彭 力，翁 季，杜 峰，龔曲藝，譚玲沖

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400045)

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隧道智慧照明發(fā)展新方向研究

彭 力，翁 季，杜 峰，龔曲藝，譚玲沖

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400045)

公路隧道智慧照明是信息時代發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是智慧城市的重要組成部分。 文章重點(diǎn)討論了人眼在隧道環(huán)境中的視覺適應(yīng)特性和隧道智慧照明發(fā)展中研究的幾個新方向，為解決隧道智慧照明遇到的瓶頸和障礙提供了切實(shí)可行的手段和方法。對于現(xiàn)今的公路隧道照明，并不能同時滿足行車安全、舒適、節(jié)能和易于管理的綜合性要求，因此，發(fā)展隧道智慧照明將是未來公路隧道照明設(shè)計的新方向。

隧道照明；智慧照明；視覺適應(yīng)曲線；動態(tài)調(diào)光

0 引 言

智慧化是繼電氣化、信息化后，世界科技革命發(fā)展的必然。利用智慧技術(shù)，發(fā)展智慧城市，是城市化發(fā)展的趨勢。智慧城市是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用信息通訊、感測等技術(shù)解決智能感測、通訊、計算、分析、判斷、調(diào)控等系統(tǒng)運(yùn)行的各種關(guān)鍵技術(shù)，建成城市發(fā)展的智慧環(huán)境，構(gòu)建面向未來的全新城市形態(tài)。智慧城市要求照明是智慧照明，而智慧照明就是物聯(lián)網(wǎng)燈具和照明光環(huán)境智慧模式組成的大系統(tǒng)。利用智慧城市研究成果，開展城市交通智慧照明研究，是當(dāng)今國際上道路照明發(fā)展的趨勢和特征。

目前，國內(nèi)外對于公路隧道智慧照明的研究主要集中于智能控制系統(tǒng)方面，忽略了對感測內(nèi)容和光環(huán)境模式的研究。在關(guān)于感測內(nèi)容和光環(huán)境模式的研究中，最為重要的是關(guān)于人眼視覺曲線的研究。國際照明委員會(以下簡稱CIE)及各國對過渡段的照明設(shè)計是以CIE推薦的適應(yīng)曲線為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)隧道照明電光源技術(shù)條件下進(jìn)行亮度分段設(shè)計。這樣的設(shè)計導(dǎo)致了亮度呈現(xiàn)階梯型變化，不利于行車的舒適性和安全性，也不能很好地消除黑洞現(xiàn)象和解決視覺適應(yīng)滯后現(xiàn)象。采用以LED隧道燈為基本燈具的隧道智慧照明系統(tǒng)具備無極調(diào)光的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)各照明段的亮度變化隨人眼適應(yīng)曲線平滑過渡，充分滿足駕駛員視覺適應(yīng)需求，提高駕駛舒適性，同時也降低隧道照明能耗，提高隧道照明的舒適度。

1 隧道照明條件下的視覺適應(yīng)特性

由人、車、隧道和環(huán)境三個基本要素組成的道路交通系統(tǒng)中，三個要素相互協(xié)調(diào)，道路交通系統(tǒng)是穩(wěn)定且安全的。但某個要素和幾個要素發(fā)生變化且超過了一定的限度，將會破壞道路交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成交通安全隱患。人的眼睛既能適應(yīng)高照度環(huán)境，如晴天正午，高達(dá)數(shù)萬甚至十萬勒克斯的照度值，也能適應(yīng)低照度環(huán)境，如夜晚星空，低至接近于0勒克斯的照度值。但是人的眼睛在同一時間內(nèi)，只能適應(yīng)最高照度與最低照度比值小于1 000的照明環(huán)境。人眼視覺適應(yīng)過程分為明適應(yīng)過程和暗適應(yīng)過程，明適應(yīng)過程即為人的眼睛對于光的感受性下降的現(xiàn)象。人從暗處到亮處，尤其在強(qiáng)光下，剛進(jìn)入到亮環(huán)境時，最初僅能感受到耀眼的光亮，基本看不清楚外界事物，數(shù)秒鐘之后視覺才逐漸恢復(fù)。明適應(yīng)過程相對于暗適應(yīng)過程速度較快，整個過程需要一分鐘左右完成。當(dāng)人從暗環(huán)境進(jìn)入明亮的環(huán)境，人眼會感受到耀眼，主要是在暗處合成的視紫紅質(zhì)進(jìn)入亮處后迅速的分解，只有當(dāng)較多的視紫紅素分解之后，視錐細(xì)胞色素才能在亮處感光。暗適應(yīng)過程則是人從亮處進(jìn)入暗處，初始階段視覺感受性很低，然后人的眼睛對光的敏感度逐漸增加到最大限度，視力逐漸恢復(fù)的過程。

隧道入口段的照明參數(shù)是隧道各照明段控制的決定因素，在傳統(tǒng)隧道照明電光源技術(shù)條件的限制下，CIE 于1990 年推薦了CIE 88—1990《公路隧道和地下通道照明指南》，建議了用入口段亮度折減系數(shù)(即K 值法)計算隧道入口段亮度，CIE于2004年推出了CIE 88—2004《公路隧道和地下通道照明指南》，正式提出了基于等效光幕亮度的察覺對比法來計算出公路隧道入口段的路面亮度值。歐盟于2003年頒布的R14380—2003《歐盟隧道照明標(biāo)準(zhǔn)C》中給出了4種確定隧道入口段亮度的方法，其中的L20法指出以CIE的計算方法來計算隧道入口段和過渡段的長度和亮度參數(shù)；英國于2003年頒布的BS5489—2:2003+A1:2008《英國隧道照明設(shè)計規(guī)范》采納了CIE的計算方法來計算隧道入口段和過渡段的長度和亮度參數(shù)；日本于1990年頒布的JIS Z 9116—1990 R2006《日本隧道照明標(biāo)準(zhǔn)》未采納CIE的計算方法，而將入口段分為了三部分：分界段、過渡段和緩和段，采用的三段折線，避免了曲線計算的難度，并明確給出了距離隧道口不同距離處的亮度值；我國新頒布的JTG/T D70—2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》借鑒CIE及各國的研究成果，考慮車流量及行車速度的因素，通過推薦的洞外亮度確定入口段照明參數(shù)。在隧道智慧照明中對人眼視覺適應(yīng)情況進(jìn)行研究，目的有兩個:其一是白晝接近和進(jìn)入隧道時，消除黑洞現(xiàn)象，使隧道入口處的路面亮度達(dá)到合理的水平。但目前僅考慮亮度大小的影響，沒有涉及光色的作用。如果能從實(shí)驗中獲得進(jìn)入隧道時對障礙的反應(yīng)時間與相對應(yīng)的路面亮度的關(guān)系，確定入口區(qū)前半部分的劃分、長度和亮度標(biāo)準(zhǔn)等，就能在適宜的色溫和亮度下，確保發(fā)現(xiàn)障礙物，并達(dá)到科學(xué)節(jié)能的目的；其二是消除視覺適應(yīng)滯后現(xiàn)象。進(jìn)行人眼的適應(yīng)研究，繪制出人眼視覺適應(yīng)曲線，同時考慮亮度和光色變化時人眼的適應(yīng)時間極限。

2 隧道智慧照明中關(guān)于動態(tài)調(diào)光的研究

以國內(nèi)外的公路隧道照明應(yīng)用情況來看，從智慧照明理論層面上進(jìn)行研究，明確隧道智慧照明的研究內(nèi)容和研究方法十分必要。通過建構(gòu)公路隧道智慧照明系統(tǒng)，設(shè)置不同的公路隧道智慧照明模式，賦予該照明系統(tǒng)“智慧”，這就要求該系統(tǒng)能根據(jù)感知信息實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)光，減少公路隧道“無效照明”和“過度照明”，而動態(tài)調(diào)光的理論基礎(chǔ)就是對人眼視覺曲線進(jìn)行研究。隧道照明的安全性和節(jié)能性之間存在著此消彼長的矛盾，如何解決這個矛盾便成為照明節(jié)能和交通安全的共同目標(biāo)。晝間從隧道內(nèi)部到出口的過程中，由于外界自然光的影響，距離出口越近，隧道環(huán)境照度會越高，實(shí)驗采集不同隧道縱深對應(yīng)的環(huán)境照度，并根據(jù)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸分析，可得到照度值與隧道出口距離值之間的關(guān)系，如圖1所示。同理，可得到照度值與隧道入口距離值之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖1 照度值與隧道出口距離的關(guān)系

圖2 照度值與隧道入口距離的關(guān)系

利用動態(tài)調(diào)光，就是將隧道內(nèi)的人眼視覺適應(yīng)曲線關(guān)系與照度值和隧道出入口的距離關(guān)系結(jié)合起來，從而影響駕駛員瞳孔面積的改變。瞳孔面積變化速度過大，超出駕駛?cè)艘曈X適應(yīng)能力范圍時，駕駛?cè)送讓㈦y于準(zhǔn)確聚焦，視網(wǎng)膜成像困難，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的視覺障礙，甚至出現(xiàn)不能分辨道路環(huán)境的情況，嚴(yán)重時導(dǎo)致行車事故。

3 隧道智慧照明發(fā)展方向及存在的問題

隧道光源的發(fā)展方向是高效節(jié)能。目前應(yīng)用于公路隧道的光源主要為熒光燈、高壓鈉燈和LED。LED與傳統(tǒng)照明光源相比，具有壽命長，光色豐富，亮度和色溫范圍易于控制，燈具效率高，顯色性高等優(yōu)點(diǎn)。利用LED燈具易于調(diào)節(jié)亮度和色溫的優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)隧道智慧照明的基礎(chǔ)。

采用智能控制方式和無極調(diào)光控制法是實(shí)現(xiàn)隧道智慧照明的重要途徑。目前國內(nèi)外對公路隧道智慧照明的研究主要集中于智能控制系統(tǒng)運(yùn)行方面的研究，但是對于控制的內(nèi)容，即針對外部不同環(huán)境變化對應(yīng)的多種智慧子模式及其相應(yīng)的光環(huán)境參數(shù)的研究還有待深入。

縱觀各國及 CIE 的隧道照明設(shè)計規(guī)范，在公路隧道智慧照明光環(huán)境的層面，研究還存在如下問題:

1)隧道過渡段采用亮度突變階梯形折線適合大功率氣體放電燈的功率特點(diǎn)，但亮度突變已超過了人眼能覺察的不均勻亮度比范圍，不利于行車的舒適性

和安全性，不能很好地解決黑洞現(xiàn)象和視覺適應(yīng)滯后現(xiàn)象。

2)現(xiàn)行的國內(nèi)外隧道各段照明標(biāo)準(zhǔn)值確定的理論基礎(chǔ)—CIE適應(yīng)方程未考慮色溫影響，即沒有考慮光色對駕駛員的適應(yīng)影響，這不符合光色豐富的LED燈目前在室外照明中迅速推廣的發(fā)展趨勢。

3)目前公路隧道照明的控制由于受光源特性以及控制系統(tǒng)的局限,控制效果過于粗放，隧道內(nèi)的照明參數(shù)、感測系統(tǒng)及控制理論沒有有機(jī)地結(jié)合成一個整體的系統(tǒng)。

綜上所述，建構(gòu)公路隧道智慧照明系統(tǒng)，解決上述研究中存在的問題，設(shè)置不同的公路隧道智慧照明模式，不僅能根據(jù)感知信息實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)光，減少隧道“無效照明”和“過度照明”，而且要達(dá)到隧道運(yùn)營安全、駕駛舒適和節(jié)能降耗的目的。

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Research on the New Direction of the Development of Intelligent Lighting in Tunnel

PENG Li, WENG Ji, DU Feng, GONG Quyi, TANG Lingchong

(KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainArea,
FacultyofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400050,P.R.China)

Highway tunnel lighting wisdom is necessary in information era, and is also an important part of urban wisdom.This paper focuses on the development in the tunnel lighting wisdom in the study of several new direction, to solve the bottleneck during the tunnel lighting wisdom and provides a feasible means and methods.Today highway tunnel lighting can not at the same time in safety, comfort, energy saving, and easy to manage comprehensive requirements.Therefore, tunnel lighting wisdom will be the direction of the highway tunnel lighting design in the future.

road tunnel illumination; smart illumination; visual adaptation curve; dynamic lighting

2016-05-10 作者簡介：彭力(1988—)，男，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院博士生，主要從事建筑光環(huán)境研究。

照明研究