隧道洞外亮度研究的发展历程

许景峰，吴 静，何 荥

（重庆大学 建筑城规学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

隧道洞外亮度（Adaptation Luminance）是隧道照明的重要基准参数之一[1]。为了使驾驶员在昼间行车进入隧道过程中具有良好的视觉过渡，满足人眼从洞外高亮度环境到洞内相对低亮度环境的适应需求，隧道洞内各照明段的亮度值均需要进行合理确定，其中最主要的设计依据即是隧道洞外亮度。通常情况下，隧道洞外亮度越大，其隧道内部各加强照明段的路面亮度设计值越高。隧道洞外亮度值确定的合理与否对照明设施投资及运营维护成本的影响很大，如，在日本东京湾海底隧道设计中曾进行过对比分析，在其他条件相同的情况下，洞外亮度分别取值为4 000 cd/m2和6 000 cd/m2，则后者的设备费比前者要多出34%，年照明耗电量多30%[1-2]。因此，在满足驾驶员行车安全舒适的前提下，合理确定隧道洞外亮度值对减少设备投资、降低照明能耗具有重要意义。

自19世纪60年代开始，各国学者就发现隧道入口段亮度与洞外亮度之间存在必然联系。为合理确定隧道入口段及其他照明段的亮度水平，寻找入口段亮度与洞外亮度函数关系，许多学者开始对隧道洞外亮度及其驾驶员的视觉状态进行模拟。然而，由于隧道洞外环境、景物多样复杂，且驾驶员在驶向隧道过程中视场范围内的景物及其所占比例是不断变化的，如何科学模拟隧道洞外光环境的亮度值及其对驾驶员视觉状态的影响是一个复杂的过程。因此，对隧道洞外亮度的研究，一直存在分歧与争议。虽然随着后续研究的不断深入，各国学者在一定程度上取得了共识，但直至今日，对隧道洞外亮度的界定及其应用仍未能完全统一，其研究仍在不断深化与完善。

因此，对隧道洞外亮度研究发展历程的梳理，便于隧道照明研究人员更加全面、深入地认识和理解隧道洞外亮度的研究价值，提高设计与研究人员的理论知识水平，为隧道洞外亮度的后续研究及隧道照明事业的可持续发展提供良好的基础条件。

1 隧道洞外亮度的概念

隧道洞外亮度从广义上来看，是指在隧道洞外一定距离处，驾驶员正对隧道洞口方向一定视野区域内的亮度总体水平。但由于实际情况的复杂和实验研究条件的限制，在隧道照明的研究过程中，不同学者、不同研究阶段对隧道洞外亮度的概念、取值及实验模拟存在不同的界定。目前对隧道洞外亮度的定义主要有2种类型：一种是基于K值法的L20（S），以中国、日本等为例；另一种则是基于察觉对比法（以及SRN法）的等效光幕亮度Lseq，以CIE及美国为例。

1.1 洞外亮度L20（S）

根据中国现行的《公路隧道照明设计细则》，隧道的洞外亮度L20（S）是指在接近段起点S处，距路面1.5 m高正对洞口方向20°视场范围内环境的平均亮度[1]，也被称之为接近段亮度（Access Zone Luminance）[3-6]。该起点S在隧道洞口外一个停车视距（SSD，Stopping Sight Distance）处，如图1所示。

1.2 等效光幕亮度Lseq

等效光幕亮度（Equivalent Veiling Luminance）Lseq指的是一种作为进入眼睛的散射光所产生的光幕现象，并用亮度来量化表达[7]，是驶向隧道时人眼适应亮度的一种定量评价[8]，即考虑驾驶员驶向隧道时，隧道周边景物光线入射到人眼中发生散射所产生光幕现象的等效亮度。其视看起点也是在距隧道入口外一个停车视距，距路面1.5 m高处，不同的是其采用的是56.8°的视场范围。

然而，该等效光幕亮度Lseq并非简单地将56.8°视场范围内的环境亮度进行平均，而是考虑了各个不同位置的景物光在人眼中发生散射所产生的等效光幕亮度的贡献差异。根据CIE—88 1990与ANSI/IESNA RP-22-05标准规定[7-8]，等效光幕亮度Lseq可基于Holladay-Stiles修订版的公式得出

式中：EGL为眩光源（景物光）在人眼中所产生的照度，l x；θ 为眩光源（景物光）发出的光线与人眼视线的夹角。

图2所示的极坐标图则是以上述公式为基础，将2°视场范围之外划分成若干部分，其划分原则是使每个区域的散射光在人眼中心处产生的等效光幕亮度，如各区域内亮度相等时，则每一个区域产生等效光幕亮度的贡献相同。从图2可以看出，在2°～56.8°的视场范围内，按EGLi/θ12相等的原则分成9个环，每个环被等分为12区域，各环的角度关系如表1所示。

图1 洞外亮度L20（S）示意图

图2 等效光幕亮度计算的极坐标示意图

表1 等效光幕亮度极坐标图的各环角度

2 隧道照明研究的发展历程

上述2种隧道洞外亮度概念的产生是与隧道照明研究的发展历程紧密相关的。通过对隧道照明研究历程的梳理，了解2种隧道洞外亮度的由来及其历史。

2.1 研究初期阶段

自20世纪50年代，英国学者Waldram[5]率先指出行车进入隧道时“黑洞现象”的危险性及严重性之后，隧道照明作为隧道建设的一项重要内容，受到各国学者的重视。在隧道照明研究之初，各国学者进行了大量静态和动态的模拟实验和理论研究。但由于驾驶员驶入隧道过程的视看环境较为复杂，特别是用理论方法来建立实际驾驶过程中驾驶员视场范围内的亮度分布及其变化的数学模型则更加困难。因此，大部分学者都是从基础的模拟实验研究开始，再经过现场实测后，逐步形成并提出了相对完整的隧道照明理论体系。而这些基础的模拟实验研究都基于一定的假设前提，并进行了相应的简化。不同学者在假设条件中选用的基本参数存在一定的差异，故而导致在研究之初出现了两大对立的学派，即欧洲的Schreuder学派和日本的成定康平学派[2]。

在上述研究成果的基础上，许多国家和学术团体分别在70年代相继制定了各自的隧道照明标准、设计规范或设计指南。如，由北美照明工程协会（简称IESNA）提出的美国国家标准《隧道照明指南》（ANS/IES RP-22—1970），国际照明委员会（简称CIE）提出的《国际隧道照明建议》（CIE 23—1973），日本高速道路调查委员会提出的《隧道照明设计指南》和日本工业规范《隧道照明标准》等。但日本提出的隧道照明标准与欧美及CIE所推荐的标准在一些照明设计指标（如折减系数k值）的取值上存在较大的差异。

2.2 第2发展阶段

随后，上述的两大学派在隧道照明研究方面经过了较为长期的学术辩论后，在一定程度上取得了共识。在后续深入的基础实验与理论成果基础上，各国也对之前的标准进行了补充与修订。如，IESNA于1987年提出了《美国隧道照明国家标准》（ANSI/IESNA RP-22—1987），CIE于1984年提出了第61号技术文件《隧道入口段照明——确定隧道入口段亮度的基础性调研》（CIE 61—1984），英国《道路照明设计实用规程第二部分：隧道照明》（BS 5487/7—1992），日本《公路隧道照明工业标准》（JIS Z 9116—1990）等。与此同时，中国也于1990年颁布了《公路隧道设计规范》（JTJ 026—90），并于1999年专门对隧道的通风照明进行了修订，编制了行业标准《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999）。

2.3 第3发展阶段

近些年来，随着人眼视觉科学的发展与隧道照明研究的深入，各国根据这一阶段的研究成果对隧道照明标准又进行了进一步的完善和修订。如，欧盟的《照明应用——隧道照明》（CR 14380—2003（E））、CIE的《公路隧道和地下通道照明指南》（CIE 88—2004）、美国的《隧道照明实用规程》（ANSI/IESNA RP-22—2005），英国的《道路照明设计实用规程第二部分：隧道照明》（BS 5489-2：2003+A1：2008）等。中国也于2014年对原有《公路隧道通风照明设计规范》进行了修订，并出版了最新的《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）。

经过半个多世纪的研究，各国学者对隧道照明设计中的一些指标、取值及其相关计算方法仍未能完全达成共识，各国隧道照明设计标准中对隧道照明段的划分、各照明段长度及路面亮度等指标的确定也存在一定的差异。因此，其研究仍在不断深化与完善。

3 隧道洞外亮度的研究综述

如前所述，目前在隧道洞外亮度的概念界定及其计算取值上存在洞外亮度L20（S）和等效光幕亮度Lseq2种类型。这2种隧道洞外亮度的概念在20世纪60年代隧道照明研究之初就被提及，分别为接近段亮度L0和标准视场等效亮度L'1，两者的概念都是经过大量基础实验和分析后被提出的。由于标准视场等效亮度L'1的计算与实测较为复杂，在研究之初主要用接近段亮度L0替代标准视场等效亮度L'1进行入口段亮度Lth（原L2）的确定，两者之间的关系通过大量反复的基础实验进行了有效性验证，如图3、图4所示。

此后，在1984年和1990年CIE提出的CIE 61—1984和CIE 88—1990技术文件中，正式提出了洞外亮度L20（S）的概念及作用，并补充了其定义和确定方法。在隧道洞外亮度的确定上，各国标准都对其进行了详细的规定与建议，有些标准中直接给出了典型条件下隧道洞外亮度的建议值。CIE 88—1990、欧盟的CR 14380—2003（E），以及中国的JTJ 026.1—1999和JTG/T D70/2-01—2014等，都给出了不同环境条件下的隧道洞外亮度平均值，如表2、表3所示。

图3 接近段亮度与标准区域等效亮度的关系

与此同时，在1990年的CIE 88—1990技术文件的附录中，也提出了等效光幕亮度Lseq的确定方法，并采用对比度C、SRN主观评价值来确定入口段亮度Lth的值。但由于Lseq的相关研究还不够成熟和完善，尚未被正式推荐和采用。

随着相关学者对等效光幕亮度Lseq的进一步研究和完善，CIE于2004年对CIE 88—1990文件进行了修订，并正式提出了基于等效光幕亮度Lseq的察觉对比法来确定入口段亮度Lth的值，即

式中：τws为汽车挡风玻璃的光透射率；Latm为大气的光幕亮度；Lws为汽车挡风玻璃的光幕亮度；Lseq为隧道洞外的等效光幕亮度；τatm为大气的光透射率；Cm为目标物的最小察觉亮度对比度；ρ 为漫反射小目标物的光反射比；qc为测点处路面亮度和小目标中心点垂直面照度的比值（L/EV）。

从上述公式可以看出，CIE 88—2004技术文件中所推荐的察觉对比法考虑了人眼瞬时适应的影响以及由空气中光散射和汽车挡风玻璃产生的光幕，以及影响驾驶员察觉路面上障碍物的各个因素，更符合驾驶员接近隧道时眼睛的视看环境，也能更真实地体现驾驶员在真实驾驶过程中的视觉反应。相比而言，等效光幕亮度Lseq考虑了隧道洞外复杂亮度环境中不同角度景物光给人眼视觉所产生等效亮度的贡献差异，对驾驶员视看环境的模拟相对更准确，因此，近些年来也越来越受到研究人员的推崇与重视。

图4 接近段亮度与入口段亮度的关系

表2 CIE和欧盟隧道照明标准中的洞外亮度L20（S）kcd·m -2

表3 中国隧道照明标准中的洞外亮度L20（S）

但由于等效光幕亮度Lseq的确定较为复杂，且目前尚未充分考虑人眼的视觉特征和驾驶员的视觉适应等问题，驾驶员行车过程中人眼标准视场等效亮度的研究仍在不断完善。因此，中国、日本、英国等多个国家尚未将该方法列入国家标准中进行推广，仍然以L20（S）作为隧道洞外亮度。

在洞外亮度L20（S）的研究方面，虽然各国标准对其取值及计算方法都作了较为成熟的规定，但标准中所建议的洞外亮度取值主要是以大量的实测研究为依据，未能充分考虑不同地区、不同洞口朝向对洞外亮度取值的影响，这也是不同标准的洞外亮度取值存在差异的主要原因。因此，中国最新的《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）中明确指出该取值只能作为设计参考，而最终洞外亮度取值仍需待隧道洞口工程完工后通过现场实测获得。这在一定程度上也降低了隧道照明设计之初洞外亮度基准参数取值的可靠性。

4 结论

通过上述2种洞外亮度取值的发展历程可以看出，伴随隧道照明研究的不断深入，2种洞外亮度的研究也在不断补充和完善。目前，这2种类型的洞外亮度在隧道照明设计中有各自的特点和适用范围。但无论是洞外亮度L20（S）还是等效光幕亮度Lseq，都是隧道洞外光环境在标准视场范围内等效亮度的一种表达方式，都是反映隧道洞外光环境的重要指标和隧道照明设计的基准参数。

虽然目前大部分标准中仍继续沿用基于洞外亮度L20（S）的K值法进行入口段亮度Lth的计算。但随着后续研究对等效光幕亮度Lseq和察觉对比法的不断补充和完善，等效光幕亮度Lseq将会成为表达隧道洞外亮度的更为准确的一项指标，以及隧道照明设计的重要基准参数之一。