光”的不快感，因此，应尽量将灯具装在隧道顶部两侧或中央，且安装高度在路面以上4 m以上是比较合适的。隧道布灯方案设计总的原则是在最经济的条件下达到最好的照明效果，对于实际布灯方案的选择，在满足洞内所需亮度的要求下，还要考虑灯具布置的频闪、维修、诱导、节能等因素。在国内，对称布置、交错布置和中央布置是隧道照明常用的三种布灯方式，另外国内有些隧道还采用了偏置布灯的方式，例如重庆万州到开县高速公路上的铁峰1号隧道经改造采用了这种方式，还取得较好的节能效果[5]。本文拟通过仿真，研究对称布置、交错布置和中央布置这三种布灯方式对隧道照明的影响。

1 灯具照明效果评价指标

对称布置、交错布置和中央布置的布灯方式如图1所示。隧道灯具呈线形分布，在隧道照明系统的设计中，入口段和出口段灯具的密度和照度通常最大，而中间段最小。各段的灯具布设长度应根据隧道实际长度和实际要求进行计算。

隧道照明设计主要评价指标包括照度、亮度、均匀度和闪烁几方面[1,6]。根据文献[1]，将隧道内路面亮度均匀度及每条车道中心线上的亮度纵向均匀度要求值列于表1，但不提倡在很长距离内均匀度太高，否则会造成视觉疲劳和对比度的缺失。亮度指的是明亮程度，反映人的主观明亮感觉，照度的高低则影响人识别对象的难易程度。由于在实际照明应用设计和照明节能中，主要评估照度指标的高低，本文以照度、亮度、亮度均匀度作为照明效果的主要评价指标，同时考虑安装、维修问题。

表1 路面亮度总均匀度和亮度纵向均匀度要求值

1.1 频闪

沿隧道轴线不连续安装在隧道顶上的灯具，其光亮会在驾驶员的眼睛中产生闪烁现象（频闪），因此，在隧道照明灯具的布置中需要注意频闪效应。频闪的发生一般是由于灯具间距布置不合理，使司机因不断受到明暗变化的刺激而产生不适感。闪烁频率可由下式计算[6]

式中，Z为闪烁频率(Hz)；V为交通速度(m/s )；S为灯具间距(m)。一般来讲，频闪的频率小于2.5 Hz和大于15 Hz时所造成的频闪现象可以忽略不计。

1.2 照度

设在隧道内某区段内，布灯间距相同，使用同型号、同功率的灯具，路面上某点的水平照度只受相邻两灯具的影响，不涉及第三个及其以上的灯具。文献[1]也说明隧道内距计算区域（一般取一倍布灯间距范围内的面积做为计算区域）一倍以上的灯具影响较小，可以不考虑。一个灯具在路面上一计算点P所产生的水平照度为[1]

式中，E为灯具在隧道内路面计算点P处产生的水平照度（lx）；为P点对应的灯具光线入射角（°）；I为灯具在计算点P处的光强值（cd）；为灯具光源中心至路面的高度（m）；为灯具的养护系数；为灯具的额定光通量（lm）。

计算区域内平均水平照度可按下式计算[1]

式中，E为计算区域平均水平照度（lx）；为计算区域内的计算点数；P为多个灯具在计算点P处的总光照（lx），计算时取计算区域前后各一组灯。

1.3 亮度

一个灯具在路面上计算点P所产生的亮度为[1]

式中，L为灯具在隧道内路面计算点P处产生的亮度（cd/m2）；(,为简化亮度系数；为观察面与光线入射面之间的夹角（º）。

计算区域内平均亮度可按下式计算[1]

式中，L为计算区域内平均亮度（cd/m2）；为计算区域内的计算点数；P为多个灯具在计算点P处的总亮度（cd/m2），计算时取计算区域前后各一组灯。

亮度均匀度反映区域内亮区和暗区的差异，为区域内最小亮度和平均亮度的比值，即

式中，L为计算区域内亮度均匀度；min为计算区域内最小亮度（lm）；av为计算区域内平均亮度（lm）。

2 仿真试验

2.1 隧道模型及试验条件

采用照明设计软件DIALUX建立隧道模型。隧道模型长100 m，高度7 m，行车道宽8.5 m，隧道入口段9.8 m，双车道单向交通，设计时速80 km/h，车流量≤700辆/h，水泥混凝土路面，墙面铺设反射率为0.75的材料。

针对隧道LED灯进行仿真试验。在隧道模型入口段内按照三种布灯方式分别布置、安装LED灯，试验LED灯由深圳市华慧能照明科技有限公司生产，型号为HD-SDD128，其功率为128 W，发光效率>100 lm/W，初始光通量>12800 lm，色温5500-6500 K；灯具维护系数取0.7，灯具安装高度4.5 m、灯具安装倾角30°，布灯间距为1.48 m。

2.2 试验结果

在仿真隧道模型内，根据实验条件进行3次仿真试验，总仿真计算点数均为为7(横向)×21(纵向)=147个。通过仿真试验，得到三种布灯方式下隧道路面各计算点的照度值和亮度值，分别计算出了三种布灯方式下隧道路面最小和最大照度、最小和最大亮度、路面平均照度、平均亮度、路面亮度总均匀度和路面亮度纵向均匀度，如表2所示。

表2 隧道照明三种布灯方式照明效果比较

2.3 分析

闪烁频率Z=(80000/3600)/1.48=15.02 Hz，符合公路隧道频闪要求。按我国隧道照明设计规范，隧道入口段内所需的标准亮度为105 cd/m2。从表2可以看出，三种布灯方式下，隧道路面平均亮度均满足要求。

从照明效果看，在相同的隧道环境和采用相同灯具的情况下，交错布置方式产生的路面照度略好于对称布置产生的路面照度，比较接近，但其路面亮度总均匀度高于对称布置，总体来说好于对称布置；中央布置方式无论在路面照度（最小照度、最大照度和平均照度）、亮度（最小亮度、最大亮度和平均亮度），还是在路面亮度总均匀度和路面亮度纵向均匀度几方面，都好于交错布置方式和对称布置方式。因此，隧道内若是采用中央布置方式时，在满足路面照度、亮度及路面亮度均匀度要求的前提下，可以使用较小功率的灯具，从而降低电能的消耗。

从灯具的安装、维修方面看，虽然对称布置效率不如交错布灯，而且灯具选择不合适容易产生频闪现象，但对于路面较宽的隧道，从应用美观上来讲，采用对称布置是较好的选择；此外，中央布置在进行灯具的维修时，要占用机动车行车道，妨碍交通的正常运营，这也是中央布置方式最大的问题所在。

3 结束语

设计隧道照明系统时，既要保证隧道路面亮度、照度及亮度均匀度满足要求，还要考虑维修、频闪和诱导等问题，以及系统的控制、节能问题，这些与隧道灯具的布置方式有关。本文通过建立隧道仿真模型，对隧道照明的三种布灯方式进行了仿真研究，得出的结论是：灯具采用中央布置方式时，隧道路面照度、亮度及亮度均匀度最高，照明效果最好，在满足路面照度、亮度及路面亮度均匀度要求的前提下，可以使用较小功率的灯具，从而降低电能的消耗；交错布置方式照明效果次之，对称布置照明效果最差。但是，中央布置方式在灯具进行维修时，要占用机动车行车道，妨碍交通的正常运营；对于路面较宽的隧道，从应用美观上来讲，采用对称布置是较好的选择。布灯方式的选择不仅仅在于照明效果，还要考虑维修、频闪和诱导等问题。因此，在实际应用中，在符合照明要求的前提下，应综合考虑布灯方式的照明效果、节能和隧道环境的实际需要，选择合适的布灯方式。

[1] 交通部重庆公路科学研究所. JTJ 026.1-1999 公路隧道通风照明设计规范[S].北京:人民交通出版社, 2000.

[2] Ishimura T. Road Tunnel Lighting[J]. Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, 2004, 107(1030): 687-689.

[3] Beka M.C. A study on tunnel lighting[J]. Journal of Lighting Design & Application, 2005(6): 10-16.

[4] 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.

[5] 屈志豪,谭光友,邓欣.公路隧道节能型拱顶侧偏单光带照明方案研究[J].灯与照明,2008,32 (1):30-35.

[6] 崔晗晶,李丹.隧道照明工程质量评价指标的探讨[J].交通标准化,2009(2):39-41.

Influence of luminaire-distribution-style on tunnel lighting

FAN Shi-juan，*YANG Chao

(School of Mechtronic Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang Jiangxi 330013, China)

In order to research the influence of luminaire-distribution-style (LDS) on tunnel lighting, a tunnel model was designed with lighting software-DIAlux. A symmetrical LDS lighting system, a stagger LDS lighting system and a central LDS lighting system were established in the tunnel model, respectively. Three simulation tests of lighting were completed in the same tunnel model and with the same LED luminaires Furthermore, the tests results show that road-surface (RS)illumination, RS illuminance and RS illuminance uniformity of the central LDS lighting system are the highest, and its lighting effects is the best, the lighting effects of stagger LDS lighting system is better than that of symmetrical LDS lighting system. The central LDS lighting system can save energy by using less powerful luminaires in the required conditions of RS illumination, RS illuminance and RS illuminance uniformity.

tunnel lighting; luminaire-distribution-style; lighting effects; simulation

U453.7

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.03.012

1674-8085(2013)03-0050-04

2012-12-08；

2013-02-26

江西省自然科学基金项目(20122BAB201017)

范士娟(1969-），女，吉林东丰人，副教授，硕士，主要从事控制方面的教学和研究(E-mail:fanshijuan_69@163.com)；

*杨 超(1969-），男，河南光山人，副教授，博士，主要从事状态监测和智能控制方面的教学和研究(E-mail:yangchao_69@163.com).