基于眩光控制的公路隧道逆光角配置研究_刘鹏.pdf

公路 年月第期 基金项目：省“万人计划”青年拔尖人才发展专项，项目编号 收稿日期：，；，；，：；文章编号：（）中图分类号：文献标识码：基于眩光控制的公路隧道逆光角配置研究刘鹏，文竞舟，温任强，武刚，潘俊涛（云南省公路科学技术研究院昆明市 ）摘要：逆光照明在公路隧道照明节能方面具有潜在的应用价值，其逆向光强出光能有效增益目标对比度，但同样增加了驾驶者的感光刺激。所以在提高其照明质量的同时，尽可能兼顾照明的安全性和舒适性就显得尤为重要。因此，研究采用试验与仿真的方法，在已有曲线基础上对逆光照明的最大光强角（光束角不变）进行空间配置，并分析其照明效能，为逆光照明的二次光学配光设计研究提供参考意义。研究表明：逆光照明光通量的增加对路面平均亮度的提升较为直接，计算工况中平均同比增长 ，对 眩光的影响幅度较小，同比增长；隧道基本照明中逆向最大光强角超过 时（光束角 ），眩光可能超限；最大光强角每 的调整，阈值增量的折减比是路面平均亮度折减比的倍，即在一定角度范围内，通过调节主要光强角，控制阈值增量的收益是可观的。关键词：隧道照明；逆光照明；光强角；试验与仿真；效能分析早在 世纪 年代 等就提出了逆光照明系统，试验得出逆光照明的视觉对比度效果最佳；等在关于隧道照明节能措施方面指出了“逆光照明系统”的节能性；国际照明学会（）也明确定义了三种照明系统（顺、逆光和对称照明），并对指标进行了量化。从而足以看出，逆光照明在公路隧道照明节能方面具有一定的价值。隧道照明中，路面亮度与小目标可见度是重要的评价指标之一，而逆光照明不论是在小目标可见度方面还是在路面亮度方面的增益作用均不可忽视。但我国现有研究中，过分地关注其优势方面，而眩光负面因素同样明显，研究中欠缺对其存在问题的讨论。照明灯具方面，已有研究表明对 灯珠的透镜曲面设计可实现次光学配光，更适应于道路照明的配光曲线，而合理的光强空间分布可以较大地提高照明效益 。而光源配光研究多为户外道路和传统偏光照明分析，契合隧道环境的逆光增益分析并不充足。所以笔者从控制眩光指标的角度出发，以两种非传统的逆光配光曲线（现市面成型的两款产品）做对比，在隧道环境下对其最大光强角进行空间配置，综合分析其照明效能，为逆光照明的二次光学配光设计和灯罩眩光抑制研究提供参考意义。眩光控制因素分析照明质量评价中，眩光是一个十分重要的指标，无论是在室内还是室外都具有很重要的作用。在公路照明领域主要使用阈值增量 （：人眼内等效光幕亮度叠加引起失能性眩光）和具有代表性的国际照明学会的 眩光指数（：人眼内散射光线引起不舒适性眩光）两种指标 。阈值增量 和 眩光指数计算公式分别见式（）和式（）：（）（）式中：为驾驶者的年龄，年；为照明新灯（纵向视线范围内的所有灯具）与驾驶者视线相垂直的平面内产生的照度值，勒克斯；为新装灯路面的初始亮度平均值，；为每盏灯具中心与驾驶者视线的夹角，（）。注：式（）中 且 。（）（）式中：为灯具产生的光幕亮度，；为环境产生的光幕亮度，。依据眩光计算基础分析隧道眩光控制因素。从式（）可以看出，为一个与年龄相关的常数，所以其直接变量有个，分别为平面照度、初始平均亮度 和灯具中心与驾驶者视线夹角。其中照度和亮度（除去环境因素）直接受灯具性能指标光通量和配光曲线影响，灯具中心与驾驶者视线夹角涉及到人眼观察方向和灯具照明形式。人眼正常视线范围一般为平视上方 到下方 ，而正常交通驾驶视线考虑车辆顶棚遮挡，一般拟定挡光角度为 ，驾驶路面注视角度为视线下方（前方），如图所示。所以视线夹角在考虑正常驾驶视线固定不变的情况下，其影响因素与灯具光强分布角度（纵向）有关，灯具纵向光强偏光越严重，视线前方叠加光线越严重。从计算式（）可以看出，直接变量有个，分别为环境对眼睛产生的光幕亮度 和灯具对眼睛产图驾驶视线范围生的光幕亮度，其中涉及到环境材质本身特性，这里不对客观环境做讨论，并排除已有的研究。灯具对眼睛产生的光幕亮度同样可以简化为与灯具性能指标光通量和光强分布曲线相关。综上，这里将布灯方式、灯具光通量和主要光强空间分布角度（纵向）作为控制因素提出，灯方式和光通量根据实际设计需求作为控制变量。单灯逆光试验对比分析 试验方案试验环境为暗环境，试验目的主要为验证逆光条件下，在相同观察角时的反射亮度优于传统对称照明，以及初步分析反射角与亮度的增益关系。试验设定组工况。工况为逆光照明，观察距离相等，观察角分别为 、和 ，并点测路面点的平均亮度；工况为对称照明，观察距离相等，水平观察角分别为 、和 ，并点测路面点的平均亮度。单灯高度为，观察距离为。试验路面采用 沥青混凝土试块，试块尺寸为 ，见图所示。现场布置如图所示。图路面试块 公路 年第期 年第期刘鹏等：基于眩光控制的公路隧道逆光角配置研究图现场布置试验用灯为厂家直供隧道灯，其型号分别是：（逆光配光型，），配光曲线如图（）；（对称配光型，），配光曲线如图（）。主要测量工具为手持点式亮度计（柯尼卡美能达，）。图照明配光曲线 试验结果分析试验亮度的测量计算结果见表所示。表两种照明单灯试验对比观察角 逆光照明测点平均亮度（）对称照明测点平均亮度（）逆光增益比 逆光照明在对比度方面优势突出，这里不做讨论。从表可以看出，逆光照明相比对称照明来说在亮度方面确实存在一定的节能性，试验工况中逆光亮度增益最高达 ，最低亮度增益 。从整体观察角度来看，过程中两种照明下的路面平均亮度均是逐渐降低的，观察角测点平均亮度较高；从局部观察角 时两种照明的亮度递减性不明显。最大光强角空间配置仿真分析从上节单灯试验可知，沥青混凝土路面下逆光照明相比对称照明存在一定的节能性；观察角度的调整对视野路面亮度有一定的影响性，但线性关系不突出。由于受试验条件影响，以及手持式亮度计的局限性，所以本节采用数值仿真的手段，以调整光源最大光强角来间接影响视线前方的光线叠加。旨在提高照明质量的同时，兼顾控制感光刺激，降低眩光效应。仿真模型与空间配置 照度分析仿真工具采用 。隧道模型尺寸参考运营隧道实体比例设计，模型为两车道单向行驶隧道（设计时速 ），模型长 ，内轮廓净高 ，净宽 。隧道内表面材质反射率 ；路面材质为沥青混凝土，反射特性为 （通车一段时间沥青混凝土路面，所含的砾石尺寸大于，纹 理 粗 糙 如 砂 纸），平 均 亮 度 系 数 。模型示意图见图所示。为增加仿真结果的可靠性，研究采用两种同类型逆向偏光的配光曲线，分别为逆光配光曲线（光束角约 ），见图（）所示；逆光配光曲线（光束角约 ），如图所示。灯具模型由“”文件直接导入，两种逆光配光曲线修正系数均为 ，原始最大光强角均在 左右。照明系统维护系数取 。图隧道模型示意图逆光配光曲线 工况配置研究通过调整灯具模型的纵向空间角（光束角不变）来达到间接控制最大光强角的目的。现有研究基础可知，行车前方路灯最大光强角度超过 时，驾驶者将直接感受到眩光效应。所以研究选定的出光角分别为 、（原始角）、和 。研究以隧道基本段照明作为分析背景，故采用双侧交错和拱顶偏侧两种布灯形式。双侧交错布灯高度为 ，仰角为 ，单侧布灯间距为，灯具光通量取 与 ；拱顶偏侧，布灯偏行车方向右侧 ，布灯高度 ，仰角，布灯间距为，灯具光通量取 和 。驾驶观察角设定为 。计算工况见表所示。照明效能分析仿真计算眩光以考虑最不利因素为主，所以不表计算工况布灯方式 布灯间距配光曲线最大光强角（）双侧交错布灯 逆光曲线 逆光曲线 逆光曲线 逆光曲线 拱顶偏侧布灯逆光曲线 逆光曲线 逆光曲线 逆光曲线 舒适性眩光（）不做具体分析，本次仿真计算主要分析失能性眩光（），结合路面平均亮度进行综合评价。双侧交错布置分析计算结果见表所示，显然两种逆光曲线随着光通量的增加，其路面平均亮度和眩光阈值增量（）也随之增加。但相较而言，路面平均亮度较 对光通量更为敏感，工况中随着光通量的增加路面平均亮度增长 左右，眩光增长左右。表照度模拟与实测对比最大光强角（）光通量 配光曲线配光曲线路面平均亮度（）路面平均亮度（）结合表与图（）、图，曲线光束角比曲线小，相同条件下配光曲线相比配光曲线，在亮度和阈值增量（）方面均较高；较路面平均亮度对小光束角更为敏感，工况中曲线的 值比曲线高出 倍，路面平均亮度高出 左右。根据表分析最大光强角，见图和图。公路 年第期 年第期刘鹏等：基于眩光控制的公路隧道逆光角配置研究图最大光强角与阈值增量（）变化关系图最大光强角每 前后增长比根据 （）文件可知，在白天和夜间，隧 道 入口 段、过渡段 和 中间 段 阈 值增量 超过 将明显感受到感光刺激。由图可知，配光曲线在最大光强角约 时将超出眩光允许值，在 区间曲线将对驾驶者眼球叠加过量直射光线，视觉障碍达到峰值；配光曲线在最大光强角约 时将超出眩光允许值，计算工况中未见障碍峰值出现，感光刺激相对柔和；同一曲线在 向 光通量增长时，其对阈值增量的影响较小。排除 和 两端计算值，最大光强角增长对亮度和阈值增量变化分析如图所示。很明显可以看出，工况中无论是低光通量还是高光通量，两种曲线最大光强角每变化 时，阈值增量的变化比均是路面平均亮度变化比的倍；调节最大光强角时，光通量的增长对阈值增量的增长比有一定的影响，反而对亮度的增长比影响很低；即在一定范围内，逆光照明时通过调节主要光强角，控制阈值增量的收益相比路面平均亮度的折损是非常可观的。拱顶偏侧布置分析因以隧道基本段照明作为分析背景，为满足照明亮度，所以拱顶偏侧布灯相比双侧交错布灯，光通量同位提升 。计算结果见表所示。表拱顶偏侧布灯照明计算最大光强角（）光通量 配光曲线配光曲线路面平均亮度（）路面平均亮度（）由表的计算结果可见，其与双侧交错布灯计算结果相似性很高。同样，拱顶偏侧布灯时两种逆光曲线的光通量增加，与路面平均亮度和眩光阈值增量（）成正相关；路面平均亮度对光通量的敏感度更高，工况中光通量的增加使路面平均亮度增长 左右，眩光增长左右；同样条件下配光曲线相比配光曲线的计算指标略高；小光束角的阈值增量更为突出，工况中曲线的 值比曲线高出 倍以上，路面亮度同样高出 左右。根据表分析最大光强角，见图和图。显然，由图和图 可以看出其与双侧交错布灯的相似性。拱顶偏侧布灯时，配光曲线最大光强角依然在 左右时达到眩光允许值，在 区间曲线在驾驶视野内光线叠加最严重；配光曲线在最大光强角约 时达到眩光允许值，计算工况中同样未见眩光峰值出现；相同曲线在光通量 提升至 时，其 值增长有限。由图 所示，两种曲线最大光强角每变化 时，阈值图两种路面类型的亮度对比图 逆光照明下目标可见度对比增量的变化比约是路面平均亮度变化比的倍，增比关系受光通量的影响很小。由表和表，综合隧道基本段双侧交错布灯和拱顶偏侧布灯 光通量照明的计算结果，双侧交错布灯的路面平均亮度和阈值增量均比拱顶偏侧布灯要高，但从调节最大光强角的折减效果来看，拱顶偏侧布灯的路面平均亮度和阈值增量每 的折减约是双侧交错布灯的 ；从调节最大光强角对阈值增量和路面平均亮度的影响规律来看，布灯方式和光通量对其的影响作用较小。结语通过对逆光照明的初步试验，及最大光强角控制眩光阈值增量的仿真计算，分析其照明质量和折减效果，得出结论如下。（）从路面平均亮度分析，逆光照明比对称照明的节能性好，试验点测亮度最高增比 。（）从光通量和光强分布分析得出，逆光照明光通量的增加对路面平均亮度的提升较为直接，计算工况中同比增长 ，对 眩光的影响幅度较小，同比增长；逆光照明中，在一定角度范围内，光强分布角度更集中的配光曲线，值增长越明显，工况中同比可增长 倍以上。（）从最大光强角分析得出，基本照明中逆向最大光强角超过 （曲线：光束角 ）和 （曲线：光束角 ）时将超出眩光允许值，根据光强分布集中程度，光强角可适当增减；最大光强角每 的调整，阈值增量的折减比是路面平均亮度折减比的倍。（）总体而言，一定角度范围内，逆光照明通过调节主要光强角，控制阈值增量的收益相比路面平均亮度的折损是非常可观的；对于隧道基本照明，布灯方式和光通量对光强角控制阈值增量的影响较小。参考文献：，：，：，“”：，：，徐昕基于光生物效应与小目标视