隧道照明过渡段亮度动态需求探讨

邱 凡 马小军 刘乃涛 林 卫 刘 向 臧增辉

(1.南京工业大学 自动化与电气工程学院，江苏 南京 210009;2.南京汉德森科技股份有限公司，江苏南京 211100;3.南京项目管理有限公司，江苏 南京 210006)

1 引言

按照 《JTJ 026.1—1999公路隧道通风照明设计规范》，长度大于100m的隧道应设置照明［1］。由于早期光源制造工艺落后，调光性能差和控制手段落后等技术条件的限制，为了确保在各种情况的安全，隧道照明系统的设计以亮度需求最大的情况考虑，存在大量冗余，使得过量照明严重。洞外亮度按夏天中午的最大亮度进行计算，而实际洞外亮度随天气、季节和时间不断的变化。由于光源亮度随着使用时间的增加而衰减和灯具受到污染而亮度下降，为确保安全，按照文献［1］取0.7的维护系数。除此以外，还要考虑一定的设计冗余［2］，造成过量照明。文献［1］中入口段、过渡段、中间段、出口段按阶梯型取值，布灯时无论对称布置、交错布置、中间布置还是分回路布置，由于单个灯具的功率较大，使得灯具间的距离也较大，都会造成照度分布不均。荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等灯具不能调光或调节范围小，并且调光复杂，成本高，所以目前的隧道照明系统一般不能调光或分回路有级调光［3］。LED灯光效高、节能、环保、寿命长、响应时间短，调光方便［4］，在隧道照明中具有广阔的前景。

2 国内标准和CIE标准的比较

在公路隧道照明中，介于入口段与基本段之间的照明区段称之为过渡段。其任务是解决从入口段高亮度Lth到基本段低亮度 Lin的剧烈变化给驾驶员造成的不适应现象，使之能有充分的时间过渡，并以渐变的加强照明实现这个过渡［5］。 《公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1—1999》中采用CIE适应曲线Ltr=Lth(1.9+t)－1.4，作为过渡段亮度与长度划分的依据。TR1、TR2、TR3三个过渡照明段的亮度比例按3∶1划分，如图1所示。

图1 国内过渡段长度与相应亮度的划分

Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth，Ltr3=0.035Lth，亮度变化较大，尤其是第一次多达0.7Lth，若取洞外亮度L20(S)=5000cd/m2，行车速度v=80km/h，亮度折减系数 k=0.035，Lth=5000×0.035=175cd/m2和过渡1段的连接点处，亮度变化多达122.5cd/m2，不利于眼睛的调节和适应，不利于行车安全。按照文献［2］计算，三个过渡段的总长度为72+89+133=294m，总的适应时间为13.23s。虽然 《公路隧道通风照明设计规范 JTJ026.1—1999》参考了《CIE88—1990.GUIDEFORTHELIGHTINGOF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES》［6］，但 隧 道内各段的划分上有所不同。CIE标准将过渡的过程分为三个部分，在前一半停车距离上亮度维持 Lth，使驾驶员适应在隧道的行驶，后一半停车距离开始降低亮度，先线性下降为0.4Lth，然后进入渐变区，亮度按适应曲线Lth(1.9+t)－1.4逐渐降低，直到等于Lin，如图2所示。

图2 CIE的隧道亮度适应曲线

以上均为理想的过渡过程，由于前期技术条件的限制，无法对灯具按照适应曲线的亮度要求进行按需调节，而是将CIE适应曲线进行划分为三段［1］，亮度取值分别为0.3Lth，0.1Lth，0.035Lth，适应距离分别为Dtr1=Dth/3+v/1.8;Dtr2=2v/1.8;Dtr3=3v/1.8。国内标准的过渡段，包括了由Lth到0.4Lth和由0.4Lth到Lin两个适应过程。实际上适应曲线不是固定不变的，是随洞外亮度实时变化的，适应距离也是由适应时间和车速算出。为了确保行车安全，《规范》中按最大洞外亮度进行考虑，使得当洞外亮度变小时，过渡段的亮度远大于实际要求，同时由于过渡段长度的固定，又造成过渡段长度大于实际需求，多开了照明灯具，造成电能的浪费。

同时由于分段调节，亮度呈现阶梯型变化，且是4次较大亮度的跳跃，不利于行车的舒适性和安全。亮度阶梯型变化和适应曲线的对比如图3所示。

图3 亮度阶梯型变化和适应曲线的对比

3 利用CIE适应曲线求取各个点的亮度需求

设入口为原点，x为汽车在隧道内的位置，假设汽车以设计车速v匀速行驶，刚进入隧道内时，前半个照明停车视距内需求亮度为L=L;后半个照明停车视距内，需求亮度ths由L线性下降为 0.4L，对点和点ththth(Ds，0.4Lth)求直线得式 (1):

解 (1)得:

亮度下降到0.4Lth后按适应曲线Lth(1.9+t)－1.4逐渐降低，直到等于L［in6］，这个过程的过渡时间可由方程 Lth(1.9+t)－1.4=Lin，解得 t=10a－1.9，令a=

设x=DT为过渡段和中间段的连接点，汽车以速度v运动到点DT，则

所以

亮度需求由0.4Lth过渡到Lin的过程中，亮度需求

所以，从刚进入隧道，到过渡到中间段整个的适应过程的亮度实际需求函数为:

4 动态调光方案

4.1 洞外亮度变化时，适应曲线的变化

某隧道设计车速80km/h，双车道单向交通，水泥混凝土路面，纵向坡度2%(Ds取95m)，设计交通量21865辆/日，隧道内路面宽度 W=9m，灯具的安置高度5m，洞外亮度取 L20(S)=5000cd/m2［7］。

当车流辆较大时，k取0.035，Lin取4.5cd/m2，按照 《规范》有:

适应距离共383.78m，适应时间为17.27s当车流量小时，k取0.025，Lin取2cd/m2

适应距离共383.78m，适应时间为17.27s

按照动态调光方案，当车流量较大时，L20(S)变化，适应距离和适应时间的变化如表1，图4所示。

当车流量较小时，L20(S)变化，适应距离和适应时间的变化如表2，图5所示。

适应时间的长短主要决定于Lth/Lin的大小，Lth/Lin越大则适应时间越长，而 Lth由洞外亮度 L20(S)决定，所以L20(S)和Lin相差越大，适应时间越长。从表中可看出，按照 《规范》当车流量较小时，取较小的Lin，使得Lth/Lin变大，反而需要更长的适应时间和适应距离。同等条件下Lin越小，过渡段越长，基本段越短，如图6所示。所以，基本段亮度的取值不仅要考虑车速和交通量，还要考虑过渡段和基本段长度不同所花费照明成本。

图4 车流量较大时，洞外不同亮度对应的洞内亮度需求曲线

表1 车流量较大时，洞外不同亮度对应的适应距离和适应时间

表2 车流量较小时，洞外不同亮度对应的适应距离和适应时间

4.2 动态调光的调节条件分析

按洞外最大亮度和最高行车速度计算出最长的过渡段距离，为了提高亮度的均匀性，灯具沿隧道均匀交错布置，如图7所示。当洞外亮度变小时，可以关闭一些不必要的加强灯，只开基础灯。

由于灯具是间断布置的，各点的亮度需求是连续变化的，通过调节灯具的亮度使得所有点同时恰好都满足亮度要求非常困难，所以取典型的照明区域为研究对象如 M1，M2，M3，使在该区域内的平均照度和需求的平均照度相等为调节的条件。同时为了体现行驶方向亮度逐渐降低的要求，灯具的实际光通量也应该是逐渐减少，减少的幅度与灯具间的距离和灯具的配光曲线有关。

设减少的幅度为ζ(0<ζ<0.5﹚则灯具①～⑨的光通量分别为:(1+ζ)Φ1，Φ1，(1 －ζ)Φ1;(1+ζ)Φ2，Φ2，(1 － ζ)Φ2;(1+ ζ)Φ3，Φ3，(1 － ζ)Φ3;并且满足(1－)Φ1>(1+Φ2，(1－ζ)Φ2>(1+ζ)Φ3的值可通过现场测量选取。由于灯具均匀布置，光通量逐渐降低，若 M1，M2满足照度要求，M1，M2之间的 M12也能满足要求。M1，M2，M3等作为一个计算和控制单元，以M1为例进行照度计算。

图5 车流量较小时，洞外不同亮度对应的洞内亮度需求曲线

图6 相同洞外亮度，不同车流量的亮度需求曲线

利用系数曲线图计算路面的平均水平照度可按式 (4)计算:

图7 过渡段的典型区域灯具布置

式中 N——灯具布置系数，对称布置时取2，交错及中线布置时取1;

η——利用系数;

W——隧道路面宽度;

S——灯具间距。

由于现在每盏灯的光通量不同，对式 (4)做如下改进:

该区域的平均亮度为:Lav=(L1+L2+L3)。

L1，L2，L3为灯具①②③所在位置的亮度实际需求，可由上面求得的亮度实际需求函数式 (3)计算。

平均亮度与平均照度间的换算关系一般可按沥青路面 (15～22)lx/cd·m－2，水泥混凝土路面(10 ～13)lx/cd·m－2选取［1］。调节各个灯具的光通量，使得Eav=Ex。但这样会使洞外亮度有微小的变化或系统有微小的干扰，都会使灯具进行调光，影响灯具的寿命。为了避免频繁地调光，当|Eav－Ex|≥ε(ε为预先设定的某个较小的数)时，系统才进行调节。

LED的光输出基本与输入功率或者输入电流成正比，因而LED的调光很简单，只要调整LED的输入电流即可。一般采用PWM调光的方法。PWM调光是保持电流的大小恒定，以一定频率开通和关断LED，通过调节开通和关断时间比来实现调光［8］。

5 结论

通过对国内隧道照明的亮度阶梯型划分与CIE理想适应曲线的比较知:① 固定的阶梯型亮度划分，有4次较大亮度跳跃，不利于眼睛的调节和适应;② 固定适应段长度划分又造成过渡段长度大于实际需求，多开了照明灯具，造成电能的浪费。为达到节省电能和提高视觉舒适性的要求，可从以下几方面对隧道照明过渡段做一些改进:

(1)灯具沿隧道均匀交错布置使光通量逐渐减少，这样不但可达到节能的目的，同时使亮度渐变的变化，分布更加均匀。

(2)通过在相同车流量下，对不同洞外亮度时洞内亮度需求曲线的比较;以及在相同洞外亮度，不同车流量时，洞内亮度需求曲线的比较，可知:按最大洞外亮度，最大车流量的标准设计隧道的照明，会使隧道内的亮度远远大于实际需求的亮度，产生过量照明，造成大量电能的浪费。因此应进行动态调光，即根据车流量和洞外亮度，实时地对照明亮度需求进行动态调节。

(3)采用光效高、节能、环保、寿命长、响应时间短、调光方便的LED光源。通过调整各个LED灯的PWM频率就可达到动态调光的目的，从而满足按需照明要求，不但可以节约电能，减少隧道照明系统运行维护的成本，而且提高了视觉舒适性，有利于行车安全。

［1］交通部部颁标准.公路隧道通风照明设计规范(JTJ026.1—1999) ［S］.北京:人民交通出版社2004.

［2］饶颂涛.浅谈LED照明灯具亮度智能化无级控制技术在公路隧道中的应用 ［J］.科技信息 2009.13.

［3］周健，侯鹏，林利安等.公路隧道LED灯照明系统无级调光控制方式研究 ［J］.公路交通科技应用技术版2009.11.

［4］方志烈.半导体照明技术 ［M］.北京:电子工业出版社2009.

［5］陈仲林，翁季，胡英奎等.公路隧道入口段照明计算方法 ［C］.上海市照明学会2008年年会论文集2008.

［6］CIE Technical Report.88-2004.Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses［R］2004.

［7］赵中杰编著.公路隧道机电工程 ［M］.北京:人民交通出版社2007.

［8］马小军主编.智能照明控制系统 ［M］.南京:东南大学出版社2009.