公路隧道照明聽覺對(duì)比法設(shè)計(jì)方法研究

公路隧道照明聽覺對(duì)比法設(shè)計(jì)方法研究

0隧道照明及交通安全隧道具有縮短里程、節(jié)約時(shí)間、提高交通效率、節(jié)約土地和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此在山區(qū)道路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。目前我國在建和待建的高速公路超過40000km,而且主要集中在我國中西部地區(qū),這些地區(qū)以山地和丘陵為主,所以需要建設(shè)大量的公路隧道。例如重慶地區(qū)在建的1200km高速公路上就有隧道150多座,隧道里程達(dá)到280km以上,據(jù)初步估算,重慶地區(qū)隧道照明電費(fèi)到2010年底每年達(dá)2億元以上,因此,公路隧道照明節(jié)能也是一個(gè)重要問題。由于公路隧道的構(gòu)造是頂部和兩側(cè)封閉,所以尤其在白晝,隧道口外亮度很大,而隧道內(nèi)亮度較低,這會(huì)給駕駛員造成黑洞和視覺適應(yīng)滯后等現(xiàn)象,看不清隧道內(nèi)情況,影響交通安全;隧道出口處又會(huì)造成亮洞現(xiàn)象等,尤其是看不見前方大車后面緊隨著的小車輪廓,從而會(huì)造成交通事故。此外,還會(huì)產(chǎn)生“黑框”、管狀視覺和閃爍等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象均會(huì)對(duì)駕駛員的視覺心理和生理產(chǎn)生影響,從而對(duì)交通安全產(chǎn)生隱患。上述所有這些發(fā)生在隧道內(nèi)的特殊視覺現(xiàn)象,應(yīng)在視覺科學(xué)基礎(chǔ)上,采用先進(jìn)的隧道照明設(shè)計(jì)方法加以合理解決,這樣才能達(dá)到隧道照明科學(xué)節(jié)能的目的。1對(duì)我國k值法的改進(jìn)隧道照明系統(tǒng)是由不同照明段的照明組成,而入口段亮度Lth是由入口段亮度折減系數(shù)k和洞外亮度L20(S)乘積確定的。Lth=kL20(S)(1)式中L20(S)是指在接近隧道口一個(gè)停車距起點(diǎn)S處,距地面1.5m高,正對(duì)洞口方向20°視野內(nèi)實(shí)測得到的平均亮度。洞外亮度L20(S)是隧道照明系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù),它對(duì)隧道工程投資和營運(yùn)電費(fèi)都有極大影響,如把洞外亮度4000cd/m2變成6000cd/m2,則設(shè)備費(fèi)相差34%,電費(fèi)相差達(dá)30%。同時(shí),入口段亮度值大小還影響到隧道過渡段亮度值Ltr大小,因?yàn)檫^渡段照明設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是國際照明委員會(huì)(CIE)建議的人眼適應(yīng)曲線數(shù)學(xué)模型。Ltr=(1.9+t)-1.4Lth(2)式中t——人眼適應(yīng)時(shí)間,單位為s。通常把過渡段分成3個(gè)過渡照明段TR1,TR2,TR3,他們亮度減小的比例按3:1劃分,并可用下列式子表示。Ltr1=0.3Lth(3)Ltr2=0.1Lth(4)Ltr3=0.035Lth(5)從上面各個(gè)計(jì)算式中可以看出,k值的大小直接影響到入口段亮度和過渡段亮度值大小,所以長期以來關(guān)于k值的合理取值問題,歐洲學(xué)派和日本學(xué)派進(jìn)行了針鋒相對(duì)的爭論,兩大學(xué)派理論上的分歧集中反映在k值上,兩者相差5倍多。后來,日本學(xué)派放棄自己的主張,并建議把他們的k值提高1倍左右。而我國在2000年6月1日實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范”中采用了國際上兩大學(xué)派的k值中間值,作為我國入口段亮度折減系數(shù)推薦值。由此可見,我國現(xiàn)行的隧道照明設(shè)計(jì)方法也是沿用國際上曾經(jīng)使用的k值設(shè)計(jì)方法。在k值法中一個(gè)重要參數(shù)是洞外亮度值L20(S),該值是20°視野內(nèi)亮度平均值,實(shí)際上不同位置的光源對(duì)人眼的視覺影響是不相同的,來自接近于視線方向上的光影響最大,該現(xiàn)象可以用等效光幕亮度Lseq來表示。Lseq=mEvθn(6)Lseq=mEvθn(6)式中Ev——眩光源在觀察者眼中且垂直于視線平面上的照度;m——對(duì)眩光的感受程度,它與目標(biāo)大小、觀察時(shí)間、觀察者的年齡等有關(guān),m值一般在4.16～29之間;n——人眼的光學(xué)特性參數(shù),一般在1.5～2.8范圍內(nèi),并可用下式表示。n=2.3-0.7lgθ(θ＜2°)n=2.3?0.7lgθ(θ＜2°)或n=2(θ≥2°)式中θ——眩光源與視線的夾角,用角度表示。經(jīng)研究表明,汽車在行駛時(shí),駕駛員的視野范圍比靜態(tài)時(shí)小得多,而且隨著車速的提高,駕駛員的視野范圍變窄,當(dāng)車速為80km/h時(shí),視野范圍約為56.8°。在計(jì)算等效光幕亮度時(shí),由于中心視野2°范圍內(nèi)隧道口較為黑暗,其對(duì)等效光幕亮度貢獻(xiàn)較小,所以可把2°～56.8°視野范圍按EvθnEvθn比值等分成9個(gè)球帶,并又把每一個(gè)球帶等分成12等份,然后采用級(jí)數(shù)計(jì)算法或數(shù)值積分法,求得等效光幕亮度。Lseq=5.1×10-49∑i=112∑j=1LijeLseq=5.1×10?4∑i=19∑j=112Lije(cd/m2)(7)式中Lije——在駕駛員的視野范圍內(nèi)每一部分的亮度,單位為cd/㎡,且可用下式表示。Lije=τwsLij+Lws(8)式中τws——汽車前擋風(fēng)玻璃的光透射比;Lws——汽車前擋風(fēng)玻璃的透射光亮度;Lij——在汽車外視野范圍內(nèi)每一部分的亮度,單位為cd/m2。人眼能夠看見目標(biāo)物,這是因?yàn)樵谝欢炼确秶鷥?nèi),目標(biāo)和背景之間具有亮度差異。該亮度差異采用亮度對(duì)比C表示,它指的是視野中目標(biāo)和背景亮度差與背景亮度之比,即C=(Lt-Lb)Lb(9)C=(Lt?Lb)Lb(9)式中Lt——目標(biāo)亮度;Lb——背景亮度。實(shí)際上,汽車在行駛時(shí),還要考慮駕駛員受到汽車前擋風(fēng)玻璃的透射光亮度和近地大氣的散射光亮度等影響,所以目標(biāo)的感知亮度Ltp=τwsτatmLt+τwsLatm+Lws+Lseq(10)式中τatm——近地大氣光透過率;Latm——近地大氣亮度。而路面(背景)的感知亮度Lbp=τwsτatmLb+τwsLatm+Lws+Lseq(11)感知到目標(biāo)物的察覺對(duì)比Cp=(Ltp-Lbp)Lbp(12)Cp=(Ltp?Lbp)Lbp(12)于是可算得Cp=τwsτatm(Lt-Lb)(τwsτatmLb+τwsLatm+Lws+Lseq)(13)Cp=τwsτatm(Lt?Lb)(τwsτatmLb+τwsLatm+Lws+Lseq)(13)由(9)式得Cp=τwsτatmCLb(τwsτatmLb+τwsLatm+Lws+Lseq)Cp=τwsτatmCLb(τwsτatmLb+τwsLatm+Lws+Lseq)上式整理后可寫成Lb=Cp(τwsLatm+Lws+Lseq)(C-Cp)τwsLatmLb=Cp(τwsLatm+Lws+Lseq)(C?Cp)τwsLatm設(shè)Lm=τwsLatm+Lws+LseqτwsLatm(14)Lm=τwsLatm+Lws+LseqτwsLatm(14)則可把(14)式寫成Lb=LmCCp-1(15)又設(shè)垂直放置在車道上的大小為0.2m×0.2m、光反射比為ρ0的漫反射小目標(biāo),其中心點(diǎn)垂直面照度為Ev,則有Lt=ρ0Evπ(16)測點(diǎn)處的路面亮度為Lb,其與小目標(biāo)中心點(diǎn)垂直面照度Ev的比值qc為qc=LbEv(17)于是由(9)式、(16)式和(17)式可得C=ρ0πqc-1(18)將(18)式帶入到(15)式中后得Lb=Lm1Cp(ρ0πqc-1)-1(19)對(duì)于隧道入口段而言,背景亮度Lb就是在隧道入口段區(qū)域內(nèi)路面的平均亮度Lth。為了保證交通安全,當(dāng)察覺對(duì)比Cp取最小值,并記為Cm,則隧道入口段亮度Lth亦為最小值,即可把(19)式寫成Lth=Lm1Cm(1-ρ0πqc)-1(20)式中Cm——最小察覺對(duì)比,且為正值。根據(jù)(20)式可確定隧道入口段亮度值,這與曾經(jīng)采用的隧道照明k值設(shè)計(jì)方法無關(guān),這也是CIE在2004年根據(jù)視覺科學(xué)的研究成果推薦的一種新穎的公路隧道照明設(shè)計(jì)方法——察覺對(duì)比法。2ws值的計(jì)算利用(20)式進(jìn)行隧道入口段亮度值計(jì)算,只需要確定該式中系數(shù)Lm,Cm,ρ0和qc就可以了。通過對(duì)行駛的未覆膜的汽車前擋風(fēng)玻璃光透射比的實(shí)測分析,其平均值約為0.84,即τws約為0.84;近地大氣亮度可取CIE推薦的中間值,即Latm約為200cd/m2;近地大氣光透過率也可選用CIE推薦值1.0;同樣,汽車前擋風(fēng)玻璃亮度可選用CIE的推薦值Lws約為100cd/m2。為了確定在視野范圍(56.8°)內(nèi)每一個(gè)部分的景物亮度,我們選擇8月份一個(gè)晴天下午距渝黔高速公路的真武山隧道洞口一個(gè)安全停車距(100m)正對(duì)隧道口,采用經(jīng)過光度學(xué)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定后的數(shù)碼相機(jī),距離地面高度為1.5m拍照,并經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)處理,由(7)式算得等效光幕亮度為67.9cd/m2。于是由(14)式算得系數(shù)Lm約為400cd/m2。最小察覺對(duì)比值Cm可以在實(shí)驗(yàn)室里,采用動(dòng)態(tài)的隧道照明模型,在計(jì)算機(jī)上模擬隧道洞口和小目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)確定;當(dāng)不具備實(shí)驗(yàn)條件時(shí),可采用CIE推薦值Cm約為0.28進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行隧道照明實(shí)驗(yàn)時(shí),通常采用小目標(biāo)的大小為0.2m×0.2m,光反射比ρ0為0.20。小目標(biāo)放置在CIE規(guī)定的測點(diǎn)處,測點(diǎn)附近的路面亮度與小目標(biāo)中心點(diǎn)垂直面照度值可以用數(shù)碼相機(jī)拍照法和經(jīng)過標(biāo)定后的照度計(jì)測量得到,并由(17)式算得兩者比值qc。當(dāng)參數(shù)Lm,Cm,ρ0和qc確定后,就可以代入(20)式中計(jì)算出隧道入口段亮度最小值,于是就可以按照CIE建議的人眼適應(yīng)曲線數(shù)學(xué)模型(2)式,算出過渡段的亮度值,再根據(jù)隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的中間段亮度和出口段照明等標(biāo)準(zhǔn)值,進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)。3照明具的配光曲線根據(jù)國際上最新的隧道照明察覺對(duì)比法設(shè)計(jì)理念求得的計(jì)算式(20)式,可以方便地進(jìn)行不同隧道照明方式的節(jié)能效果進(jìn)行比較,這是因?yàn)?2