梁 波，魏清華，厲彥軍，何世永

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2. 重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074； 3. 重慶市交通規(guī)劃勘察設計院，重慶 401121； 4. 中鐵建設投資集團有限公司，北京 100040)

0 引 言

截止2017年底，全國公路隧道共計16 229處、1 528.51×104m，較去年增加1 048處、124.54×104m，其中特長隧道902處、401.32×104m，長隧道3 841處、659.93×104m[1]。其中，2017年公路隧道增長率為8.87%，遠遠高于全國的公路增長率1.64%。由于公路隧道洞內(nèi)外巨大的亮度差異，在公路隧道入口段必須設置加強照明，公路隧道照明設計細則規(guī)定[2]：長度大于200 m的高速公路隧道、一級公路隧道應設置照明，這導致公路隧道入口段照明能耗在整個隧道照明能耗的比重較大。另外當駕駛員駕車快速通過公路隧道時，公路隧道入口段，因洞內(nèi)外亮度劇變，在公路隧道入口段因駕駛員適應滯后極易引發(fā)交通事故。研究表明[3]：入口段事故率約占總事故率的58%。因此，有必要開展公路隧道入口段照明安全和節(jié)能的研究。

公路隧道入口段照明受洞外環(huán)境影響較大，不同的天氣情況、洞口朝向以及洞外環(huán)境組成均對洞外亮度產(chǎn)生較大的影響。目前，一方面研究主要通過降低公路隧道洞外亮度值來緩和駕駛員駕車經(jīng)過公路隧道時的“白洞效應”和“黑洞效應”。如M.GIL-MART[4]指出，在公路隧道洞口建造一段由半透明張力結構，可達到通過降低洞外亮度來緩和亮度過渡曲線的效果。類似還有采用混凝土遮光棚[5]或在公路隧道入口段種植常春藤[7]的方法，降低洞口一倍停車視距處的洞外亮度，以及采用光導管將自然光引入公路隧道入口段來加強電氣照明效果[6]。

另一方面，可通過提高洞內(nèi)照明質(zhì)量，達到降低駕駛員駕車經(jīng)過公路隧道時的“黑洞效應”[8]，如楊韜等[9]以隧道照明反射增量系數(shù)為研究對象，通過分析比較指出，考慮隧道內(nèi)表面對光線的反射可以提高路面照明質(zhì)量，L. MORETTI等[10]結合瀝青混凝土和水泥混凝土路面在隧道內(nèi)應用的技術和經(jīng)濟指標分析，指出水泥混凝土路面能明顯改善隧道內(nèi)照明環(huán)境亮度，并具有一定的經(jīng)濟社會效益。同時，K. KIRCHER等[11]基于多重負荷下駕駛功效實驗，指出公路隧道側壁采用淺色材料有助于提升駕駛員視覺注意力。何世永等[12-14]結合駕駛員在不同側壁涂料下的眼動參數(shù)變化規(guī)律和視覺功效響應規(guī)律，指出公路隧道洞口側壁采用漫反射較高的側壁材料有助于緩解亮度驟降引起的“視覺震蕩”現(xiàn)象。上述研究表明，通過降低洞外亮度和提升洞內(nèi)照明亮度有助于交通安全和節(jié)能，但目前對于洞內(nèi)環(huán)境受洞外影響的研究相對較少。

因此，筆者基于DIALux仿真計算軟件，模擬不同天空類型和布燈方式時的洞口照明環(huán)境，研究反光材料在隧道入口段的不同布設對照明質(zhì)量的影響，從而促進公路隧道照明的安全和節(jié)能。

1 公路隧道照明仿真實驗方法

1.1 實驗方案

筆者主要研究反光材料在隧道入口段的不同布設對照明質(zhì)量的影響，根據(jù)隧道側壁反射原理和入口段自然光與燈具共同作用下的綜合照明情況，采用洞口照明仿真分析的方法，分析反光材料的反射率、布設高度以及布燈方式等對隧道節(jié)能照明的影響，對比反光材料入口段不同的布設工況下的照明環(huán)境和質(zhì)量，確定最優(yōu)布設方式。

研究中將燈具型號、布燈高度、安裝角度、洞門形式等參數(shù)固定，只考慮布燈方式、天空類型、反射率和布設高度等對照明的主要影響因素，并以路面平均照度、照度均勻度和照明功效作為核心指標[2，15,16]。

1.2 基于DIALux的公路隧道照明仿真

為研究反光材料在入口段的布設方式對照明節(jié)能的影響，建立長200 m、斷面寬8 m、高6.75 m的兩車道隧道模型。筆者將隧道兩側洞口30 m長的路面設置為測量區(qū)域[17,18]，對此段路面不同工況下的照明進行計算和統(tǒng)計，仿真模型斷面如圖1。

圖1 模型橫斷面

基于國際照明協(xié)會(CIE) S 011/E: 2003推薦的天空類型[19]，根據(jù)地理位置、日期和時間對應的太陽高度、太陽方位角以及天空點方位角確定當時天空的亮度，結合天空云量和氣候，對自然光進行準確模擬。

筆者選用上海亞明生產(chǎn)的色溫4 500 K、功率160 W的隧道用LED燈進行了隧道入口段照明，并應用DIALux軟件，對選用燈具進行模擬。燈具外觀和光源燈具光強分布曲線如圖2。

圖2 燈具外觀和光強分布曲線

通過相應的定義場景尺寸和各種環(huán)境，在模型中對已選用的燈具進行安裝配置，以模擬公路隧道洞口照明環(huán)境，從而實現(xiàn)不同天空類型(晴天、陰天和混合天空)與照明燈具以及隧道內(nèi)壁反射共同作用的隧道洞口三維仿真。

1.3 綜合照明作用下的隧道照明實驗工況

經(jīng)對隧道頂棚、路面、不同內(nèi)飾材料表面反射率進行調(diào)研，結合本研究的主要內(nèi)容，反光材料的反射率分別取0.75、0.80和0.85。為提高與反光材料的對比效果，認為沒有布設反光材料的側壁和拱頂部噴涂了反射率為0.1的深灰色防火涂料，隧道路面采用瀝青路面，反射率取0.2。

表1 隧道內(nèi)各表面反射率

結合筆者的研究內(nèi)容與隧道實際情況，擬定三維仿真在路面兩側2、2.5、3、3.5 m高范圍內(nèi)布設反光材料。擬采用隧道常用的兩種布燈方式-雙側交錯布燈和中間布燈，布燈參數(shù)見表1。

表1 布燈方式參數(shù)

對入口段照明環(huán)境開展仿真分析時，既應該包含照明燈具以及路面-墻面-拱頂相互反射組成的洞內(nèi)照明環(huán)境，也應該包括自然光(太陽直射光和天空光)這種洞外照明因素的影響，通過上述分析，最終得到實體隧道數(shù)字照明三維仿真模型，如圖3。

圖3 隧道洞口三維仿真效果

1.4 仿真分析工況

為了便于分析比較，筆者選取陽光強度最低、太陽高度角最小的冬至日正午為仿真分析的自然光環(huán)境，研究綜合照明環(huán)境下反光材料在入口段最優(yōu)布設方式。

根據(jù)研究內(nèi)容并結合試驗系統(tǒng)特點，分別在全晴天、全陰天兩類天空類型下，以反光材料反射率、布設高度和布燈方式為主要變量，研究反光材料入口段最優(yōu)布設方式，主要變量參數(shù)具體值見表2。通過上述參數(shù)的有機組合，得到48種計算工況。

表2 隧道模型計算參數(shù)

2 布設方式對洞口照明的影響

針對不同天空類型、洞口朝向、布燈方式、公路隧道側壁材料反射率及其布設高度所對應的48種工況，筆者開展了隧道入口段路面平均照度和照度均勻度計算分析。

2.1 晴天反光材料布設方式對洞口照明的影響分析

晴天南向、北向洞口洞內(nèi)路面平均照度值和照度均勻度分別如圖4、5。

由圖4可知：在反光材料布設高度和反射率相同的情況下，晴天南、北向洞口路面平均照度隨布燈方式的變化而變化，其中，交錯布燈對應的路面平均照度值略高于中間布燈所對應的路面平均照度值。

在布燈方式和反光材料布設高度相同的情況下，晴天南、北向洞口路面平均照度值隨側壁反光材料反射率的提高而增大。在布燈方式和反光材料反射率相同的情況下，晴天南、北向洞口路面平均照度值隨側壁反光材料布設高度的提高而增大。

圖4 晴天隧道洞口路面平均照度

由圖5可知：在布燈方式和側壁反光材料布設高度相同的情況下，晴天南、北向洞口路面照度均勻度隨側壁反光材料反射率的提高而增大；在布燈方式和側壁反光材料反射率相同的情況下，晴天南、北向洞口路面照度均勻度隨反光材料布設高度的提高而增大。

在側壁反光材料布設高度和反射率相同的情況下，晴天南、北向洞口路面照度均勻度隨布燈方式的變化而變化，其中，交錯布燈對應的路面平均照度值遠高于中間布燈所對應的路面平均照度值。

圖5 晴天隧道洞口路面照度均勻度

2.2 陰天反光材料反射率影響分析

天空中云量覆蓋比例達到95%以上時稱為全陰天，此時洞口自然光照度完全由透過云層散射下來的光產(chǎn)生，透過云散射的陽光與太陽高度角密切相關。

陰天南向、北向洞口洞內(nèi)路面平均照度值和照度均勻度值分別如圖6、7。

由圖6、7可得，陰天的南、北向洞口路面平均照度值與照度均勻度變化趨勢與晴天南、北向洞口路面平均照度值與照度均勻度變化趨勢相近。

綜合以上晴天、陰天兩種天空類型的隧道南、北向洞口的路面平均照度和照度均勻度結果可知：相同天空類型和布燈方式，入口段的路面平均照度與照度均勻度與側壁反光材料反射率大小成正相關，即側壁反光材料反射率越大，路面平均照度越大、照度均勻度也相對較好。自然光的亮度越大，側壁反光材料對洞口照明質(zhì)量的提升效果越明顯。當側壁反光材料反射率一定時，反光材料在晴天對路面照度和照度均勻度的提升效果遠大于陰天。

圖6 陰天隧道洞口路面平均照度

圖7 陰天隧道洞口路面照度均勻度

3 側壁反光材料使用效能分析

筆者引入“實際能效值”表征反光材料布設對公路隧道照明的節(jié)能效果。實際能效值是指在照明空間內(nèi)以一定的布燈方式，每平方米路面上達到100 lx照度值時需要消耗照明燈具的電能，反映隧道照明燈具所消耗的電能與獲得地面平均照度關系的數(shù)值[20]。其數(shù)值越小則產(chǎn)生路面單位照度消耗的電能越少，對應此工況的節(jié)能效果越好，單位為W/m2/100 lx。

為保證在洞口的照明功率相同，兩側交錯布燈采用1.5 m間距，中間布燈則采用0.75 m的布燈間距。研究在此條件中，相同反光材料在同一布設高度情況下，對應的兩種布燈形式下的實際效能值，判斷不同天空類型下側壁布設反光材料的最優(yōu)布燈方式。

3.1 南向洞口

由圖8中兩種天空類型下，南向洞口兩種布燈形式對應的實際能效值比較可知：公路隧道照明實際能效值隨側壁反光材料布設高度、反射率的升高而增大，隨布燈方式的變化而變化。

反射率一定時，晴天南向洞口受自然光尤其是太陽直射光的影響較大，實際能效值較小，且兩種布燈方式對應的實際能效值相差僅0.06%～0.18%。陰天時，采用交錯布燈的照明實際能效值低1.0%左右，從隧道照明的實際功效值角度，達到相同的路面照度采用交錯布燈消耗的電量更少。

3.2 北向洞口

由圖9兩種天空類型下北向洞口交錯布燈和中間布燈對應的實際能效值比較可知：公路隧道照明實際能效值隨側壁反光材料布設高度、反射率的升高而增大，隨布燈方式的變化而變化。

北向洞口晴天采用中間布燈的實際功效值比交錯布燈時低0.16%～0.35%，相差較小。陰天時，北向洞口采用兩側交錯布燈的實際功效值比中間布燈時低0.42%～0.64%。北向洞口晴天宜采用中間布燈，而陰天和混合天空宜采用交錯布燈。

圖8 反光材料不同布設高度下、不同布燈方式實際能效值

圖9 反光材料不同布設高度下、不同布燈方式實際能效值

綜上可得：陰天時南向與北向洞口都宜采用交錯布燈，此時能夠達到最大能量利用率，并且交錯布燈能提高隧道照明質(zhì)量。晴天時受天空光的影響較大，洞口采用兩種布燈方式的實際能效值相差甚微。

4 結 論

筆者基于DIALux照明計算軟件進行公路隧道入口段照明環(huán)境的室內(nèi)仿真，對兩種天空類型(晴天、陰天)、兩種布燈方式(中間布燈、交錯布燈)下，不同公路隧道入口段側壁反光材料布設方法共48種照明工況進行計算分析，得到以下分析研究結論：

1)在天空類型、布燈方式相同情況下，公路隧道入口段路面照度指標隨側壁反光材料反射率和布設高度的提高而增大；交錯布燈對應的路面平均照度值遠高于中間布燈所對應的路面平均照度值。

2)洞外自然光的亮度越大，側壁反光材料對洞口照明質(zhì)量的提升效果越明顯。當側壁反光材料反射率一定時，反光材料在晴天對路面照度和照度均勻度的提升效果遠大于陰天。

3)反光材料布設在隧道側壁的單位長度能效比受洞外亮度影響較大，陰天時南向與北向洞口都宜采用交錯布燈，此時能夠達到最大能量利用率，并且交錯布燈能提高隧道照明質(zhì)量。

筆者研究主要基于路面照度和照度均勻度指標，然而，駕駛員駕車視野感知域同時受公路隧道路面、側壁等的共同影響，因此，側壁反光材料對公路隧道照度空間分布的影響有待進一步研究。