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        隧道照明過(guò)渡段亮度動(dòng)態(tài)需求探討

        2010-05-28 05:43:50馬小軍劉乃濤臧增輝
        照明工程學(xué)報(bào) 2010年6期

        邱 凡 馬小軍 劉乃濤 林 衛(wèi) 劉 向 臧增輝

        (1.南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210009;2.南京漢德森科技股份有限公司,江蘇南京 211100;3.南京項(xiàng)目管理有限公司,江蘇 南京 210006)

        1 引言

        按照 《JTJ 026.1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》,長(zhǎng)度大于100m的隧道應(yīng)設(shè)置照明[1]。由于早期光源制造工藝落后,調(diào)光性能差和控制手段落后等技術(shù)條件的限制,為了確保在各種情況的安全,隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以亮度需求最大的情況考慮,存在大量冗余,使得過(guò)量照明嚴(yán)重。洞外亮度按夏天中午的最大亮度進(jìn)行計(jì)算,而實(shí)際洞外亮度隨天氣、季節(jié)和時(shí)間不斷的變化。由于光源亮度隨著使用時(shí)間的增加而衰減和燈具受到污染而亮度下降,為確保安全,按照文獻(xiàn)[1]取0.7的維護(hù)系數(shù)。除此以外,還要考慮一定的設(shè)計(jì)冗余[2],造成過(guò)量照明。文獻(xiàn)[1]中入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段按階梯型取值,布燈時(shí)無(wú)論對(duì)稱布置、交錯(cuò)布置、中間布置還是分回路布置,由于單個(gè)燈具的功率較大,使得燈具間的距離也較大,都會(huì)造成照度分布不均。熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等燈具不能調(diào)光或調(diào)節(jié)范圍小,并且調(diào)光復(fù)雜,成本高,所以目前的隧道照明系統(tǒng)一般不能調(diào)光或分回路有級(jí)調(diào)光[3]。LED燈光效高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間短,調(diào)光方便[4],在隧道照明中具有廣闊的前景。

        2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和CIE標(biāo)準(zhǔn)的比較

        在公路隧道照明中,介于入口段與基本段之間的照明區(qū)段稱之為過(guò)渡段。其任務(wù)是解決從入口段高亮度Lth到基本段低亮度 Lin的劇烈變化給駕駛員造成的不適應(yīng)現(xiàn)象,使之能有充分的時(shí)間過(guò)渡,并以漸變的加強(qiáng)照明實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)渡[5]。 《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026.1—1999》中采用CIE適應(yīng)曲線Ltr=Lth(1.9+t)-1.4,作為過(guò)渡段亮度與長(zhǎng)度劃分的依據(jù)。TR1、TR2、TR3三個(gè)過(guò)渡照明段的亮度比例按3∶1劃分,如圖1所示。

        圖1 國(guó)內(nèi)過(guò)渡段長(zhǎng)度與相應(yīng)亮度的劃分

        Ltr1=0.3Lth,Ltr2=0.1Lth,Ltr3=0.035Lth,亮度變化較大,尤其是第一次多達(dá)0.7Lth,若取洞外亮度L20(S)=5000cd/m2,行車速度v=80km/h,亮度折減系數(shù) k=0.035,Lth=5000×0.035=175cd/m2和過(guò)渡1段的連接點(diǎn)處,亮度變化多達(dá)122.5cd/m2,不利于眼睛的調(diào)節(jié)和適應(yīng),不利于行車安全。按照文獻(xiàn)[2]計(jì)算,三個(gè)過(guò)渡段的總長(zhǎng)度為72+89+133=294m,總的適應(yīng)時(shí)間為13.23s。雖然 《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范 JTJ026.1—1999》參考了《CIE88—1990.GUIDEFORTHELIGHTINGOF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES》[6],但 隧 道內(nèi)各段的劃分上有所不同。CIE標(biāo)準(zhǔn)將過(guò)渡的過(guò)程分為三個(gè)部分,在前一半停車距離上亮度維持 Lth,使駕駛員適應(yīng)在隧道的行駛,后一半停車距離開(kāi)始降低亮度,先線性下降為0.4Lth,然后進(jìn)入漸變區(qū),亮度按適應(yīng)曲線Lth(1.9+t)-1.4逐漸降低,直到等于Lin,如圖2所示。

        圖2 CIE的隧道亮度適應(yīng)曲線

        以上均為理想的過(guò)渡過(guò)程,由于前期技術(shù)條件的限制,無(wú)法對(duì)燈具按照適應(yīng)曲線的亮度要求進(jìn)行按需調(diào)節(jié),而是將CIE適應(yīng)曲線進(jìn)行劃分為三段[1],亮度取值分別為0.3Lth,0.1Lth,0.035Lth,適應(yīng)距離分別為Dtr1=Dth/3+v/1.8;Dtr2=2v/1.8;Dtr3=3v/1.8。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)渡段,包括了由Lth到0.4Lth和由0.4Lth到Lin兩個(gè)適應(yīng)過(guò)程。實(shí)際上適應(yīng)曲線不是固定不變的,是隨洞外亮度實(shí)時(shí)變化的,適應(yīng)距離也是由適應(yīng)時(shí)間和車速算出。為了確保行車安全,《規(guī)范》中按最大洞外亮度進(jìn)行考慮,使得當(dāng)洞外亮度變小時(shí),過(guò)渡段的亮度遠(yuǎn)大于實(shí)際要求,同時(shí)由于過(guò)渡段長(zhǎng)度的固定,又造成過(guò)渡段長(zhǎng)度大于實(shí)際需求,多開(kāi)了照明燈具,造成電能的浪費(fèi)。

        同時(shí)由于分段調(diào)節(jié),亮度呈現(xiàn)階梯型變化,且是4次較大亮度的跳躍,不利于行車的舒適性和安全。亮度階梯型變化和適應(yīng)曲線的對(duì)比如圖3所示。

        圖3 亮度階梯型變化和適應(yīng)曲線的對(duì)比

        3 利用CIE適應(yīng)曲線求取各個(gè)點(diǎn)的亮度需求

        設(shè)入口為原點(diǎn),x為汽車在隧道內(nèi)的位置,假設(shè)汽車以設(shè)計(jì)車速v勻速行駛,剛進(jìn)入隧道內(nèi)時(shí),前半個(gè)照明停車視距內(nèi)需求亮度為L(zhǎng)=L;后半個(gè)照明停車視距內(nèi),需求亮度ths由L線性下降為 0.4L,對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)ththth(Ds,0.4Lth)求直線得式 (1):

        解 (1)得:

        亮度下降到0.4Lth后按適應(yīng)曲線Lth(1.9+t)-1.4逐漸降低,直到等于L[in6],這個(gè)過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間可由方程 Lth(1.9+t)-1.4=Lin,解得 t=10a-1.9,令a=

        設(shè)x=DT為過(guò)渡段和中間段的連接點(diǎn),汽車以速度v運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)DT,則

        所以

        亮度需求由0.4Lth過(guò)渡到Lin的過(guò)程中,亮度需求

        所以,從剛進(jìn)入隧道,到過(guò)渡到中間段整個(gè)的適應(yīng)過(guò)程的亮度實(shí)際需求函數(shù)為:

        4 動(dòng)態(tài)調(diào)光方案

        4.1 洞外亮度變化時(shí),適應(yīng)曲線的變化

        某隧道設(shè)計(jì)車速80km/h,雙車道單向交通,水泥混凝土路面,縱向坡度2%(Ds取95m),設(shè)計(jì)交通量21865輛/日,隧道內(nèi)路面寬度 W=9m,燈具的安置高度5m,洞外亮度取 L20(S)=5000cd/m2[7]。

        當(dāng)車流輛較大時(shí),k取0.035,Lin取4.5cd/m2,按照 《規(guī)范》有:

        適應(yīng)距離共383.78m,適應(yīng)時(shí)間為17.27s當(dāng)車流量小時(shí),k取0.025,Lin取2cd/m2

        適應(yīng)距離共383.78m,適應(yīng)時(shí)間為17.27s

        按照動(dòng)態(tài)調(diào)光方案,當(dāng)車流量較大時(shí),L20(S)變化,適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間的變化如表1,圖4所示。

        當(dāng)車流量較小時(shí),L20(S)變化,適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間的變化如表2,圖5所示。

        適應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短主要決定于Lth/Lin的大小,Lth/Lin越大則適應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),而 Lth由洞外亮度 L20(S)決定,所以L20(S)和Lin相差越大,適應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。從表中可看出,按照 《規(guī)范》當(dāng)車流量較小時(shí),取較小的Lin,使得Lth/Lin變大,反而需要更長(zhǎng)的適應(yīng)時(shí)間和適應(yīng)距離。同等條件下Lin越小,過(guò)渡段越長(zhǎng),基本段越短,如圖6所示。所以,基本段亮度的取值不僅要考慮車速和交通量,還要考慮過(guò)渡段和基本段長(zhǎng)度不同所花費(fèi)照明成本。

        圖4 車流量較大時(shí),洞外不同亮度對(duì)應(yīng)的洞內(nèi)亮度需求曲線

        表1 車流量較大時(shí),洞外不同亮度對(duì)應(yīng)的適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間

        表2 車流量較小時(shí),洞外不同亮度對(duì)應(yīng)的適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間

        4.2 動(dòng)態(tài)調(diào)光的調(diào)節(jié)條件分析

        按洞外最大亮度和最高行車速度計(jì)算出最長(zhǎng)的過(guò)渡段距離,為了提高亮度的均勻性,燈具沿隧道均勻交錯(cuò)布置,如圖7所示。當(dāng)洞外亮度變小時(shí),可以關(guān)閉一些不必要的加強(qiáng)燈,只開(kāi)基礎(chǔ)燈。

        由于燈具是間斷布置的,各點(diǎn)的亮度需求是連續(xù)變化的,通過(guò)調(diào)節(jié)燈具的亮度使得所有點(diǎn)同時(shí)恰好都滿足亮度要求非常困難,所以取典型的照明區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象如 M1,M2,M3,使在該區(qū)域內(nèi)的平均照度和需求的平均照度相等為調(diào)節(jié)的條件。同時(shí)為了體現(xiàn)行駛方向亮度逐漸降低的要求,燈具的實(shí)際光通量也應(yīng)該是逐漸減少,減少的幅度與燈具間的距離和燈具的配光曲線有關(guān)。

        設(shè)減少的幅度為ζ(0<ζ<0.5﹚則燈具①~⑨的光通量分別為:(1+ζ)Φ1,Φ1,(1 -ζ)Φ1;(1+ζ)Φ2,Φ2,(1 - ζ)Φ2;(1+ ζ)Φ3,Φ3,(1 - ζ)Φ3;并且滿足(1-)Φ1>(1+Φ2,(1-ζ)Φ2>(1+ζ)Φ3的值可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量選取。由于燈具均勻布置,光通量逐漸降低,若 M1,M2滿足照度要求,M1,M2之間的 M12也能滿足要求。M1,M2,M3等作為一個(gè)計(jì)算和控制單元,以M1為例進(jìn)行照度計(jì)算。

        圖5 車流量較小時(shí),洞外不同亮度對(duì)應(yīng)的洞內(nèi)亮度需求曲線

        圖6 相同洞外亮度,不同車流量的亮度需求曲線

        利用系數(shù)曲線圖計(jì)算路面的平均水平照度可按式 (4)計(jì)算:

        圖7 過(guò)渡段的典型區(qū)域燈具布置

        式中 N——燈具布置系數(shù),對(duì)稱布置時(shí)取2,交錯(cuò)及中線布置時(shí)取1;

        η——利用系數(shù);

        W——隧道路面寬度;

        S——燈具間距。

        由于現(xiàn)在每盞燈的光通量不同,對(duì)式 (4)做如下改進(jìn):

        該區(qū)域的平均亮度為:Lav=(L1+L2+L3)。

        L1,L2,L3為燈具①②③所在位置的亮度實(shí)際需求,可由上面求得的亮度實(shí)際需求函數(shù)式 (3)計(jì)算。

        平均亮度與平均照度間的換算關(guān)系一般可按瀝青路面 (15~22)lx/cd·m-2,水泥混凝土路面(10 ~13)lx/cd·m-2選?。?]。調(diào)節(jié)各個(gè)燈具的光通量,使得Eav=Ex。但這樣會(huì)使洞外亮度有微小的變化或系統(tǒng)有微小的干擾,都會(huì)使燈具進(jìn)行調(diào)光,影響燈具的壽命。為了避免頻繁地調(diào)光,當(dāng)|Eav-Ex|≥ε(ε為預(yù)先設(shè)定的某個(gè)較小的數(shù))時(shí),系統(tǒng)才進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        LED的光輸出基本與輸入功率或者輸入電流成正比,因而LED的調(diào)光很簡(jiǎn)單,只要調(diào)整LED的輸入電流即可。一般采用PWM調(diào)光的方法。PWM調(diào)光是保持電流的大小恒定,以一定頻率開(kāi)通和關(guān)斷LED,通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光[8]。

        5 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)隧道照明的亮度階梯型劃分與CIE理想適應(yīng)曲線的比較知:① 固定的階梯型亮度劃分,有4次較大亮度跳躍,不利于眼睛的調(diào)節(jié)和適應(yīng);② 固定適應(yīng)段長(zhǎng)度劃分又造成過(guò)渡段長(zhǎng)度大于實(shí)際需求,多開(kāi)了照明燈具,造成電能的浪費(fèi)。為達(dá)到節(jié)省電能和提高視覺(jué)舒適性的要求,可從以下幾方面對(duì)隧道照明過(guò)渡段做一些改進(jìn):

        (1)燈具沿隧道均勻交錯(cuò)布置使光通量逐漸減少,這樣不但可達(dá)到節(jié)能的目的,同時(shí)使亮度漸變的變化,分布更加均勻。

        (2)通過(guò)在相同車流量下,對(duì)不同洞外亮度時(shí)洞內(nèi)亮度需求曲線的比較;以及在相同洞外亮度,不同車流量時(shí),洞內(nèi)亮度需求曲線的比較,可知:按最大洞外亮度,最大車流量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)隧道的照明,會(huì)使隧道內(nèi)的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求的亮度,產(chǎn)生過(guò)量照明,造成大量電能的浪費(fèi)。因此應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)光,即根據(jù)車流量和洞外亮度,實(shí)時(shí)地對(duì)照明亮度需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

        (3)采用光效高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間短、調(diào)光方便的LED光源。通過(guò)調(diào)整各個(gè)LED燈的PWM頻率就可達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)光的目的,從而滿足按需照明要求,不但可以節(jié)約電能,減少隧道照明系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的成本,而且提高了視覺(jué)舒適性,有利于行車安全。

        [1]交通部部頒標(biāo)準(zhǔn).公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ026.1—1999) [S].北京:人民交通出版社2004.

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