基于视觉特性的短隧道照明节能设计研究

涂　耘，史玲娜，王小军

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，交通工程与节能分院，重庆　400067)



基于视觉特性的短隧道照明节能设计研究

涂耘，史玲娜，王小军

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，交通工程与节能分院，重庆400067)

摘要：根据短隧道行车视觉特点，分析通透率对视觉适应过程的影响，并结合CIE在《公路隧道和地道路照明指南》提出隧道亮度变化规律，说明《公路隧道照明细则》规定的短隧道照明设计方法的合理性。此外，文中对具体短隧道采用《细则》方法结合最优化技术进行照明设计，将设计所得结果与原《规范》所得结果比较。结果表明：在《细则》规定基础上结合优化设计方法，与原《规范》相比，可使每个照明区段的照明能耗都有不同程度降低，对于一般短隧道，总体节能可在原《规范》基础上减少60%。

关键词：短隧道照明；暗适应；明适应；通透率；优化设计

引言

近年来，随着我国经济建设的快速发展，高速公路逐年增多。根据交通部数据统计，截至2012年底，我国公路总里程达到423.75万km，隧道达到1万余处，总长805万m，其中短隧道数占了隧道总数的50%左右[1，2]。与公路隧道建设同步的是隧道能耗问题日益突出，据不完全统计，在公路隧道机电系统中，照明负荷以总负荷30%左右的比重成为公路隧道运营中的最大开支[3，4]。其中短隧道在隧道照明设计中会受到通透率的影响，如果科学合理考虑该因素并进行优化设计，可以在短隧道照明设计和运营上提升更大的节能空间。因此，在目前隧道照明能耗问题日益突出的前提下，如何充分考虑短隧道的通透率对节能设计的影响，通过科学合理的照明优化设计，实现安全运营前提下的照明节能成为隧道照明设计及运营管理部门共同关注的问题。

2014年8月，交通运输部发布了《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)(以下简称《细则》)，对2000年颁布的《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)(以下简称《规范》)进行了全面的修订。其中针对短隧道提出了不同长度短隧道的照明设计方法，相比较原《规范》体现了短隧道设计思想的合理性和节能性[5，6]。

为了进一步说明短隧道照明节能优化设计的依据及效果，本文以驾驶员的隧道行车视觉特点为理论基础，深入分析隧道通透率对短隧道照明需求的影响，并结合《细则》提出的短隧道照明设计方法和最优化方法，说明《细则》规定下的短隧道优化照明设计方法与原《规范》相比具有更大的节能空间。该研究成果既从理论上说明了《细则》所提出的短隧道照明设计方法的合理性，提出的最优化设计方法又可作为节能设计的有利补充，可为公路隧道照明实现科学、合理、安全的设计、运营管理及评价提供强有力的技术支撑。

1短隧道节能设计理论依据

1.1　短隧道行车视觉特点

根据人眼视觉特点，当驾驶员白天驾车驶入隧道时，会有一个暗适应过程，驶离隧道时会有一个明适应过程。通常暗适应的过程比较缓慢，到完全适应一般需要25~30 min的时间；而明适应过程相对较短，一般大约需要1 min左右的时间[7，8]。根据国际照明委员会(CIE)提出的《公路隧道和地道路照明指南》规定[9]，隧道内部照明区段的划分及亮度设置应符合人眼的明适应和暗适应的变化规律，如图1所示。根据这一变化规律，《细则》在原《规范》基础上提出隧道入口段和出口段可各细分两个照明段，每个照明段的亮度呈阶梯状递减或递增，这一划分既符合人眼的亮度视觉需求规律，又有利于隧道的照明节能。

图1　隧道亮度的变化趋势Fig.1　Luminance evolution along the tunnel

对于短隧道而言，白天驶入短隧道的暗适应过程与隧道的长度及通透率有关。通常，隧道越短，受出口段洞外亮度对隧道内照明环境的影响，暗适应时间有所缩短；隧道的通透性越好，暗适应所需的时间就越短。同样地，驶出短隧道的明适应过程也类似。正是因为如此，新《细则》在短隧道入口段亮度的规定上较长隧道有所降低，规定：300m

1.2　短隧道通透率

所谓隧道通透率(STP)是指在隧道入口前一个停车视距的主车道位置，驾驶员在1.5m高度看到的隧道出口面积占入口面积的百分比，图2和式(1)分别为通透率的计算示意图和计算式。

图2　短隧道通透率计算示意图Fig.2　Calculation of intervisibility for short tunnel

(1)

一般说来，隧道长度、线形和结构不同均会导致通透率不同，图3分别表示了两座不同长度双车道直线短隧道的通透率情况。对于直线短隧道而言，隧道越短，通透性就越好；对于曲线短隧道而言，隧道曲线半径越大，通透性越好。通透性好的洞外亮度对隧道内部视觉环境而言犹如大型自然光源，对隧道内部特别是出口段的照明起到有益的补充作用，图4表示隧道洞外的自然光对洞口区域路面的照明效果(不考虑洞内照明的情况下)。除对洞口区域路面照明有贡献之外，洞外的自然光对隧道内的侧壁、内部空间的照明均会带来增益效果。通透性越好，这种增益效果对明适应的贡献越大，明适应的时间就越短，反之，明适应时间就会越长。新《细则》规定的不同长度的短隧道入口段亮度设置就是体现了这一原则，对于通透性差的短隧道，由于明适应时间较长，则在短隧道照明区段的设置上还需根据亮度梯度变化规律设置过渡段。《细则》规定：长度L≤300m的隧道，可不设置过渡段加强照明；300m

图3　不同长度隧道的通透率对比Fig.3　Comparison of intervisibility between tunnels with different length

图4　洞外亮度影响下的隧道洞口路面照明效果Fig.4　Luminance of entrance lighted by outside environment

2短隧道节能优化设计

原《规范》在隧道照明设计上由于未考虑短隧道通透率对照明节能设计的影响，一律根据相同的标准进行长短隧道照明设计，从而造成短隧道照明系统设计过于庞大。招商局重庆交通科研设计研究院有限公司在吸取CIE隧道内部亮度递减规律并结合我国隧道的实际运营经验，在编制《细则》时不仅提出了照明区段可进一步细分，并且规定不同长度短隧道的入口段亮度取值可一步降低，过渡段的区段设置可进一步减少，如1.2节所述。

为进一步说明在考虑隧道通透率前提下新《细则》相比原《规范》的节能效果，现以重庆市内一座约250m的短隧道为例进行说明，设计中，该隧道的洞外亮度取3000cd/m2,设计车速为80km/h，单向交通且交通量小于350 veh /(h·ln)，设计分别采用原《规范》和《细则》所提出的方法比较，为体现隧道照明节能的最大化，按《细则》设计时采用最优化算法并用DIALUX软件进行效果验证。图5和图6为利用《细则》所提出的方法得到的该隧道基本照明和入口段加强照明的照明效果仿真图以及对应的亮度分布。

图5　隧道照明效果Fig.5　Lighting effect of tunnel

该短隧道的原设计以《规范》为依据，现对该隧道采用《细则》提出的方法结合最优化算法对隧道照明进行优化设计，所得的隧道每一区段的划分、对应的设计亮度以及所选用灯具的数量和功率与原《规范》相比如表1所示。

由表1可见，通过对两种设计方案的比较，结合通透率对短隧道行车视觉适应性的影响，对短隧道按《细则》方法进行节能优化设计后，与原《规范》的设计结果相比，每一照明区段的灯具数和总功率都有不同程度降低，总体而言，采用《细则》的方法所用灯具数量可比原方案减少近34%，耗电功率可减少60%。由于依据通透率对短隧道行车视觉适应性进行短隧道照明区段和亮度规定的设置，完全符合短隧道的行车照明需求，因此，采用《细则》所提出的方法进行短隧道照明设计既可以满足隧道行车照明需求，保证照明安全，又可以进一步减少隧道照明能耗，大大降低隧道运营成本。

图6　隧道路面亮度分布Fig.6　Luminance distribution of tunnel

原方案优化方案长度/m亮度/(cd/m2)灯具数(加强+基本)/套总功率/W长度/m亮度/(cd/m2)灯具数(加强+基本)/套总功率/W入口段1427528+511500421512+43360入口段2————427.59+41680过渡段13522.511+32750————过渡段2427.59+41350————中间段1192116601211.510600出口段135108+41200304.54+3820出口段2————307.56+3540总计——8317460——557000

该研究成果结果表明，考虑短隧道的通透率对短隧道照明设置要求进行修正，并采用最优化方法进行节能设计不仅是解决高速公路隧道照明能耗高的一种有效途径，也可以指导我国高速公路营运隧道的安全与节能管理方法的建立，对于提高我国公路隧道运营安全，降低高速公路隧道运营成本起到积极的作用。

3结论

本文通过分析短隧道行车的人眼视觉特性，在分析通透率对隧道内视觉环境影响的前提下，结合CIE在《公路隧道和地道路照明指南》提出的亮度变化规律说明新《细则》中短隧道照明设计方法的合理性。并以具体隧道为例采用优化算法对短隧道进行照明设计，得出新《细则》规定下采用优化设计方法在隧道照明方面的节能性，具体结论如下：

1)短隧道的通透性会影响短隧道行车的暗适应过程，通透性越好，暗适应过程越短；

2)对于通透性好的短隧道，入口段采用分段照明并结合通透率情况降低照明亮度要求，可大大降低入口照明能耗，实例表明与原《规范》相比，在采用优化算法的前提下，用新《细则》方法可比原《规范》使短隧道入口照明至少节能56%；

3)根据通透率来设置短隧道过渡照明，可进一步降低过渡段能耗，对于300m以下的短隧道由于取消过渡段照明，可使这区段节能100%；

4)由于短隧道中入口段和过渡段照明占了照明总能耗的70%左右，采用短隧道通透率的思想结合优化算法对入口段和过渡段进行照明节能设计，可使短隧道的能耗节减达60%以上。

总之，根据短隧道行车的人眼视觉特性，考虑通透率对隧道照明节能的影响，并借鉴CIE的隧道亮度等级划分思想，对短隧道照明区段进行细分的基础上进一步提出符合短隧道照明需求的亮度规定，结合照明优化方法进行短隧道照明节能设计，使短隧道照明既符合隧道行车的照明需求，保证隧道行车的安全，同时也可以进一步降低隧道照明的运营成本。

参考文献

[1] 综合规划司. 2013年交通运输行业发展统计公报[EB/OL].[2014-05-13]. http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201405/t20140513_1618277.html.

[2] 王梦恕.中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家[J]. 铁道标准设计,2013(1):1-4.

[3] 季佳俊.三车道大断面公路隧道照明节能参数优化研究[D].重庆：重庆交通大学,2012.

[4] 项小强,李伟平.对现行《公路隧道通风照明设计规范》中两个问题的探讨[J].公路,2009(11):256-258.

[5] 公路隧道照明设计细则:JTG/T D70/2-01-2014[S]. 北京: 人民交通出版社,2014.

[6] 公路隧道通风照明设计规范:JTJ 026.1-1999[S]. 北京: 人民交通出版社,2000.

[7] 黄彦.隧道照明过渡段人眼适应问题研究[D].重庆：重庆大学,2013.

[8] 殷颖.隧道入口段亮度计算方法研究[D].重庆：重庆大学,2008.

[9] CIE 88:2004, Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses[S]. Vienna:Internatonal Commission on Illumination, 2004.

Research of Energy-saving Design for Short Tunnel Lighting

based on Visual Characteristic

Tu Yun, Shi Lingna, Wang Xiaojun

(TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunications

Research&DesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400067，China)

Abstract：Based on visual characteristic of short tunnel driving，the effect of intervisibility for visual adaptation is analyzed. Combined with luminance evolution along the tunnel in Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses proposed by CIE, the reasonability of design method for short tunnel is illustrated, which is proposed by Guidelines for Design of Lighting of Highway Tunnel. By lighting optimization design for a specific short tunnel with Guidelines, the energy consumption of each lighting zone can be reduced at different levels compared with that deduced by Speifications. And for general short tunnel, the total energy-saving can reach to 60% compared to earlier Speifications.

Key words:short tunnel lighting; light adaptation; dark adaptation; intervisibility rate; optimization design

通讯作者：涂耘，E-mail：tuyun@cmhk.com

基金项目：交通运输部科技成果推广项目(2013316350070)、陕西省交通厅科技项目(13-29K)、贵州省交通厅科技项目(2014-122-020)

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.006