隧道高效照明防眩光技术研究

于建游，于国功，李春杰，侯晓青，夏明颖

(1.河北省高速公路延崇管理中心，河北 张家口 075400；2.河北高速公路集团有限公司，河北 石家庄 050000；3.河北省交通规划设计研究院有限公司，河北 石家庄 050000；4.自动驾驶技术交通运输行业研发中心，河北 石家庄 050000；5.车路云网河北省工程研究中心，河北 石家庄 050000；6.河北立德电子有限公司，河北 石家庄 050200)

引言

根据公安部和国家安全生产监督管理局的公布数据，由于交通事故造成的经济损失逐年上升，隧道内的交通事故又是正常路面的2至3倍；长期以来，我们对于交通安全的考虑往往强调驾驶员的安全意识，甚至将90%的事故责任归结到驾驶员身上。随着系统科学和安全科学的发展，逐渐认识到道路交通事故是多种因素综合作用的结果，应该达到人、车、路三者的协调，而照明系统是保障隧道行车安全的一个重要组成部分。早在20世纪60年代，欧洲就对隧道的照明进行了专门研究并制定标准[1]。80年代后，世界各国相继出台了隧道照明规范，以规范隧道照明的设计和施工，减少交通事故。但照明标准目前大多是针对传统光源设计的，主要以高压钠灯为主。近5年来，随着LED照明技术的发展以及在国家发改委等部委的大力推广下，LED逐步应用到隧道照明领域，但仍以替换传统灯具为主，主要表现在点对点的替换，个别采用了LED日光灯管进行替换，效果不佳。由于设计没有考虑到在半封闭空间内视觉的局限性、眩光指数等指标，尤其是对于螺旋隧道。弯曲隧道不同于平直隧道，弯曲段驾驶员视野的正前方是隧道的外侧墙壁，目标识别及判断变得尤为重要，前方外侧墙壁的照明灯具如果采用传统照明光源，必然有直射入驾驶员眼睛的眩光从而影响目标识别，因此有效防止眩光、安全并舒适行驶是螺旋隧道照明设计的关键。

本文通过分析高速公路隧道内弯道及螺旋隧道照明环境及与普通公路隧道的照明环境差异，建立一套通用的、更节能、更安全、更高效、更环保、更人性化的隧道照明体系，极大地减少了眩光，提高了照度均匀性。

1 螺旋隧道内照明灯具眩光分析

高速公路隧道的高度在7～8 m，灯具的布置一般是双侧布置。由于隧道的低矮空间，灯具安装高度不足，对称配光的灯具中心光轴垂直路面，迎着驾驶员方向的光线必然会形成眩光。眩光不但会造成视觉上的不舒适，还会延长人对物体的辨认时间，强烈的眩光会损害视觉甚至引起短暂失明，因此控制眩光对安全照明非常重要。

常规道路及隧道照明产品，无论是蝙蝠翼还是朗伯配光，都是对称配光的光源，对某一固定点来说，光线中心光轴与路面垂直，图1是常规隧道照明灯具产品的光线轨迹模拟图。可见在常规的灯具设计中，眩光的影响较大。

图1 常规隧道照明灯具光线轨迹Fig.1 Light trace of conventional tunnel lighting fixtures

螺旋隧道是近年来快速发展的高速公路建设项目，项目大多位于山区，主要是通过大角度的转弯，完成出入口的高度差，比如，金家庄特长螺旋隧道项目通过360°螺旋上升，使得出口和入口的高度差达到了112余米。

在螺旋隧道的特殊照明应用环境下，正前方不是平直路面，而是隧道的外墙壁，如果采用目前市面通行的蝙蝠翼配光或朗伯配光的灯具，由于都是对称配光，会比平直隧道有更多的法线光投射至司驾人员的眼睛，如图2所示。

图2 螺旋隧道照明灯具光线轨迹Fig.2 Light trace of spiral tunnel lighting fixtures

为了解决眩光问题，设计中心光轴顺着车流方向与路面成一定角度的非对称配光、定向LED照明灯具。控制灯具的光轴顺向行驶方向，减少眩光，削减直射入车内的直射光。图3、图4模拟的是理想隧道照明光线轨迹布置，削减掉逆向行车方向的光线，使得照明光线指向行车方向，这样既有利于目标识别，又克服了眩光。

图3 模拟直隧道无眩光灯具光线轨迹Fig.3 Light trace of simulated straight tunnel lighting fixtures without lens flare

图4 模拟螺旋隧道无眩光灯具光线轨迹Fig.4 Light trace of simulated spiral tunnel lighting fixtures without lens flare

2 非对称性光学系统设计

眩光主要是由于光源位置与视点的夹角造成的，它不但会造成视觉上的不舒适，还会延长人对物体的辨认时间，甚至引起短暂失明。

由上述分析可知，如果要减少眩光对司驾人员的影响，需要削减直射入面向行车方向的光线，保留顺向光线，但又不能简单地削减，否则会极大影响灯具的发光效率，达不到节能减排的目标。应尽量将逆向光通过光学设计，使其变为顺向光，充分提高发光效率。

非对称配光灯具的重点在光学的设计上，考虑到通用性，本研究针对隧道内的目标区域进行分析，设计了非对称配光透镜组。灯具沿隧道两个侧壁均匀连续布置，0～180°角覆盖半幅隧道，90～270°角向车行方向偏光，减少并避免车行相反方向的光。

图5是独立的透镜系统结构图，通过多层透光结构组合，将对称分布的光线调整为单向光线，并且透光效率大于90%。透镜系统与PCB板之间结合结构，凹槽用于灌胶密封，如图6所示。

图5 透镜结构图Fig.5 Structure diagram of lens

图6 透镜与灯板组装示意图Fig.6 Assembly diagram of lens and lamp plate

考虑到产品应用，同时给出了组合光学系统模式，可大幅度提高生产效率，便于应用推广。考虑到相邻透镜之间的遮挡及光的利用率等问题，透镜距离远近会影响光效，相邻两个透镜互不遮挡，并尽量接近时为最佳，最佳间距为22 mm，如图7和图8所示。

图7 多透镜组合光线分布图Fig.7 Light distribution map of multilens combination

图8 多透镜系统组合图Fig.8 System composition diagram of multilens

透镜与LED灯板组合后，测试的配光曲线如图9所示。由图9可知是非对称配光，产品具有单向性，满足防眩光的需求。

图9 灯具配光曲线Fig.9 Luminous intensity distribution diagram

3 防闪烁干扰

隧道内除了眩光干扰司驾人员，有安全隐患外，亮度不均所造成的频闪也是另外一个不安全因素。

《公路隧道照明设计细则》(JTG/TD 70/2-01—2014)[2]规定：灯具布置应满足闪烁频率低于2.5 Hz或高于15 Hz，以设计时速80 km/h计算，亮度变化间距应大于8.88 m或小于1.48 m，这是点状布置灯具无法实现的。因此，采用视觉连续照明技术，减少闪烁光斑对于司驾人员视觉的干扰，需设计满足视觉连续照明光源布设的低功率密度线状灯具。

灯具布置设计为准连续布灯，灯具间距设计为1 m，灯具长度≥0.8 m，灯具出光面长宽比≥18，如图10所示。灯具沿隧道两侧洞壁连续布置，如图11所示。

图10 灯具图纸Fig.10 Drawings of lighting fixtures

图11 灯具布置图Fig.11 Arrangement diagram of lighting fixtures

灯具约200 m一个标准段，根据灯具布置图纸、灯具配光，对一个标准段进行了照度计算，观察者位置选在道路行车方向居中位置，如图12和表1所示。由表1可知，照度均匀性明显优于点光源布置，且眩光值小于10。

图12 照度计算书Fig.12 Statement of illuminace calculation

表1 照度计算眩光值Table 1 Illuminance calculation glare value

根据上述计算分析，基于防眩光线性准连续布置，视觉连续性灯具布置也会提高司驾人员对隧道走向判断准确度。所有研究成果均已用于金家庄隧道照明系统的建设，现场测试眩光小于10，实现了无眩光、高均匀度和高效率的隧道照明的目标。经施工方初步测定，比常规技术(设计值)节能60%～70%。图13为金家庄螺旋隧道实施的现场照片，金家庄螺旋隧道是半径为860 m的螺旋线，左幅长4 228 m，右幅长4 104 m，双向四车道，最大行车速度100 km/h，共使用灯具17 324套，防眩光线性灯具连续布置，现场测试路面中间段平均照度82 lx，测试数据如表2所示，该隧道均匀度大于90%，眩光指数小于10，行驶环境明显较其他隧道舒适。

图13 金家庄螺旋隧道Fig.13 Jinjiazhuang spiral tunnel

表2 照度测试值Table 2 The test value of illuminance

4 结语

根据《2020年交通运输行业发展统计公报》[3]，随着高速公路建设不断发展，截至2020年底，全国公路隧道共21 316处、2 199.93万延米，其中特长隧道1 394处、623.55万延米；长隧道5 541处、963.32万延米。随着后奥运时代的到来以及西部大开发的进行，贯穿山区的螺旋隧道及长隧道在迅速增加。因此防眩光准连续布置照明灯具，是螺旋隧道照明设计的关键技术，有望推动我国LED照明技术引领隧道照明设计，将产生显著的经济和社会效益。