摘要：文章以高速公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計為研究背景，采用DIAlux軟件進(jìn)行模擬計算，對比分析常規(guī)照明設(shè)計方案和逆光照明設(shè)計方案的照明效果，得出逆光照明方案的照明效果更好，且其經(jīng)濟效益好，具有良好的適用性。

關(guān)鍵詞：公路隧道；逆光照明設(shè)計；照明效果；模擬分析

中圖分類號：U453.7 A 31 109 3

0 引言

隧道位于地下，內(nèi)部的可見度是影響行車安全的重要因素，因此不斷優(yōu)化隧道內(nèi)部的照明設(shè)計方案，是保證隧道安全快速運行的基本保證。優(yōu)化隧道內(nèi)部的各區(qū)域照明燈具的布置和照明亮度，可降低“黑洞”和“白框”效應(yīng)［1］，縮短駕駛?cè)说囊曈X停滯時間，減少或避免交通事故。在滿足照明亮度，保證隧道內(nèi)部可見度要求的同時，還要充分考慮經(jīng)濟效益，降低照明能耗，提高經(jīng)濟效益。因此，在隧道照明設(shè)計中不能只是為了提高照明亮度而片面地增加燈具數(shù)量、提高燈具亮度，這會增加電能消耗［2］，應(yīng)該做好節(jié)能設(shè)計，合理選用和布置燈具，并做好照明控制，在保證照明效果的同時減少能耗。逆光照明設(shè)計［3］是通過改變光的方向來改變照明效果的，通過改變光源傾角，合理確定最佳配光曲線，優(yōu)化隧道照明設(shè)計。本文結(jié)合某高速公路長隧道照明設(shè)計實踐，根據(jù)隧道內(nèi)部各照明段亮度要求布置照明燈具，并采用DIAlux軟件模擬分析確定設(shè)計效果。

1 隧道概況與常規(guī)照明設(shè)計方案

某高速公路長隧道左洞全長2 548 m，右洞全長2 542 m，隧道寬10.25 m，高5.0 m。該隧道采用雙洞單向交通，單洞雙車道設(shè)計，洞內(nèi)行車速度為80 km/h。該隧道屬于長隧道，基本照明段長度較長，且需要布置大量燈具，前期投資大，后期運營期間工作量大，運營成本也較高。隧道基本段遠(yuǎn)期設(shè)計較近期設(shè)計亮度高出0.25 cd/m2，故本隧道照明設(shè)計按遠(yuǎn)期交通量作為參考依據(jù)。

隧道常規(guī)設(shè)計方案如下：該隧道洞外亮度L20（S）按3 000 cd/m2取值，入口段分為兩段，兩段長度相同，入口Ⅰ段和Ⅱ段亮度分別按入口亮度的0.15倍、0.05倍設(shè)計，過渡段也分為Ⅰ段和Ⅱ段，出口段長度為60 m，亮度為中間段的5倍。隧道左右兩洞各照明設(shè)計段長度與亮度如表1所示。

隧道常規(guī)設(shè)計采用高壓鈉燈，采用兩側(cè)交錯布置的形式，單側(cè)布置間距為12 m，燈具高度為4.5 m。隧道內(nèi)部設(shè)置有應(yīng)急照明系統(tǒng)，在隧道內(nèi)變電所（站）檢修或救災(zāi)時啟用，以防止由于隧道照明系統(tǒng)中斷。在變電所（站）內(nèi)布設(shè)不間斷電源或應(yīng)急電源，為應(yīng)急照明燈供電。另外，隧道進(jìn)出口均布置洞外引道照明，以保證夜間照明。本文取左洞為研究對象，照明燈具布置如表2所示。

2 隧道逆光照明設(shè)計方案

逆光照明設(shè)計是沿著隧道內(nèi)車輛行駛方向照明，可提高前方道路的照明亮度，使駕駛?cè)藛T在車輛行駛過程中更容易發(fā)現(xiàn)前方障礙物的背面輪廓，從而提高行車安全性。通過安裝一個反光器改變燈具的照明方向，使燈具照明方向與路面呈30°的傾角，將燈具的照明方向透射到車輛前方的路面上。逆光照明的原理是通過改變照明燈具的照射方向，在光照環(huán)境不變的情況下，提高隧道內(nèi)障礙物的背景亮度，便于駕駛?cè)藛T識別，提高照明效果和行車安全性。

結(jié)合隧道照明要求，逆光照明方案將基本照明和應(yīng)急照明設(shè)計方案更換為逆光照明設(shè)計，照明燈具也更換為新型LED照明燈具，降低能耗，并采用智能調(diào)光模式控制隧道照明，根據(jù)洞外環(huán)境亮度調(diào)整隧道各照明段照明亮度，不僅可以節(jié)約能源，還可以提高照明效果。隧道逆光照明設(shè)計方案如下。

2.1 照明燈具布置

照明燈具布置采用拱頂側(cè)偏單光帶照明方案，布置在隧道洞頂偏左位置。這種布置方式可以有效解決雙側(cè)布置能耗高、維護(hù)不便等問題，照明效率較高。拱頂側(cè)偏單光帶布置方案不僅可以降低前期投入，還具有較好的效果，也便于后期運維管理。根據(jù)隧道內(nèi)部的照明要求，照明燈具的布置間距通常為7～10 m。本項目隧道基本照明逆光照明設(shè)計照明燈具間距為8 m，加強照明按常規(guī)設(shè)計進(jìn)行。

2.2 光源選取

本隧道逆光照明設(shè)計光源選用LED光源，該光源具有較好的方向性，顯色性好，更能適應(yīng)隧道的照明環(huán)境，同時還具備耗能低的優(yōu)勢。隧道各基本段的照明亮度要求不同，中間段的照明亮度要求最低，為中間視覺，照明亮度為0.003～3 cd/m2，不能以亮視覺（亮度＞3 cd/m2）進(jìn)行設(shè)計，這就需要合理布置燈具，調(diào)節(jié)燈具的亮度，盡可能節(jié)約能源。根據(jù)有關(guān)研究成果［4］，在亮視覺條件下，人的眼睛對黃光更為敏感，而在微光條件下，人的眼睛對藍(lán)光更為敏感。高壓鈉燈主要為黃光光源，在微光條件下照明效果下降，而LED燈顏色有多種，具有更好的適用性。另外，LED燈光效比高壓鈉燈高1.5倍，且LED燈的發(fā)光效率還在不斷提高。

2.3 照明控制

為節(jié)約能源，提高照明效果，該隧道采用LED智能動態(tài)無級調(diào)光技術(shù)，可有效避免一些設(shè)計冗余，提高節(jié)能效果。LED智能動態(tài)無級調(diào)光控制可分為以下三種：

（1）實時控制法：隧道LED智能動態(tài)無級調(diào)光技術(shù)主要在白天應(yīng)用，主要是因為白天隧道洞外環(huán)境亮度變化大，需要對不同時段、不同天氣的外部環(huán)境亮度進(jìn)行實測，并根據(jù)實測結(jié)果實時調(diào)整洞內(nèi)各照明段的LED照明燈具的亮度，以滿足行車要求。另外，隧道內(nèi)照明燈具亮度調(diào)節(jié)的延遲時間一般取5～10 min最合適，以避免燈光亮度在臨界狀態(tài)下過于頻繁的轉(zhuǎn)換。

（2）時序控制法：夜間洞外環(huán)境亮度變化小，將控制模式由實時控制轉(zhuǎn)變?yōu)闀r序控制狀態(tài)，根據(jù)交通量的大小分時段進(jìn)行無級調(diào)光控制，一般將燈具的功率控制在額定功率的50%左右。

（3）人工控制法：公路隧道管理人員通過操作照明監(jiān)控軟件，根據(jù)隧道內(nèi)的交通量、平均車速等指標(biāo)的變化情況修改隧道入口段亮度折減系數(shù)k，調(diào)整洞內(nèi)外照明亮度，控制交通量和平均車速。

總之，本隧道逆光照明設(shè)計基本照明光源采用LED燈，智能化動態(tài)無級調(diào)光控制，加強照明仍選用鈉燈照明。隧道左洞照明燈具布置如表3所示。

3 隧道逆光照明效果模擬分析

3.1 隧道照明仿真模擬

根據(jù)隧道內(nèi)照明設(shè)計方案，先采用AUTOCAD軟件繪制隧道模型圖，然后將DWG文件導(dǎo)入DIAlux軟件中，繪制隧道三維模型。對比分析采用兩種隧道照明方案的隧道內(nèi)亮度數(shù)據(jù)和3D效果圖，確定逆光照明設(shè)計方案的適用性。本文選取隧道基本段120 m作為研究對象，水泥混凝土路面反射系數(shù)為29%；隧道邊墻襯砌表面鋪貼瓷磚，反射系數(shù)為74%。

照明燈具按設(shè)計方案布置：常規(guī)設(shè)計方案采用70 W高壓鈉燈，采用雙側(cè)對稱布置，縱向間距為12 m，安裝高度為4.5 m；逆光照明設(shè)計方案采用70 W的LED光源，安裝在隧道拱頂偏左位置，安裝高度為4.8 m，燈具光線方向與垂直方向傾角為30°。隧道路面與邊墻材料不變。

3.2 照明效果模擬試驗結(jié)果對比分析

兩種照明設(shè)計方案的模擬3D仿真效果圖如圖1所示，兩種設(shè)計方案的路面亮度計算結(jié)果如表4所示。

由圖1可知，采用LED燈逆光照明方案的照明效果更好，隧道內(nèi)照明亮度明顯高于常規(guī)設(shè)計方案高壓鈉燈的照明效果。

對比分析表4兩種方案路面亮度計算結(jié)果，在功率相同的情況下，采用逆光照明設(shè)計的隧道路面亮度的最小值、最大值和平均值均優(yōu)于常規(guī)方案，說明采用逆光照明效果優(yōu)于常規(guī)設(shè)計方案。由于LED燈投射效果好，投射角度更合理，光功率損失小，對隧道路面照明效果更好。兩種方案的隧道路面亮度的平均值均高于照明標(biāo)準(zhǔn)推薦值，因此兩種方案都是滿足照明要求的，但逆光照明設(shè)計方案的路面亮度更高，路面亮度總均勻度和縱向均勻度更高，照明效果更好。另外，隧道基本段逆光照明設(shè)計方案所選用的LED燈的數(shù)量更少，在功率相同的情況下可以得到更好的節(jié)能效果，且所耗費的電能更少，具有良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

本文以高速公路長隧道照明設(shè)計作為研究對象，采用DIAlux軟件模擬計算，分析模擬分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）逆光照明設(shè)計方案較常規(guī)設(shè)計方案具有更高的照明亮度，說明采用LED燈逆光照明方案的照明效果優(yōu)于常規(guī)方案鈉燈照明效果。

（2）隧道逆光照明設(shè)計方案路面照明亮度最小值、最大值和平均值均優(yōu)于常規(guī)方案，說明采用逆光照明方案投射效果好，光功率損失也較小，隧道路面照明亮度更高。

（3）隧道逆光照明設(shè)計方案與常規(guī)方案相比，可以得到更高的照明亮度，且使用的燈具數(shù)量更少，電能消耗更好，照明效果和經(jīng)濟效益均較好。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-11-01