公路隧道照明中基于小目标可见度的对比显示系数研究

翁　季，蔡贤云，杜　峰，张青文

(重庆大学建筑城规学院，重庆　400045)



公路隧道照明中基于小目标可见度的对比显示系数研究

翁季，蔡贤云，杜峰，张青文

(重庆大学建筑城规学院，重庆400045)

摘要：将道路照明中小目标物可见度引入到对比显示系数的研究中，重点是对可见度中阈限亮度差ΔL0的研究。通过公式推导，建立对比显示系数与阈限亮度差之间的函数关系式。其次对公式修正，特别是对年龄因素进行的修正。最后研究汽车前灯对小目标物可见度、对比显示系数的影响。最终得到合适的对比显示系数值，确定与合适的对比显示系数值相对应的隧道照明方式和布灯方式。

关键词：小目标物；可见度；对比显示系数；阈限亮度差；年龄因素；汽车前车灯

引言

21世纪以来，我国公路隧道增长迅速，到2013年底共有公路隧道11359座，总长9605.6公里[1]。为满足行车过程中安全、舒适、节能的要求，人们对公路隧道照明做了大量研究工作,如从光源色温、光生物效应和修订现有公路隧道照明规范等角度入手[2-3]。

随着眼科学和视觉理论不断发展，以人眼视觉适应为核心的研究方法得到了大力发展，代表性的即为察觉对比法[4]，察觉对比的本质是考虑了光在空气中的散射、汽车挡风玻璃的影响以及光源向眼睛的散射等实际因素，使隧道入口段的照明能保证目标的对比度不低于察觉对比。2004年CIE(国际照明委员会)发布的文件中给出了基于察觉对比法的公路隧道入口段亮度公式[4]。

(1)

公式(1)中的qc即为对比显示系数，qc表示给定区域的路面亮度Lb与小目标物面向行车方向中点处的垂直照度Ev之间的比值，qc=Lb/Ev。在CIE 189—2010中，对比显示系数被视为公路隧道照明质量的评价依据之一[5]。但现阶段关于对比显示系数的研究较少，如通过实验确定对比显示系数与隧道内光的空间相对分布有关[6]，即与隧道照明方式、灯具间距、灯具挂高、光源功率、灯具配光、隧道内的反射增量系数有关。

道路照明中对小目标物可见度的研究很多，但隧道照明中却缺乏对可见度的探讨，重庆大学杜峰曾对国内外以可见度为基础的隧道照明设计方法作了分析，并对该方法作了展望[7]。本文试图以可见度为基础来进一步研究对比显示系数，并探讨年龄因素和汽车前灯对qc的影响，进而确定隧道内合适的照明方式和灯具安装方式。

1可见度中阈限亮度差ΔL0的实质

通常用可见度水平(VL)来表示小目标物的可见度，可用公式(2)表示。

(2)

其中ΔL为视看小目标物的亮度Lt与背景亮度Lb的差，ΔL0为小目标物刚好可见时的小目标物阈限亮度与背景亮度的差。可见度中的阈限亮度差实质是目标物的大小(对眼睛的张角α)和人眼适应水平之间的函数关系。在道路照明中已经对阈限亮度差的确定做了大量研究工作[8-9]，W·Adrian 在《Visibility of targets: Model for calculation》中，通过实验与分析给出了阈限亮度差ΔL0的计算公式[10]

(3)

ANSI/IESNA RP-8-00根据Adrian的计算模型给出了阈限亮度差与视角、人眼适应水平之间的函数关系式[11]，如公式(4)所示。

(4)

其中k为系数，取k=2.33；α为视角，以分为单位；F、G为人眼适应水平La的函数，且有F=f1(La)、G=f2(La)。从公式可发现，阈限亮度差的大小与人眼适应水平成正比关系，而与视角大小成反比关系。人眼的适应亮度La为目标物背景亮度和等效光幕亮度之和,如公式(5)所示。

La=Lb+Lv

(5)

其中La为人眼的适应亮度；Lb为目标物背景亮度；Lv为等效光幕亮度。

2对比显示系数qc值的确定

2.1阈限亮度差ΔL0与对比显示系数qc之间的关系

CIE 88—2004给出了对比显示系数qc的定义公式，若小目标物遵循朗伯定律，则

(6)

通过公式(6)定性分析可知：对比显示系数qc值越大，小目标物与路面亮度之间的对比越明显，小目标物更容易被察觉。但是，从公式(1)可知，对比显示系数越大所需的设计亮度值也越大。所以需通过定量研究来确定合适的qc值，使其既能满足安全、舒适行车的要求，又可以达到节能的目的。

欧盟隧道照明标准CR 14380—2003《Lighting applications——Tunnel lighting》中给出了隧道路面亮度Lb与阈限亮度差ΔL0之间的关系式[12]。

(7)

经过变形之后可得到公式

(8)

公式(8)即为阈限亮度差与对比显示系数之间的关系式。只要阈限亮度差ΔL0确定了，对应的最适宜的对比显示系数值也就可以确定。

2.2隧道照明中阈限亮度差ΔL0的确定

相对于道路照明，隧道照明中关于阈限亮度差的确定还应考虑到下列问题：

1)道路照明中夜晚路面平均亮度Lb在0.5～5cd/m2范围内；而依据最新规范，隧道照明中路面平均亮度Lb在2.0～140cd/㎡范围内[13]，亮度范围的不同导致“人眼阈限对比”实验中的背景亮度取值不同。

2)在现有道路照明可见度研究中并没有完全考虑路面的反射作用。但是在隧道内，路面、墙面的反射作用非常明显，杨韬通过1∶10隧道照明模型和现场实测来研究反射增量系数，发现考虑反射增量系数之后，当隧道墙面的反射系数为0.7时，混凝土路面的隧道可以节能12%～16%[14]。因此在研究隧道照明中的阈限亮度差和对比显示系数时，必须考虑隧道内反射增量系数的影响。

3)人眼的适应亮度为目标物背景亮度和等效光幕亮度之和。隧道作为封闭的环境，计算得到的人眼适应亮度水平与道路照明中有很大区别，依据公式(5)计算隧道内的等效光幕亮度和适应亮度的过程会更加复杂。

2.3隧道照明中阈限亮度差ΔL0的修正

人眼阈限对比试验得到的原始的阈限亮度差ΔLs还需要进行公式修正，修正公式如公式(9)所示。

ΔL0=Kt·Ka·Kf·ΔLs

(9)

其中Kt为小目标物观察时间的修正系数，Ka为年龄修正系数，Kf为小目标物亮度正负对比修正系数，ΔLs为修正之前由实验得到的阈限亮度差。

3年龄对对比显示系数取值的影响

据预测，2025年我国老年人将达到3亿，2052年将达4.87亿，占到总人口的34.8%[15]，从2003年开始我国将申领驾驶证的年龄上限从原来的60岁调升到70岁。研究发现随着年龄增长，老年人视觉能力减弱，在运动方向判别上的能力下降[16]，对视觉信号反应时间明显增加[17]。可见在研究对比显示系数时，应考虑年龄因素对小目标物可见度的影响，通过年龄因素来修正阈限亮度差，获得更为合理的对比显示系数值。

浙江大学项震研究了不同年龄人群的阈限亮度差，得到20～80岁之间阈限亮度差与年龄间关系的曲线[18]：随着年龄增长，人眼察觉到目标物所需亮度对比更大，人眼视觉能力随着年龄增加而逐渐减弱；并且曲线在年龄大约64岁时出现明显的转折点。

W·Adrian对影响阈限亮度差的年龄因素也做了研究，通过大量实验，Adrian给出了阈限亮度差计算中关于年龄因素修正的函数关系式

(10)

(11)

其中a表示年龄，结合公式(10)分析，当观察时间修正系数和正负对比修正系数相同时，64岁与65岁的阈限亮度差的值相差明显。

4汽车前车灯对对比显示系数取值的影响

现阶段隧道照明中关于小目标物的研究是处于理想状态下的，较少考虑汽车前车灯的影响。但是当前车灯工作时，给定区域的路面亮度Lb和小目标物垂直面中点的照度值Ev均会发生改变：此时Ev为照明灯对小目标物作用的垂直照度Evl和前车灯对小目标物作用的垂直照度Evv之和；Lb为照明灯对该区域作用的路面亮度Lbl和前车灯对该区域作用的路面亮度Lbv之和；等效光幕亮度Lseq为照明灯所产生的等效光幕亮度Lseql和前车灯产生的等效光幕亮度Lseqv之和。当上述值改变后小目标物可见度和对比显示系数的取值也会相应改变。

Satoshi Hirakawa等考虑汽车前车灯的作用，来研究隧道中小目标物可见度的变化情况。研究发现在对称照明中，当到达某一点时，小目标物垂直面中点的照度值降低的同时，小目标物给定区域的路面亮度值却会升高，从而导致小目标物可见度发生变化；而在顺光照明中即便是增强汽车前灯的作用，小目标物可见度也几乎没有变化[19]。

5结语

本文明确了以可见度为基础来研究察觉对比法中对比显示系数的思路，建立了阈限亮度差与对比显示系数间的函数关系式。在此基础上探讨年龄系数对qc的影响并分析汽车前车灯对小目标物可见度和对比显示系数研究产生的影响，关于前车灯对对比显示系数的影响将在后续的研究中深入探讨分析。最终通过可见度、阈限亮度差来确立合适的对比显示系数qc值，与该qc值相对应的隧道照明方式和布灯方式即为最合适的方式。

参考文献

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[8] 张晟鹏. 城区机动车道路照明可见度研究[D].重庆：重庆大学，2006.

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The Research of Contrast Revealing Coefficient Based on Small

Target Visibility in Highway Tunnel Lighting

Weng Ji, Cai Xianyun, Du Feng, Zhang Qingwen

(FacultyofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400045，China)

Abstract：Firstly, the small target visibility in road lighting was introduced into the study of contrast revealing coefficient in this paper. The key point was research about minimum luminance threshold which was included in small target visibility. Then, by means of formula derivation, the function relationship between minimum luminance threshold and contrast revealing coefficient can be set up. Secondly, a number of factors in the formula should be amended. Especially the age factor should be taken into account so as to get contrast revealing coefficient formula. Finally the influence of vehicle headlamps to small target visibility and contrast revealing coefficient could be studied. The appropriate value of contrast revealing coefficient can be received, meanwhile the suitable lighting method and arrangement of luminare could be determined which matches with the appropriate value of contrast revealing coefficientqc.

Key words:small target; visibility; contrast revealing coefficient; minimum luminance threshold; age factor; vehicle headlamps

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278507)

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.019