基于光线跟踪的公路隧道节能技术研究_李晓路.pdf

第 19 卷 第 94 期 交 通 节 能 与 环 保 Vol.19 No.2 2023 年 04 月 Transport Energy Conservation Environmental Protection April.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.023 基于光线跟踪的公路隧道节能技术研究 李晓路 1，华开成2，路可欣3，邵社刚3（1.广东省交通运输规划研究中心，广东 广州 510199；2.广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510635；3.交通运输部公路科学研究所，北京 100088）摘要：针对公路隧道能源消耗大、电力资源浪费的问题，本文提出了一种基于光线跟踪的隧道节能方法。为最大限度地实现节能减排目标，本研究构建了公路隧道照明评价体系，从亮度和照度两方面进行考虑，采用数值仿真软件，对灯具不同布置点位的路面亮度及照度进行分析，得到其分布规律。研究结果表明：灯具布设位置在 2.5m 时，路面最大亮度可达 4.17cd/m2，整体效果最好；配合光线在不同布设点位的整体照明效果存在差异，路面最大照度可达 119lx。关键词：道路工程；节能技术；光线追踪法；公路隧道；模拟仿真 中图分类号：U453.7 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）02-0122-08 Research on Energy Saving Technology of Highway Tunnel Based on Ray Tracking LI Xiaolu1,HUA Kaicheng2,LU Kexin3,SHAO Shegang3(1.Transportation Planning Research Center of Guangdong Province,Guangzhou Guangdong 510199,China;2.Guangdong Road and Bridge Construction and Development Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510635,China;3.Research Institute of Highway,Ministry of Transport,Beijing 100088,China)Abstract:Aiming at the problem of high energy consumption and waste of power resources in highway tunnels,a tunnel energy saving method based on ray tracing is proposed.In order to achieve the goal of energy conservation and emission reduction to the greatest extent,this study has constructed a highway tunnel lighting evaluation system,which is considered from two aspects of brightness and illuminance.The numerical simulation software is used to analyze the brightness and illuminance of the road surface at different locations of the lamps,and obtain their distribution rules.The results show that the maximum brightness of the road surface can reach 4.17cd/m2 when the lamps are placed at 2.5m,and the overall effect is the best.The overall lighting effect of the matching light at different layout points is different,and the maximum illumination of the road surface can reach 119lx.Key words:road engineering;energy-saving technology;ray tracing method;highway tunnel;simulation 0 引言 随着我国综合国力的不断提升及高新技术的应用，隧道及地下工程得到了前所未有的发展。随着我国高速公路网向西部不发达山区延伸，隧道和隧道群 收稿日期：2022-12-20 作者简介：李晓路（1983-），女，陕西西安人，硕士，工程师，主要从事绿色交通、交通低碳环保研究工作（）的数量急剧增加，至 2016 年底，中国已有公路隧道15 181 座，总长 1 403.97km，与此同时，这也给隧道照明系统带来了巨大挑战。公路隧道照明系统的电能消耗占总比重的 80%，电费支出往往成为运营企业的沉重负担。在全社会节第 2 期 李晓路等，基于光线跟踪的公路隧道节能技术研究 123 能减排的大背景下，隧道照明系统的节能是必须长期坚持的一个方向。在隧道内行车，人的视觉所获得的信息至关重要，对驾驶者的行为决策和情绪有着直接的影响，良好的照明条件能够大大降低隧道内发生交通事故的概率。高速公路延伸至山区后，会不可避免地出现毗邻隧道，在较短时空内频繁改变行车环境，对驾驶员心理和生理均造成很大的影响，照明风险大于一般单体隧道1-4。驾驶者经过毗邻隧道时，在较短的时间内经历洞内至洞外，再到洞内亮度环境的急剧变化，严重影响驾驶员的视觉表现5-6。国际照明委员会指出，公路隧道内亮度配置曲线应根据人眼的适应规律进行变化，并给出了亮度配置曲线的设置方法7。但亮度过大会造成能耗骤增的问题。我国现行标准基于阶梯形亮度配置曲线，隧道的入口和中间两度呈现阶梯形递减规律，但这依旧无法避免亮度突变的问题，且隧道尾端能源浪费严重8-9。为了在保证隧道内行车安全的前提下，减小照明系统能源损耗，国内外学者对在隧道洞口采用减光措施10-11、在洞内路面及内壁设置特殊材料12、灯具安装角度进行调整13、隧道灯光智能控制设置方案14-15以及隧道内部照明亮度配置曲线16-17等方面进行研究，其中最方便的措施是对亮度配置曲线进行优化。顾永盘16按照适应曲线，对每盏灯进行独立的亮度调节，使其不断逼近最优适应性曲线，但该方法控制难度较大，且极大程度增加了成本。王小军17等人将隧道洞口和过渡段的亮度分为若干段，但依旧存在洞内亮度突变的问题。为此，本文提出了基于光线跟踪的公路隧道节能技术，对隧道内的灯具布设进行分析，从路面亮度、照度两方面进行研究，在无须复杂控制的情况下，既能兼顾驾驶安全性，又能保证隧道的环保节能性。1 公路隧道照明评价体系构建 公路隧道照明与普通道路照明不尽相同，除了亮度水平，同时还需将道路线性、车速、交通量等因素进行综合考虑，从行车安全与舒适性等方面综合确定照明水平，尤其是隧道口等需要特殊视觉适应性的点位，通常需要从亮度、照度、亮度总均匀度、亮度纵向均匀度、照度均匀度等方面构建评价体系。1.1 亮度 亮度是指单位面积光源在给定方向上每单位立体角（sr）内所发出的总光通量，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。亮度与观察方向有关，观察者从某一方向观察发光面 S，在 S 上取以足够小的面元d，其光强为d，其计算公式为 =dcosd=d2ddcos(1)路面亮度总均匀度是指在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点亮度的平均值，其计算公式为：0=minav(2)式中，0为路面亮度总平均度；min为计算区域内路面最小亮度；av为计算区域内路面平均亮度。车道中线亮度纵向均匀度是指通过观察者位置平行于路轴的直线，即车道中心线上最小亮度和最大亮度的比值，其计算公式为：1=minmax(3)式中，1为车道中心亮度纵向均匀度；min为车道中线最小亮度；max为车道中线最大亮度。1.2 照度 照度是指光源投射到物体表面单位面积上的光通量，单位为勒克斯（lx），其计算公式为：=/(4)照度是客观可精确测量的物理量，与人眼的视觉感受无关，因测量方便，照度被作为道路照明质量评价标准之一。灯具在路面上 P 点产生的水平照度，其计算公式为：=(,)cos3 1032(5)式中，为路面上P点的照度，lx；(,)为水平方向上的光强，cd/klm；为灯具的光通量，klm；为灯具的光通量维持系数；为灯具在路面上方的高度。路面照度总均匀度是指路面上最小照度与平均照度的比值，其计算公式为：0=minav(6)式中，0为路面照度总平均度；min为计算区域内路面最小照度；av为计算区域内路面平均照度。124 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 2 公路隧道照明模型构建 2.1 公路隧道照明模型 公路隧道照明一般分为局部照明和全局照明两种模型，只考虑光源直射光的影响、不考虑反射光线影响的照明模型称为局部照明模型。考虑到达计算点所有光线（包括直射光和反射光）影响的照明模型称为全局照明模型，如图 1 所示，目前比较成熟的计算模型有 Dialux、AGI32 等。图 1 光线追踪模型示意图 Fig.1 Schematic diagram of ray tracing model 2.2 照明模型选取 建立 Dialux 及 AGI32 隧道模型，基于光线追踪法对影响公路隧道照明质量的布灯方式、灯具布设间距等指标进行分析，涉及路面亮度、照度等主要参数，采用两种灯具配光曲线进行分析。构建三维三车道隧道计算模型，路面宽度为 11.75m，隧道模型纵向长度为 100m，隧道内表面及两侧检修道的材质为水泥，反射率为 30%，路面类型为沥青混凝土，反射特性为 R3，如图2 和图 3 所示。图 2 公路隧道模型 Fig.2 Highway tunnel model 图 3 公路隧道模型光环境 Fig.3 Highway tunnel model light environment 3 公路隧道照明仿真分析 3.1 灯具布设工况分析 公路隧道内一般分为两种布灯形式，分别是两侧对称和两侧交错，两种灯具布设形式均具有一定的特点，需要根据隧道的断面特性进行选择。本研究针对实际隧道断面特性，分别建立了两种布灯形式的光学计算模型，如图 4 和图 5 所示，图中 L 为灯具的间距。图 4 两侧对称布设灯具平面图 Fig.4 Symmetrical layout of lamps and lanterns on both sides 图 5 两侧交错布设灯具平面图 Fig.5 The lighting plan is staggered on both sides 基于公路隧道照明评价体系，通过对两种灯具布设形式进行分析，本研究选取两侧交错的布灯方式，其纵向间距 10.0m，安装高度 6.0m，安装角度 0，隧道墙面反射率0.3，并对灯具布设位置设置 0m到4.5m的 10 种距离变量分别进行亮度及照度模拟。3.2 灯具布设对路面亮度的研究（1）配光曲线 1 对路面亮度的影响 建立公路隧道模型，基于光线追踪的原理，模拟第 2 期 李晓路等，基于光线跟踪的公路隧道节能技术研究 125 配光曲线 1 的路面亮度值，结果如表 1 及图6 所示。表 1 配光曲线 1 的路面亮度值 Tab.1 The road brightness value of light distribution curve 1 灯具布设位置/m 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 左侧车道亮度/(cd m2)3.23 3.48 3.71 3.82 3.84 3.77 3.45 3.45 3