基于视觉适应性的公路隧道太阳光光纤照明技术应用研究

李　松，史玲娜，涂　耘，张　恒，王小军，安文娟

(1.贵州省公路局高速公路建设营运中心，贵州 贵阳　550081;2.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)



基于视觉适应性的公路隧道太阳光光纤照明技术应用研究

李松1，史玲娜2，涂耘2，张恒1，王小军2，安文娟2

(1.贵州省公路局高速公路建设营运中心，贵州 贵阳550081;2.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)

针对公路隧道行车白天入口段因驾驶员的暗适应使得隧道入口照明能耗过高，难以满足驾驶员的视觉适应性问题，提出一种采用太阳光光纤照明技术进行隧道入口段投射照明的方案。以具体工程隧道为依托，提出太阳光光纤投射照明的应用方案，并通过应用方案的计算和仿真分析，得出采用太阳光光纤投射照明应用方案，可较好的解决驾驶员驶入隧道入口的视觉不适应问题，提高行车安全性，从而为该方案的工程应用提供技术指导意见。

隧道照明；视觉适应性；光纤照明；节能；安全

引言

随着我国基础建设速度的加快，公路隧道规模越来越大，截至2014年底，我国高速公路隧道数量达到12 404处，总长1075.67万m，与之相随的是隧道能耗问题日益突出[1-2]。据不完全估算，隧道每公里每年的照明电费高达15万元左右，全国公路隧道年照明电费高达16亿元，隧道照明作为公路隧道运营中的最大开支已成为运管管理单位沉重的负担。

由于隧道入口段是隧道内部密闭黑暗空间与外部明亮空间的交界处，因白天洞内外巨大的亮度差异，导致驾驶者进入隧道时产生巨大的视觉明暗突变，形成进洞时的“黑洞效应”，极易引发行车安全事故[3-4]。为避免这种现象，需要在隧道入口段大幅度增加照明灯具的安装密度、增大照明灯具的功率，从而形成一个特殊的“加强照明”区段，以缓解洞内外的巨大亮度差，这就导致隧道入口段加强照明的建设成本与营运成本都要翻番，其平均建设成本约占总投资的30%，而平均能耗更占了照明总能耗的40%左右[5]。此外，要使公路隧道入口段的照明指标与隧道洞外亮度相匹配，还必须在加强照明区段额外增加自适应控制系统，使其随洞外亮度的变化而自动改变亮度，这更进一步增加了入口段加强照明的技术难度与建设成本。

考虑到隧道入口段是隧道内部密闭黑暗空间与外部明亮空间的交界处，如果能将外界的阳光引入隧道内照明，则既可以实现隧道照明的零能耗、零排放、零开支，又可以在无任何控制系统情况下、实现洞内亮度与洞外亮度的自然匹配，是真正与大自然和谐的可持续绿色照明。采用太阳光光纤照明技术就可以充分利用隧道洞外取之不尽、用之不竭的太阳光资源，将太阳光直接引入隧道入口段代替传统的电光照明，不但可以从根本上解决白天隧道入口段视觉适应性需求与照明高能耗的矛盾问题，而且还可为道路交通实现绿色照明提供全新的解决方案。

本文根据公路隧道行车的视觉适应性特点，分析太阳光光纤照明技术用于隧道入口段对视觉适应性的解决思路，并以具体工程为例，研究符合视觉适应前提下的公路隧道太阳光光纤照明技术应用的布设规模、布设方案及应用效果，从而为太阳光光纤照明技术用于实际工程提供理论依据及技术指导意见。

1　隧道光纤照明的视觉适应性分析

根据人眼视觉特点，当人从比较明亮的地方进入相对较暗的地方时，视网膜上的视细胞由杆状细胞代替锥状细胞，由于杆状细胞的敏感反应时间较长，一般需要(4～6)min才能对暗环境有所适应，但是要达到完全适应一般需要(25～30)min的时间，此为暗适应过程。反之，当人从黑暗的环境进入明亮的环境时，开始会感到刺眼，但过一会就可恢复正常，这个过程称为亮适应过程，时间相对较短，一般大约需要1 min左右的时间[6-8]。

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

对于隧道行车，如图1所示，当车辆从较亮的洞外空间驶入隧道时，由于暗适应过程使驾驶员人眼不能适应，即便是车速为60 km/h，产生10 s的暗视觉影响，相当于在盲视或不适应状态下行驶了167 m的距离，从而存在很大的交通隐患。为切实有效缓解隧道行车的“黑洞效应”而产生的暗适应过程，同时也避免由于入口段布设加强照明而引起的照明高能耗，本研究提出将太阳光光纤照明技术应用于隧道入口段，具体原理如图2所示。

图2　太阳光光纤照明系统示意图Fig.2　Sketch map of solar fiber lighting

通过安装在隧道洞外的带有跟踪系统的太阳光采光装置收集太阳光，由一端位于采光装置焦点处的大口径石英光纤将耦合进入光纤的太阳光传输至入口段照射区域，再由符合隧道照明配光分布要求的尾灯将太阳光投射出来，从而实现太阳光在隧道内的照明。由于隧道入口段的照明要求直接与洞外亮度有关，洞外亮度越高，入口段照明需求越大，而太阳光光纤照明所传输的光能量亦直接与洞外光照条件有关，洞外光照越强，所收集传输的太阳光能就越高，出射的太阳光强度就越大，从而可以实现无调光控制下的全绿色自动照明调节。

2　隧道光纤照明技术应用方案

为解决公路隧道入口段照明的视觉适应性问题，课题组在前期对太阳光光纤照明可行性及应用方案研究的基础上[9-10]，以务正高速一座典型的中隧道为例进行视觉适应性的太阳光光纤照明技术应用研究，在结合现在隧道电光照明方式基础上，在入口段两侧分别以投射方式布置太阳光阳光采集系统。由于隧道洞口紧临洞外空间，根据洞外自然光散射对隧道内光照的影响研究结论[11]和《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)规定，隧道内的照明可从隧道入口10 m之后开始布置[12]。并通过对太阳光光纤照明系统规模确定研究建立起隧道照明需求与所需系统规模之间的关系，由式(1)和式(2)可以确定所需投射光通量需求下的太阳光光纤照明系统的规模。

(1)

(2)

式中S表示所需太阳光光纤照明系统的规模， Φs、Φr和Φw分别表示太阳光投射照明需照明区域的总光通量、路面光通量和两侧墙面光通量，M和η表示灯具的维护系数和利用系数，η1、η2和η3分别表示太阳光光纤照明系统的太阳光采集效率、耦合传输效率和出射效率，Eth、Eth.w、Sth和Sth.w则分别表示采用太阳光投射方式解决视觉适应性下提供的入口段照明区域的路面和墙面的照度水平，以及所照射的路面和墙面的面积。

在晴天光照充足的条件下，解决该隧道入口视觉适应性的太阳光光纤照明系统需投射的太阳光能为100 000 lm，结合所采用的太阳光光纤照明系统的光效参数，由式(1)和式(2)可得所需的系统为10套，其中光纤尾灯的具体布置如图3所示，太阳光光纤尾灯在隧道两侧各以1 m的间距沿隧道前行方向投射，投射角度为50度，并采用低度照明的安装方式安于两侧2.5 m的高度，旨在将太阳光充分投射到隧道前方路面、两侧墙面和前方车尾，提高驾驶员对入口段视场环境的易识别性。

图3　太阳光光纤照明系统尾灯在隧道内的布置图Fig.3　The arrangement of tail lights of sunlight fiber system in tunnel

系统中太阳光阳光采集器根据该隧道所在位置地理经纬度、太阳高度角的与跟踪效果相关的参数，充分利用洞口顶端的平台空间，采用分排布置的方式进行阳光采集器的布设。为避免前排采光器的影响对后排采光器的遮挡，要求第二排比第一排的安装高度高0.5 m，第三排亦比第二排高0.5 m，以达到最大的阳光采集效果，具体如图4所示，其中(a)图为隧道洞门平台的纵断面，(b)图为阳光采集器的洞顶平台的布置。

通过这种安装在隧道洞口顶部的阳光采集器采集汇聚太阳光，经高传输效率的大口径石英光纤将太阳光传到隧道入口段，通过光纤尾灯将太阳光投射至行车方向的前方路面及墙面，从而实现一种与洞外亮度变化实时一致的符合适应视觉性的绿色照明。

图4　安装隧道的洞门平台尺寸及阳光采集器的布置图Fig.4　Platform size on the hole of tunnel and the arrangement of sun collector

3　隧道光纤照明技术应用效果研究

在当地太阳辐射照度为60 000 lx的情况下，按上述应用方案用于该隧道入口段的投射加强照明，与现有的隧道电光照明系统相结合，得到在采用太阳光光纤投射照明技术后，入口段的光照明效果如图5(a)所示，与未采用该技术的照明效果(图5(b))相比，由于采用了太阳光光纤投射技术，沿着行车方向看，路面和墙面特别是行车方向的前车尾部的亮度水平均得到较大提高。并且由于太阳光光纤照明的出射光强度与洞外光照强度实时一致，当隧道洞外亮度水平降低时，在未经任何调光控制前提下，隧道内的太阳光照明强度也降低，图6显示了当洞外太阳辐射照度为30 000 lx时，隧道入口段太阳光投射照明效果，其对应路面、墙面和前车的亮度水平明显低于洞外太阳辐射照度为60 000 lx的情况。

图5　隧道入口段照明效果比较Fig.5　Comparison of lighting effect in tunnel entrance section

图6　洞外亮度较暗下的太阳光光纤投射照明应用效果Fig.6　Lighting effect of projection lighting by sunlight fiber system in the case of darker luminance outside tunnel

为进一步说明太阳光光纤照明系统在隧道入口段采用投射方式对隧道行车视觉的自动调节性，研究采用仿真计算的方式得到在不同洞外光照条件下，在该应用方案下得到的投射区域路面亮度与洞外光照强度之间的关系如图7所示。

图7　洞外光照度与隧道内隧道投射地面光照度之间的关系Fig.7　The relation of illuminance between outside and inside tunnel

从图7中可见，随着洞外光照强度的降低，通过太阳光光纤照明进行投射的照明区域路面亮度水平降低，两者呈线性正比关系，而这一关系恰恰符合隧道行车“洞外越亮、洞内亮度需求越高；洞外越暗、洞内亮度需求越低”的视觉需求，从而实现隧道洞内照明与洞外亮度的和谐一致，达到隧道照明舒适、安全和节能的目的。

4　结论

本文针对公路隧道入口段白天由于驾驶员的暗适应时间较长，存在较大交通安全隐患，而在入口段增设加强照明又会使照明能耗成倍攀升的现状，提出一种在隧道入口段采用太阳光光纤照明技术，利用太阳光光纤照明系统将在洞外收集的太阳光用高效的石英光纤传至洞内，采用沿行车方向向前投射的方式将太阳光照射至前行区域的路面、墙面和前方汽车尾部，从而使人眼在刚进入隧道空间时提高对隧道空间结构及前方物体的易辨识性。并且，由于太阳光直接照明技术可以实现洞内照明光亮度与洞外亮度的实时一致性，达到一种符合人眼视觉特性的绿色自然的照明控制。并以具体工程隧道为例提出了太阳光光纤照明技术的工程应用方案，总体结论如下：

1)采用太阳光光纤照明技术用于隧道入口段的加强照明，可从驾驶员视觉适应性角度解决隧道行车的入口段的暗适应问题，提高驾驶员在刚驶入隧道时对隧道环境的辨识性；

2)太阳光光纤照明出射尾灯采取投射低度照明方式可有效利用太阳光能，并提高驾驶员对前方车辆的辨识能力，保证隧道行车的交通安全；

3)太阳光光纤照明技术应用于隧道入口段照明，可在隧道明暗交替的入口段提供一种与洞外亮度变化实时一致的绿色照明解决方案，实现“洞外越亮、洞内也越亮；洞外越暗、洞内也越暗”的符合隧道行车视觉需求的自然照明控制方式，为从根本上解决隧道照明入口段的黑洞效应提供技术解决方案。

[1] 交通运输部综合规划司.2014年交通运输行业发展统计公报[EB/OL].(2016-02-08)[2015-04-30]. http://www.gov.cn/xinwen/2015-04/30/content_2855735.htm.

[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] 涂耘,史玲娜,王小军.公路隧道按需照明节能运营控制技术应用[J].公路交通技术,2015,6:113-126.

[5] 涂耘,王少飞,邓欣.基于低碳理念的公路隧道绿色照明技术研究 [J].公路隧道,2013,83(3):10-15.

[6] Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses：CIE 88:2004[S]. Austria:Internatonal commission on Illumination, 2004.

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[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] 涂耘，陈建忠.太阳光光纤照明在公路隧道中的应用研究[J].公路交通技术,2012(6):120-123.

[10] 刘兴茂，史玲娜，涂耘，等.隧道入口段太阳光直接照明的光能分析[J].照明工程学报,2005,26(6):91-96.

[11] 史玲娜，涂耘，王小军.太阳光光纤照明在短隧道中的应用方案研究[J].公路交通技术，2015(6):109-112.

[12] 重庆交通科研设计院.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.

Feasible Analysis of the Appliance of Solar Fiber Lighting in Tunnel

LI Song1, SHI Lingna2, TU Yun2, ZHANG Hen1, WANG Xiaojun2， AN Wenjuan2

(1.GuiZhou Highway Construction Operation Center, Guiyang550000, China;2.TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400067,China)

Aiming at the problem of high energy consumption in entrance section of tunnel lighting, which is caused by dark adaptation when driving in tunnel during the day, a solution used by sunlight fiber optic lighting technology which is projected to entrance section of tunnel is proposed. Based on the specific engineering tunnel, a projection lighting solution of sunlight optic system is proposed. And by calculation and simulation analysis, the result illustrates that by that solution, the problem of visual adaptation when driving to entrance section can be better solved, and the driving safety can be improved. That can provide technical guidance for engineering application of this solution.

tunnel lighting; visual adaption; fiber lighting; energy saving; safety

贵州省交通厅科技项目(2014-122-020)；陕西省交通厅科技项目(13-29K，15-29K)；重庆市科委项目(cstc2015shmszx90004)

史玲娜，E-mail:shilingna@cmhk.com

TU113.665;U453.7

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.009