基于眩光时变特性的东西朝向公路隧道接近段安全性分析*

张晓坚 梁 波 何 伟 刘宁伟

（1.重庆交通大学土木工程学院 重庆400074 2.重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 重庆400074 3.四川建筑职业技术学院 四川德阳618000)

0 引 言

我国公路隧道建设进程加快，隧道照明设施的规模和数量日益增大，随之带来照明能耗愈加严重且分布不均匀，东西朝向接近段易出现不舒适性眩光，其增大驾驶员的心理和生理载荷，造成驾驶员无法准确判断前方路况并产生安全风险。然而东西朝向接近段不舒适性眩光对驾驶员安全行车的影响常被忽视。交通事故率不断增加等问题。公路隧道接近段指的是隧道入口外一倍停车视距长度段。由于公路隧道内外亮度差较大且分布不均匀，东西朝向接近段易出现不舒适性眩光，其增大驾驶员的心理和生理载荷，造成驾驶员无法准确判断前方路况并产生安全风险。然而人们却常忽视东西朝向接近段不舒适性眩光对驾驶员安全行车的影响。

实际上，在隧道内外亮度分布不适当的情况下，隧道接近段易出现不舒适性眩光；眩光会延长人体对隧道路况的辨识时间，严重时会导致暂时性光幕失明，从而诱发交通事故[1]。现阶段基于眩光现象的公路隧道接近段安全性研究较少。黄婷等[2]、胡顺峰[3]分别针对高速公路隧道交通事故的致因机理进行分析，得出隧道内外亮度差异较大的时段既是事故频发的时段又是事故多发的主要致因。王健等[4]研究表明，隧道内外强弱视觉环境的快速转变会增加驾驶员视觉心理和生理负荷，导致其难以及时辨别环境信息，易诱发不良驾驶行为。PETER[5]指出：自然光与隧道灯光间显著的亮度差使得驾驶员在接近段降低车速从而危及接近段行车安全性。艾杰等[6]通过研究不同洞门防眩构造物，指出遮光棚可起到防眩效果和提高隧道进出段的行车安全性。Yu等[7]针对接近段遮光棚在光照下所形成的亮暗区建立了不舒适性眩光定量评估方法，研究结果表明等间距遮光棚的眩光值比不等间距小。樊亚珍等[8]和杨少伟等[9]分别对高速公路中央分隔带绿化间距与高度进行研究，指出绿化防眩可代替工程防眩从而实现更好的生态和景观效益。R.Jurado-Piña 等[10]建立数学模型对防眩构造物的防眩效果进行分析，指出在隧道出口340 m 处建立6.7 m 高的遮光屏可达到最佳防眩效果。潘贝贝等[11]指出隧道接近段路面宜铺设低反射率的沥青材质和隧道内路面宜铺设高反射率的材质，以此降低隧道内外亮度差从而提高隧道行车安全性。由文献[12]可知，当眩光源光线与驾驶员视线夹角为20°时，公路隧道极易产生眩光现象；公路隧道眩光研究大多基于上述理论展开，但其仅适用于固定的直接眩光源；而公路隧道外景观和路面所形成的间接眩光源散射光线不规律，难以寻找眩光角。CIE 88—2004[13]提出了隧道接近段人眼视野20°视场的概念，20°视场涵盖于20°视线夹角范围内；即在20°视场范围内易产生眩光现象，故可采用基于20°视场的等效光源法对隧道接近段眩光进行研究。

综上所述，国内外学者对基于眩光现象的东西朝向公路隧道接近段行车安全性的研究较少，主要研究隧道内外亮度差、隧道内内灯具眩光和隧道外防眩措施及其对安全形成的影响；但忽视了由隧道内外亮度差而引起的接近段不舒适性眩光。隧道眩光的研究方法主要是数值模拟和室内缩尺模型仿真试验，其可解决实体隧道不便实验的问题。但数值模拟结果的准确性受模型构建和网格划分精度的影响；公路隧道微缩模型仿真结果的准确性受人眼视野范围相似比的影响，但缩尺模型并未考虑上述视野范围相似比的影响。综上所述，本文采用实体隧道试验对东西朝向公路隧道接近段不舒适性眩光进行研究；引入PGSV 日光计算模型（Predicted glare sensation vote）将隧道内外景观量化为间接眩光源和眩光背景，结合现场测试数据分析不舒适性眩光的趋势与规律；旨在揭示眩光时变特性及其对隧道安全行驶的影响，为改善接近段视觉环境质量和提高驾驶安全、舒适性提供理论分析依据。同时基于20°视场的等效光源法和量化间接眩光源的研究方法可为非灯具产生的隧道洞外眩光和其他构造物室外眩光提供了研究方向。

1 试验设计

1.1 测试指标

1.1.1 洞外亮度L20（S）

洞外亮度L20（S）是指在距离隧道入口段一倍停车视距处，距地面1.5 m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度。CIE 88—2004[13]采用环境简图法对洞外亮度进行计算，即将人眼视野20°视场范围内的景物基于天空、路面、隧道内外景观进行划分，见图1。

图1 洞外亮度L20（S）测试示意图Fig.1 Schematic of L20（S）Test Outside the Tunnel

1.1.2 不舒适性眩光

《国际照明工程词汇》中对眩光有如下定义：眩光是一种视觉条件，形成条件是由于亮度分布不适当或变化幅度太大，或在时空上存在着极端的对比，以致引起观察者不舒适或降低其观察、辨识重要物体的能力[14-16]。而不舒适性眩光，其常由于亮度不均匀分布的环境所引起[14]，环境中的眩光源发出散射光线射入人眼而产生的[17]。不舒适性眩光来源又分为直接眩光、间接眩光和由亮度差引起的眩光。由于东西朝向接近段隧道外景观和路面易反射太阳刺眼光线而形成间接眩光和隧道内外存在由亮度差引起“黑洞效应”，故笔者将20°视场内的隧道外景观和路面量化为间接眩光源，低亮度状态的隧道内景观量化为眩光背景。图2为接近段眩光的形成原理，ω是眩光源对眼睛的张角，θ是眩光源和视线方向的夹角，眩光源亮度Lg，背景亮度Lb，见图2。

图2 眩光形成Fig.2 Glare Formation

1.1.3 眩光时变特性

眩光时变特性是东西朝向公路隧道接近段眩光随时间变化的规律，其基于20°视场内隧道内外亮度差的现场测试数据和PGSV眩光模型分析得出。

1.2 测试方案

为了定性分析20°视场内由隧道内外亮度差引起的接近段眩光时变特性，根据《公路隧道照明设计细则》[18]的要求选取相同天空率、相同设计车速的不同朝向公路隧道进行分析。现场试验基于CIE 88—2004的环境简图法与数码相机法2种方法[19]，在距离隧道入口段1 个停车视距处，离地面1.5 m 高度位置处利用数码相机和PR-655 光谱辐射亮度计分别记录接近段的情况和隧道内外景观环境亮度。再采用AutoCAD 对人眼视野20°范围内的景观进行分块，见图3。测试时间为09：00—17：00，整点测试，共8～9 次。基于现场20°视场内试验数据对隧道外景观亮度贡献比及其差异程度进行量化计算，结合PGSV 眩光值，分析得出东西朝向接近段眩光时变特性及其对接近段行车的影响。

图3 龙泉山二号隧道分块图Fig.3 Block Diagram of Longquanshan No.2 Tunnel

1.3 测试对象

试验对象选取相同天空率、相同设计速度、不同朝向的隧道。调研中国重庆市与四川省内中除去高速路或快速路等不便实地调研的公路隧道，最终选择东西朝向和作为对比工况的正南朝向隧道，共计5个隧道作为试验对象。

2 基于洞外亮度L2（0S）的东西朝向隧道接近段眩光时变特性分析

由于东西朝向隧道具有与太阳东升西落趋势一致的特殊性，在上午、下午隧道接近段遭受阳光直射而使洞外亮度过大，但隧道内仍保持低亮度状态，隧道内外亮度差过大易使接近段出现眩光；同时隧道外景观和路面存在反射阳光的间接眩光。故本节基于此分析接近段眩光现象。

2.1 东西朝向公路隧道接近段内外亮度差异的测试分析

本节将隧道外亮度量化为间接眩光源亮度，即20°视场范围内隧道外景观和路面的亮度；将隧道内亮度量化为暗背景亮度，即隧道内景观的亮度；引入了环境因素亮度贡献比来量化分析接近段隧道内外亮度差，即20°视场范围内隧道内外亮度值与其面积百分比乘积值占总亮度L20（S）值的比值差异，可使隧道内外亮度差更加直观。图4～7为东西朝向公路隧道内外亮度贡献比，左纵轴为隧道内亮度贡献比，右纵轴为隧道外亮度贡献比。

图4 天公堂隧道东洞门隧道内外亮度贡献比Fig.4 Contribution Ratio of the Luminance in the Inside and Outside of Facing-East Tiangongtang Tunnel

图5 友谊隧道西洞门隧道内外亮度贡献比Fig.5 Contribution Ratio of the Luminance in the Inside and Outside of Facing-West Youyi Tunnel

图6 同茂隧道西洞门隧道内外亮度贡献比Fig.6 Contribution Ratio of the Luminance in the Inside and Outside of Facing-West Tongmao Tunnel

图7 龙泉山壹号隧道西洞门隧道内外亮度贡献比Fig.7 Contribution Ratio of the Luminance in the Inside and Outside of Facing-West Longquanshan No.1 Tunnel

由图4～6 可知，隧道口朝东的公路隧道在上午时太阳光较强、隧道外亮度环境贡献比较大；下午时未受到太阳光照射，隧道外亮度环境贡献比较小；而隧道内保持低亮度状态，亮度贡献比在1%～9%以内。隧道口朝西的公路隧道在下午时太阳光较强、洞外亮度环境贡献比较大；上午时因未受到太阳光照射，隧道外亮度环境贡献比较小；而隧道内保持低亮度，变化范围在10%以内。基于隧道内外亮度贡献比绘制隧道内外亮度差异比，见图8～9。

图8 天公堂隧道与友谊隧道内外亮度差异比Fig.8 Ratio of Difference in Luminance between Inside and Outside of the Tiangongtang and Youyi Tunnel

由图8～9 可知，正东朝向公路隧道内外亮度贡献差异比在上午时比下午时大得多；上午时差异比在95%以上，最高达到将近97%；下午时总体差异比在88%以下。而正西朝向公路隧道（除龙泉山壹号隧道外）内外亮度贡献差异比在下午时比上午时大得多，下午时分最高差异比达到96%以上，而上午时亮度差异比值总体在82%左右。东西朝向公路隧道内外亮度贡献差异比总体变化趋势为先增后减，分别于上、下午达到最大。其中图7与图9中龙泉山壹号隧道涉及雨后工况，相关论述见3.3。

图9 龙泉山壹号隧道与同茂隧道西洞门隧道内外亮度差异比Fig.9 Ratio of Difference in Luminance between Inside and Outside of the Longquanshan No.1 and Tongmao Tunnel

图10 火风山隧道南洞门和江北城北洞门的隧道内外亮度差异比Fig.10 Contribution Ratio of the Luminance in the Inside and Outside of Facing-South Huofengshan Tunnel and Facing-North Jiangbeicheng Tunnel

由图10可知，南北朝向公路隧道上下午时段的内外亮度贡献差异比在70%至85%；其亮度贡献差异比总体小于东（西）朝向公路隧道未受太阳光照射的下（上）午时段；其中南朝向隧道内外亮度差与东（西）朝向隧道的下（上）午时段内外亮度差异比总体相差不大，而北朝向隧道内外亮度差远小于东（西）朝向隧道下（上）午时段。然而在东（西）朝向公路隧道分别受到太阳照射的（上）下午时段，南北朝向公路隧道内外亮度差远小于东西朝向公路隧道。可见在20°视场内，相比于南北朝向隧道，东西朝向公路隧道内外亮度差异比和差异值过大，故更加有必要分析东西朝向公路隧道内外亮度差及其对隧道接近段行车安全性的影响。现场所得到的亮度差极大的测试结果将进一步验证眩光产生的现象。

2.2 东西朝向公路隧道接近段的眩光时变特性分析

本节对由亮暗环境所引起的东西朝向公路隧道接近段间接眩光进行分析，旨在得出接近段眩光变化规律，并为其对行车安全性的影响提供理论分析依据。

2.2.1 眩光值PGSV

现阶段眩光研究主要采用GB 50034—2013《建筑照明设计标准》[20]附录中的统一眩光值URG；但URG适用于室内小光源照明、间接照明和发光顶棚的大光源，不适用于公路隧道接近段眩光分析。对于室外眩光，现阶段研究常采用Iwata等[21]提出的预测眩光值模型（Predicted glare sensation vote，PGSV）；基于隧道外眩光试验的特殊性，本节采用PGSV 计算模型对接近段20°视场内的眩光进行分析，将视场内遭受阳光直射产生反光效应的隧道外景观与路面量化为间接眩光源，即亮背景；低亮度状态的隧道内景观量化为眩光背景，即暗背景。部分隧道亮暗背景分块图见图11。

眩光值PGSV公式如下。

式中：Ls为发光源亮度，cd/m2；Lb为背景亮度；cd/m2；ω为发光源对观察者眼睛所形成的立体角，sr。PGSV 眩光值主要由发光源、背景以及视线立体角3个因素决定。由公式PGSV计算结果，0=可感知的眩光，1=可以接受的眩光，2=不舒适的眩光，3=无法忍受的眩光[5]。

图11 公路隧道亮暗背景分块图Fig.11 Highway Tunnel Light and Dark Background Block Diagram

2.2.2 正东朝向公路隧道接近段眩光时变特性分析

本节对正东朝向公路隧道接近段眩光时变特性进行分析；由图12 可知，正东朝向公路隧道眩光值总体呈现先增后减的趋势，其中上午时段的眩光值较其他时段的大；09：00—11：00 都出现不舒适乃至难以容忍的眩光，10：00时眩光现象最严重。正东朝向公路隧道眩光时变特性与隧道内外亮度贡献差异比的变化趋势、太阳东升西落照射于东洞门的趋势一致；即隧道内外亮度差异比越大，接近段眩光越严重。

图12 天公堂隧道正东洞门PGSV眩光值Fig.12 PGSV Value of the Facing-East Tiangongtang Tunnel

2.2.3 正西朝向公路隧道接近段眩光时变特性分析

本节对正西朝向公路隧道接近段眩光时变特性进行了分析；由图13～14可知，正西朝向公路隧道眩光值总体呈现先增后减的趋势，在下午时的眩光值比其他时段的偏大；其中14：00—16：00出现不舒适或难以容忍的眩光。正西朝向公路隧道眩光时变特性与隧道内外亮度贡献差异比的变化趋势、太阳东升西落照射于西洞门的趋势一致；即隧道内外亮度差异比越大，接近段眩光越严重。

图13 友谊隧道正西朝向PGSV眩光值Fig.13 PGSV Value of the Facing-West Youyi Tunnel

图14 同茂隧道正西洞门PGSV眩光值Fig.14 PGSV Value of the Facing-West Tongmao Tunnel

3 东西朝向隧道接近段行车安全性分析

3.1 正东朝向公路隧道接近段行车安全性分析

由图12 可知，正东朝向公路隧道眩光时变特性总体变化趋势为先增后减，其中在上午时的眩光值比其他时段的偏大，与隧道内外亮度贡献差异比的变化趋势大体一致；其中PGSV 眩光值在9：00—11：00 分别为5.057，8.41402，7.59794，均远超无法忍受的眩光界限；对应的隧道内外亮度差异比分别到达了95.5%，96.6%，95.8%。12时的PGSV值为1.42393，未达到产生不舒适的眩光界限；此时对应的隧道内外亮度差异比仅达到87.4%。而下午时分的PGSV眩光值都小于1，并不会影响接近段的行车安全和舒适性，对应差异比总体在88%以下。可见隧道内外亮度差异越大或超过95.5%，接近段所产生的不舒适性眩光越严重；而当隧道内外亮度差异越小或在88%以下，接近段并不会产生不舒适性眩光。究其原因，由于朝向因素，在上午时正东朝向洞门受到东升太阳的照射，洞外亮度较大；而洞口段仍保持低亮度状态不变，故此时内外亮度差异较大，从而产生了不舒适乃至难以容忍的眩光，进而危及接近段行车安全性。而在下午时未受到西落太阳的照射，洞外亮度较低；故此时隧道内外亮度差异较小，并不会产生不舒适性眩光。驾驶员在正常行驶经过隧道接近段时，若感受到不舒适性眩光，其会延长驾驶员对隧道路况的辨识时间并产生安全风险。同时若隧道外景观表面过于光泽，反射出刺眼阳光形成的间接眩光可能会使得驾驶员暂时性光幕失明，严重影响安全行驶。

从PGSV眩光值的组成因素洞外路面和景观角度分析，当眩光总值较大时，景观眩光值均超过了无法忍受的眩光界限同时路面眩光值亦均超过了不舒适的眩光界限。可见，隧道接近段所产生的眩光值主要来自于景观眩光，由于隧道外景观相比于路面表面更加光泽，故产生的间接眩光更加明显。由上分析可间接证明了量化隧道外景观和路面为间接眩光源对20°视场内眩光进行分析的合理性。

3.2 正西朝向公路隧道接近段行车安全性分析

由图13～14 可知，正西朝向隧道的眩光时变特性总体变化趋势为先增后减，在下午时的眩光值比其他时段的大，与隧道内外亮度差异比的总体变化趋势一致；其中PGSV 眩光值在14：00—16：00 分别为2.54735，2.9063，3.2188，均超过不舒适的眩光界限；对应的隧道内外亮度差异比分别为94%，94.5%；而16：00 的内外亮度差异比为1 d 内最大差异比96%，故而在此时出现了无法忍受的眩光现象。在16：00 同茂隧道接近段眩光值为2.149，超过了不舒适性眩光界限；对应的隧道内外亮度比差异为90%。其余时刻并未出现不舒适性眩光。可见当内外亮度差异达到90%以上时，接近段会出现眩光现象。究其原因，洞门朝西的隧道在上午时未受到东升阳光的照射，隧道外亮度较大；隧道内外亮度差异比较小，故而未出现不舒适性眩光。而在下午时接近段受到西落阳光的照射，洞外亮度较大；隧道内外亮度差较大，从而出现了不舒适乃至难以忍受的眩光。从洞外景观和路面因素分析，朝向为西的隧道在下午时眩光值较大，此时主要眩光值来自于景观眩光；而在眩光值较小的上午时段，眩光值主要来自于路面眩光。究其原因，隧道外景观受到阳光照射所形成的眩光效应比路面的强。在未受到阳光照射时，隧道外景观并不会产生反光效应；而隧道外路面仍有可能受到阳光的部分照射而产生反光效应。

3.3 正西朝向公路隧道接近段雨后行车安全性分析

一般而言，降雨或雨后，隧道外亮度会有所降低。但雨后隧道外景物和路面受水浸湿后更易形成间接眩光源，形成的眩光现象更加严重。本文针对实地隧道雨后工况不舒适性眩光进行分析，得出结果见图15。

图15 龙泉山壹号隧道正西朝向PGSV眩光值Fig.15 PGSV Value of the Facing-West Longquanshan No.1 Tunnel

龙泉山壹号隧道接近段在10：00—12：00，16：00测试前后出现了降雨的情况，隧道外景观和路面都出现湿润和反光现象。由图15 可知，在10：00—12：00，龙泉山壹号隧道PGSV 眩光值分别为2.3515，2.3831，2.6262，均超过了不舒适的眩光界限；对应的洞内外亮度差异分别为90%，91%，92.2%。可见，虽然当出现降雨或雨后工况时隧道外的亮度有所降低，但隧道外景观和路面表面的湿润或积水现象更易产生反光现象，进而加剧接近段的眩光影响程度。而在16：00，龙泉山壹号隧道接近段的眩光值为7.1017，远超无法忍受的眩光界限；对应内外亮度差异高达94%；同时路面和景观的眩光值分别为3.0987 与4.003，都远超不可忍受眩光临界值。对比正常天气下的眩光值，雨后工况的眩光值都比较大。可见，雨后工况比正常天气下的眩光现象还要严重。在降雨天气下，由于接近段能见度较小，驾驶员的感知阈值相应提高。而降雨天气会降低路面的亮度从而很大程度降低驾驶员的视觉反应时间。倘若接近段在此刻出现不舒适性眩光，这将进一步提高驾驶员的感知阈值和视觉恢复需要时间；驾驶员在此时会缺乏正确的车速和车距估计，无法正确区分客观环境的安全与危险状态；进而影响接近段的安全驾驶并产生安全风险。

3.4 东西朝向公路隧道接近段行车安全性改善措施

然而在对东西朝向公路隧道进行设计和建造时，大多数设计、建设者都忽视了接近段眩光对行车安全的影响；上述分析基于洞外亮度20°视场，揭示了东西朝向公路隧道会因其朝向特殊性而使得隧道外景观和路面变为间接眩光源从而产生眩光现象，或因隧道内外亮度分布不均匀而产生的眩光从而对驾驶员产生极大的影响。故对于已建成的东西朝向隧道而言，若要提高接近段行车安全性，可以从避免出现间接眩光、降低洞内外亮度差和改变20°视场内景观构成3 个方面入手。经研究，笔者认为可通过增大入口段的光照亮度，即增大隧道内亮度，以解决隧道内外亮度差较大的现象；但增大入口段光照亮度会浪费大量电能，故应视实际隧道照明情况设置合理的隧道加强段照明。对于采用削竹式洞门的东西朝向公路隧道可对其进行洞门加长改造，使其具有如遮光棚的防眩效果。基于20°视场的景观构成，东西朝向公路隧道外的景观环境可对接近段路面铺设反射率较低的材料，如沥青材质；隧道洞门应采用深暗色且反射率低于0.17的材料进行，黑色面砖、毛面大理石等，以利于降低其表面亮度；隧道上方或两侧的岩壁护坡可进行大面积的深色或低反射率植被绿化；通过上述措施可降低隧道外景观的亮度占比，且一定程度下削弱隧道外亮度。东西朝向公路隧道内的环境可对入口段侧壁铺设高反射率或浅色的材料进行装饰，如蓄能反光材料或卡索板等；隧道入口段路面可采用彩色沥青材质；通过上述措施可提升洞内景观的亮度占比，且一定程度上提高隧道内亮度。通过改变20°视场内隧道内外景观构成，以此降低洞外景观的亮度占比和内外亮度差异程度，从而提高东西朝向公路隧道接近段行车安全性。

4 结束语

在20°视场内，东西朝向公路隧道的眩光时变特性总体呈现先增后减的趋势，分别于上、下午时达到最大；其与隧道内外亮度差的总体变化趋势一致。此外当东西朝向隧道出现最大眩光值时，接近段伴随出现不舒适性乃至难以容忍的眩光，眩光主要来源于隧道外景观眩光；且雨后隧道接近段的眩光值都大于正常天气下的眩光值。东西朝向公路隧道在设计和建造时忽略了接近段眩光的影响，不舒适性眩光会延长驾驶员对隧道路况的判断时间并对接近段的安全舒适产生安全风险。故公路隧道在进行选址时，朝向应尽量避免设计为东西向；对于已建成的东西朝向隧道，可以从避免出现间接眩光、降低隧道内外亮度差和改变20°视场内景观构成3 个方面入手，以提高东西朝向公路隧道接近段的行车安全性。

本文将基于20°视场的等效光源试验方案应用于东西朝向公路隧道眩光研究之中，其可降低寻找眩光场的难度且有利于分析眩光现象；同时提出将高亮度状态的隧道外景观和路面量化为间接眩光源、将低亮度状态的隧道内景观量化为眩光暗背景，以及利用隧道内外亮度环境贡献比的概念对其亮度差异程度进行量化分析，为量化分析公路隧道内外亮度差、隧道外眩光和其他构造物室外眩光提供了新的研究思路。

本文采用现场试验方案可解决采用数值模拟方法和室内仿真试验所带来的问题，为东西朝向公路隧道接近段的现场眩光试验研究提供借鉴与参考。但由于本文的现场试验所选隧道样本量较少，今后可选取全国范围内的其他公路隧道来增加样本量再进行更加深入的研究。同时本文在选择隧道时仅考虑了《公路隧道照明设计细则》所规定的朝向、天空率、设计车速等因素，还应考虑其他因素对隧道选择的影响。本文侧重研究东西朝向公路隧道接近段间接眩光现象，实际上东西朝向隧道出洞口存在更加严重的直接眩光现象，后续应补充出口段直接眩光的研究。