公路隧道照明灯具安装方式研究综述

蔡贤云，田心怡，翁 季，黄 珂

（1.重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆 400074；2.重庆大学 建筑城规学院，重庆 400045）

为确保公路隧道照明满足安全、舒适和节能的要求，在隧道照明设计时需要确定隧道不同照明段的路面亮度水平。CIE 88—2004研究报告推荐了全新的公路隧道照明设计方法：察觉对比法，并给出了基于察觉对比法的公路隧道入口段亮度计算公式，其中一项重要的参数即对比显示系数qc［1］。对比显示系数是给定区域路面亮度Lb与小目标物面向行车方向垂直面的中点照度Ev的比值，表示为qc＝Lb／Ev。

研究表明，对比显示系数与公路隧道内光的空间相对分布有关，即对比显示系数qc与隧道内灯具布置方式、照明方式、光源功率、灯具间距、灯具挂高、灯具偏转角、灯具俯仰角、灯具配光曲线和隧道内光的多次反射有关。换言之，对比显示系数qc与公路隧道照明灯具安装方式有关［2］。

1 隧道照明方式

依据灯具的配光形式，公路隧道照明方式分为3种：逆光照明、对称照明和顺光照明。Dijon等［3］在条件相同（隧道几何尺寸和所处天气状况均一样）的隧道中通过实验分析了对称照明、逆光照明和顺光照明在可见性方面的优缺点。实验结果表明，相同条件下逆光照明时L／Ev值最大，顺光照明时L／Ev值最小。以亮度对比度C和L／Ev作为衡量指标，在可见性方面顺光照明相较逆光照明和对称照明没有优势，在指引行车方面对称照明具有良好的诱导性，而逆光照明能保证良好的可见性。为保证良好的可见性应将墙面高亮度区域限制在1 m的高度范围内，并严格控制与车行方向一致的发光强度。

稻森真指出，日本公路隧道照明常用非对称照明和单行排列照明两种方式。非对称照明又分为对称照明、逆光照明和顺光照明3种，其中对称照明主要用于基本照明和入口段照明。稻森真还从光通量和使用寿命等方面对比分析了几种常用的公路隧道照明光源（低压钠灯、高压钠灯、紧凑型荧光灯等），但他并没有指出各种光源用于隧道照明时的优劣［4－5］。

日本NEXCO高速公路研究所的Sato等［6］研究发现：顺光照明能加强小目标物轮廓的可见性，增加可见度。他们以总揭示能力（total revealing power）为衡量指标在东京和名古屋70座隧道内作了持续的追踪和测试，研究结果表明，将LED应用于顺光照明能确保良好的可见性和照明效率，从而防止追尾事故的发生，确保隧道行车安全与舒适。两位学者指出，公路隧道出口段照明在满足可见度要求后，运用顺光照明时路面亮度水平比采用对称照明时低得多，因此，隧道出口段采用顺光照明时更加节能。

Lee等［7］指出，公路隧道出口段的“白洞效应”严重降低了司机白天驾车驶离隧道时的可见性。他们在隧道出口段采用对称照明、逆光照明和顺光照明模拟实际照明环境，得到小目标物、路面亮度和墙面亮度的实测值（见图1）。研究结果表明，顺光照明时出口段照明满足亮度要求的同时又能达到足够的亮度对比度，确保足够的可见度水平［8］。

图1 顺光照明模拟实验各界面测点布置图及实测结果

2 光源选择和灯具配光曲线

Tsai等［9］指出传统公路隧道照明中严重眩光、照明水平不足和浪费电能等问题均与光源选择有关。与传统荧光灯相比，LED具有节能、减少眩光等优点［10］。为营造隧道照明低眩光和高均匀性的环境，根据灯具的截光理念控制光强分布，如图2（a）所示，通过给LED光源增加透镜改变灯具配光形式，如图2（b）所示，模拟和实测得到的数据与研究成果吻合度很高［11］。

图2 依据截光理念控制灯具的光强分布

郭兴隆等［12］在1∶1公路隧道模型中测试LED和高压钠灯对小目标物辨识度的影响。研究结果表明，在同等亮度水平下，LED照明时小目标物可见度STV值比高压钠灯提高40%，说明LED照明下驾驶员视看条件更好，隧道照明中采用LED更节能。杨超等［13］从隧道照明灯具选择等方面总结了公路隧道照明节能技术，从光效、平均寿命、启动稳定性和耐震性能等方面分析常用的照明光源（高压钠灯、金属卤化物灯、荧光灯和LED等）［14－15］。马志功［16］从光源特性和节能效果出发分析了中国公路隧道常用的照明灯具，发现白光LED光源参数可达到150 lm／W，白光LED光效高、寿命长、显色性能优于其他灯具，从实际工程分析发现，LED具有的动态调光功能可使总节能率达75%［17］。

CIE和CEN发布的公路隧道照明研究报告中指出，道路和隧道照明灯具配光曲线需在满足路面亮度和眩光控制要求的基础上尽可能降低能耗［18－19］。为调和照明系统的有效性与能耗之间的矛盾，Pachamanov等［20］指出，基于各个界面的反射系数考虑灯具配光曲线，在满足路面平均亮度和其他限制条件的基础上寻求灯具最低光通量参数。但是线性优化存在很多问题，如照明设备的几何参数和路面反射特性，因此，他们选用优化模型使配光曲线平滑，从而提高照明效率，保证照明设施更加节能。两位学者优化了保加利亚两条高速公路的隧道照明灯具配光形式（见图3）。

图3 隧道灯具配光及优化

3 灯具布置方式和隧道内光的多次反射

灯具布置方式包括灯具安装位置、灯具间距、灯具挂高、灯具偏转角和灯具俯仰角。隧道内灯具安装位置情况共分为4种：拱顶侧偏单光带布灯、中间布灯、两侧交错布灯和两侧对称布灯。灯具偏转角与3种照明方式（逆光照明、对称照明和顺光照明）有关，一般在－60°～60°之间，负值代表逆光照明，0°代表对称照明，正值代表顺光照明。灯具俯仰角决定了灯具光通量在隧道路面、墙面以及顶棚间的分配比。

3.1 灯具安装位置

张阿玲［21］对比分析了公路隧道照明常用的布灯方式，提倡拱顶侧偏单光带布灯（中线布灯的变形）（见图4）。当二车道隧道中间段设计亮度≥3.0 cd／m2或三车道隧道中间段设计亮度≤2.5 cd／m2时，基本照明宜采用“拱顶侧偏单光带布灯”，否则宜采用双侧对称布灯或交错布灯。过渡段和出口段加强照明宜优先采用与基本照明相同的布灯方式。当基本照明采用拱顶侧偏单光带布灯时，若过渡段和出口段加强照明无法满足亮度要求，也可采用双侧对称布灯或交错布灯方式［22］。

图4 隧道内灯具布置方式

党伟荣等［23］认为，虽然拱顶侧偏单光带布灯在公路隧道照明中已普遍使用，但该灯具布置方式存在一系列问题（仅适用于两车道和交通量较小的隧道）。通过计算机模拟发现灯具侧偏行车道中心线的距离应为1.0～2.0 m，最大不宜超过2.0 m［24］。同时在隧道照明灯具布置中应考虑人眼舒适性，尽量将灯具安装在隧道顶部两侧或中央，且安装高度以4 m为宜；一般情况下，路面亮度均匀度不小于35%［25］。曾洪程［26］分析公路隧道常用节能灯具后发现，当设计车速为80 km／h时，选用高压钠灯的灯具间距一般为7 m；选用LED时，灯具间距可在7 m的基础上提高，这也表明了LED灯在隧道照明节能上的优势。采用拱顶侧偏单光带布灯方式时，灯具可在顶端中线偏置70～100 cm。杨超［27］建立了公路隧道中间段布灯参数优化模型，该模型包括中间段长度、单灯功率、灯具发光效率、中间段最小照度值和灯具总功率等参数［28］。薛保勇等［29－30］利用Ecotect照明仿真软件建立公路隧道照明模型，并以路面照度、平均亮度和照度均匀度等为指标研究对称布灯、交错布灯和中央布灯。研究表明，中央布灯照明效果最好，对称布灯照明效果最差，但该研究没有考虑不同照明方式对照明效果的影响。

杨翠等［31］对比研究不同版本的公路隧道照明设计规范，分析了在不同版本公路隧道照明设计规范下隧道不同照明段（入口段、过渡段和出口段）的灯具安装间距，如表1所示。

表1 不同规范下隧道不同照明段灯具间距

3.2 灯具间距、灯具挂高、灯具偏转角和灯具俯仰角

在灯具偏转角的研究上，林勇［32］指出隧道照明灯具的最佳偏转角为53°，对称照明中灯具仰角发生变化后对比显示系数仍比较稳定。徐雅琪［33］通过DIALux软件模拟逆光照明，当改变模型中X轴的角度时可达到改变逆光偏转角的目的（见图5），对比不同倾角下的路面亮度测量值可找到最佳的灯具偏转角，模拟得到的路面平均亮度等数据表明，逆光照明效率远高于对称照明。通过逆光照明优化的实际隧道工程（灯具倾角为30°）与原有方案对比发现，优化后路面平均亮度和亮度总均匀度等远高于原方案［34－36］。

图5 DIALux软件模拟逆光照明

3.3 隧道内光的多次反射

杨韬［37］通过调研发现，公路隧道照明反射增量系数K与隧道内墙面反射系数、路面反射系数和路面墙面之间的直射光光通分配比3个因素有关。通过建立1∶10公路隧道模型得到了3个影响因素与反射增量系数之间的关系。研究表明，当隧道墙面反射系数为0.7，灯具直射光光通分配比为5.0～6.1时，沥青路面可使路面平均照度提高11%～14%，混凝土路面可使路面平均照度提高13%～16%。因此，通过反射增量系数K与墙面反射系数、路面反射系数、光通分配比a之间的关系，可对隧道进行节能设计［37］。林勇［32］则通过对比显示系数qc计算软件，建立了对比显示系数与路面反射系数、对比显示系数与墙面反射系数之间的关系（见图6、图7）。

图6 路面反射系数与对比显示系数的关系

图7 墙面反射系数与对比显示系数的关系

4 结论

通过文献分析发现以下不足：

1）公路隧道照明方式研究中缺乏对称照明的研究。

2）推荐了不同照明段适用的照明灯具布置方式（中间布灯、拱顶侧偏单光带布灯、两侧对称布灯和两侧交错布灯），但推荐依据并不完善。

3）已有研究分析了公路隧道各个照明段的灯具安装高度、灯具安装间距、路面反射系数、墙面反射系数等，但未系统考虑公路隧道照明评价体系中的各项指标。

研究拟解决的问题，文献中值得借鉴的研究思路与方法：

1）基于现有公路隧道照明质量评价体系确定隧道照明灯具安装方式（照明方式、灯具布置方式、灯具安装高度、灯具安装间距、路面反射系数和墙面反射系数等）的方法依然值得借鉴。

2）明确各个照明段的灯具安装方式后，通过隧道照明质量评价体系评估对应的隧道照明光环境质量。