杜 峰，翁 季

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045;2.福建工程學(xué)院建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，福建福州 350118)

引言

我國是一個多山的國家，隨著山區(qū)公路建設(shè)特別是高速公路的大量建設(shè)，公路隧道項目也日益增多，隧道的運營電費和維護費用也越來越高。2012年底，全國公路隧道已達10022處、總里程805.27萬米，其中，特長隧道441處、總長 198.48×104m，長隧道1944處、總長330.44×104m［1］。據(jù)預(yù)測，在未來一段時間內(nèi)，我國的公路隧道將以每年300km隧道里程的速度增加［2］，僅陜西西 (安)漢 (中)高速公路隧道全年照明電費就接近2300萬元［3］。隧道照明的目標即在保證安全行駛和駕乘舒適的基礎(chǔ)上盡可能的節(jié)約能源，大量的隧道建設(shè)要求我們必須關(guān)注隧道內(nèi)的交通安全及能耗問題，國際上對于公路隧道照明設(shè)計的方法有很多，以可見度為基礎(chǔ)的設(shè)計方法是其中涉及較少而且較新穎的設(shè)計方法之一。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

可見度是人眼辨認物體存在或形狀的難易程度，它是人們觀察目標物清晰程度的視力主觀感覺的心理物理量，也稱為視度或能見度。在公路隧道照明中，為了駕駛員看清路面的目標物，僅有路面亮度是不充分的，而必須使目標物亮度和背景亮度的差別高于一個確定的最小值。因此，可見度常采用可見度水平表示，它表示了目標和背景的亮度差大于其閾限狀態(tài)時亮度差的倍數(shù)，其公式為:

式中，VL為可見度水平;ΔL為視看目標的亮度Lt與其背景的亮度Lb的差，即有ΔL=Lt－Lb;ΔL0為大小一定的目標剛剛可見時目標的閾限亮度Lt0與其背景亮度的差，即閾限亮度差為ΔL0=Lt0－Lb。

為了便于計算，目前國際上均采用小目標可見度 (STV)模型來確定道路照明的可見度水平。通過目標物的建立和一系列對道路照明環(huán)境的假設(shè)，將道路計算點的可見度水平進行加權(quán)平均便得到STV。而STV的值便可以較好地反映某條道路的可見度水平。

為了使道路照明達到安全、快速和舒適地運行的目的，美國國家標準機構(gòu)和北美照明工程學(xué)會在2000年公布了道路照明實施標準RP-8-00［3］，推薦了小目標物體可見度 (STV)標準，該標準是在干燥、筆直單向車道空曠道路的條件下，以識別時間為0.2 s、視角為7.45'、駕駛員年齡為60歲的不利條件下，駕駛員眼睛高度為1.45 m、觀察正前方83.07 m垂直放置于路面的、大小為0.18 m×0.18 m(汽車高速運行下碰到的不致傾覆的物體的最大尺寸)，其表面的光反射比為0.5的小目標漫反射板，分別計算出兩個燈桿之間均勻布置的兩排共20個點處小目標的可見度水平，最后再計算出可見度水平的加權(quán)平均值，于是就獲得了小目標物體可見度［4］。小目標可見度是對駕駛員的視覺可靠性起綜合影響作用的評價指標，因而與駕駛員實際運行情況更接近，所以這是一個提高機動交通道路安全和快速的新穎道路照明設(shè)計方法，它是保證駕駛員發(fā)現(xiàn)前方障礙物具有足夠的反應(yīng)時間，從而能采取措施，保證安全。因此，CIE(國際照明委員會)號召各國對機動交通道路照明可見度設(shè)計進行探索和試用。作為道路上密不可分的一部分——公路隧道，其照明同樣適用該類可見度設(shè)計方法。

中國建筑科學(xué)研究院建筑物理研究所張紹綱通過翻譯文章道路照明設(shè)計中的可見度因素，分析了道路照明可見度的影響因素，介紹了小物體可見度的計算方法及評價系統(tǒng)，并進一步提出了為制定道路照明可見度標準必須加強對光源有效光效及視覺科學(xué)的研究［4］。該文章引入了道路照明乃至公路隧道新穎的可見度研究方法，并且指出了研究方向即光源有效光效及視覺科學(xué)。對于以后的研究產(chǎn)生較大的指導(dǎo)意義。

重慶大學(xué)陳仲林分析了可見度的影響因素以及可見度設(shè)計的發(fā)展過程，指出了影響道路照明可見度水平的主要因素有目標物的亮度、緊鄰的背景亮度、鄰近環(huán)境的適應(yīng)水平和失能眩光;另外，目標物呈現(xiàn)的時間長短、觀察者年齡和負對比 (目標物亮度小于背景亮度)修正對可見度水平也有一定的影響。采用小目標可見度設(shè)計方法進行道路照明設(shè)計是直接的，也是有效的，并且它在節(jié)約能源和成本方面有很大的潛力，這為夜間交通安全和節(jié)約使用能源兩方面提供了一個新穎的設(shè)計思路。由于隧道照明和道路照明存在一定的區(qū)別，隧道是上部和左右兩側(cè)都封閉的空間，相對于道路照明，其隧道壁的反射光增量不容忽視;如果隧道出現(xiàn)大量交通流的情況，特別對于隧道的后半段，尾氣會對可見度產(chǎn)生很大的影響［5］。因此，隧道照明可見度的研究，必須考慮反射光增量和汽車尾氣的影響。

在隧道照明可見度理論的應(yīng)用方面，招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司的郭興隆等人對于該理論應(yīng)用于對比公路隧道兩種典型照明光源小目標識別實驗隧道試驗研究，得出如下的結(jié)論:通過對LED光源和HPS光源 (高壓鈉燈)STV(小目標可見度)的設(shè)計試驗，得出如下結(jié)論:如果要達到相同的STV，則LED的路面平均亮度要低于 HPS的路面平均亮度，即可以采用更小功率的LED光源進行照明，亦即采用LED光源照明更節(jié)能［6］。但是這里也同樣看到這樣的問題，限于試驗樣本有限，關(guān)于顯色性對照明視認能力的影響還有待于進一步研究。

重慶大學(xué)翁季對小目標可見度評價指標進行了詳細研究，建立了可見度水平中閾限亮度差的計算模型，通過計算機模擬不同適應(yīng)水平、不同視角的人眼視覺實驗，得到正對比條件下，不同識別幾率的亮度對比數(shù)據(jù)，并提出了識別幾率P=50%和P≈100%時的閾限亮度差的表達式，為研究中國人的視覺功效提供了一種新的方法;關(guān)于小目標可見度指標的計算方法，其提出了在道路照明計算中，在一定的遮光角下，各燈具對觀察者產(chǎn)生的等效光幕亮度的詳細計算式，并通過韋伯—費昔勒定律和論文閾限亮度的實驗結(jié)果，在識別時間為0.2 s、視角為7.45'、駕駛員年齡為60歲的標準條件下，建議了兩個簡化的閾限亮度差計算模型，并具有較高的精度［7］。翁季指出在計算目標亮度、路面亮度和光幕亮度時均應(yīng)考慮路燈的光折減系數(shù)和路面光反射的貢獻;為了保證安全的運行，在計算小目標可見度時應(yīng)首先對目標亮度和背景亮度等進行光源的有效性修正，并在觀察時間修正系數(shù)中增加光譜組成不同對反應(yīng)時間長短影響的修正。另外人們在小目標可見度研究中發(fā)現(xiàn)，并非提高路面平均亮度和均勻度就會降低事故率，如果路面亮度的均勻度較高反而會影響物體的顯現(xiàn)，而且會使燈具間距縮短，增加投資。最后，小目標可見度綜合的考慮了可見度的很多影響因素，因而會更接近人們真實的視覺條件，更能達到道路照明可持續(xù)發(fā)展要求［8］。但是，該階段的研究對象是針對于道路照明的，而對于公路隧道照明，鑒于其條件有所不同，一方面遮蔽性不同，另一方面內(nèi)部復(fù)雜性也不同，所以二者之間也是有所區(qū)別的，但是翁季的論文對于研究公路隧道照明具有較大的指導(dǎo)意義。

復(fù)旦大學(xué)陳文成等人通過建立適合于道路照明可見度研究的實驗裝置和按照不同變量如:背景照度、視標對比度、視標直徑、視標偏心角，顏色等編制出實驗?zāi)Ｐ停玫搅讼鄳?yīng)的數(shù)據(jù)，最終通過數(shù)值分析得出擬合曲線，指出了各種變量和可見度指標之間的顯著性水平，最終體現(xiàn)在反應(yīng)時間上，其主要研究重點放在反應(yīng)時間 (可見度指標)隨視標偏心角的變化上，指出了2°視角下的明視覺函數(shù)跟10°視角下的明視覺函數(shù)相差不大，但是考慮了30°和60°則相差顯著［9］。該方法對于研究公路隧道照明可見度水平具有非常高的指導(dǎo)意義。

重慶大學(xué)張晟鵬以道路照明小目標可見度為研究對象，通過人眼閾限亮度對比實驗，發(fā)現(xiàn)在相同條件下 (相同的背景亮度和視角)，亮度對比C隨識別幾率的增加而增加;隨視角的增加而減小;隨背景亮度的增加而減小。在相同條件下 (相同的背景亮度和視角)，負對比的亮度對比C明顯小于正對比，說明人眼在亮背景上看暗物體的能力比在暗背景上看亮物體的能力要強;利用小目標可見度計算程序，對在雙側(cè)對稱布燈方式下，4種不同的路面類型以及表面反射系數(shù)為20%的目標物的道路照明可見度狀況進行了分析，得到了對于反射系數(shù)為20%的目標物，就提供可見度水平來說的話，R1和R4類型的路面是最好的路面。研究了不同的道路照明光源在3種不同的照明布置方式下的可見度水平，總結(jié)出燈具類型和亮度均勻度影響可見度水平［10］。該方法同樣適用于公路隧道可見度水平研究。

同濟大學(xué)蔣宏等人在研究了道路照明可見度課題之后從另一個角度指出:道路照明可見度設(shè)計方法及交通反光標識對視線的誘導(dǎo)還要進一步研究，駕駛員也應(yīng)該了解暗視場下自身視覺特性的變化規(guī)律［11］。其研究從該方面對于可見度研究提出了進一步的要求。

2 國外的研究現(xiàn)狀

Davide Manca提出了一種在隧道中基于分析層級程序的定量評估準備和反應(yīng)時間的方法。文章從很多方面出發(fā)考慮了在公路隧道中一旦遇到事故時的應(yīng)急反應(yīng)的有效性。由于涉及的因素眾多，所以引入了分析層級程序來分析和定量評價那些從各個方面來的原來不好定量的和源于個體的和分散的領(lǐng)域的因素。文章確定了有必要采用分層結(jié)構(gòu)去衡量公路隧道事故應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)的指標和評價它們之間重要性的權(quán)重。Davide Manca所提出的分析層級程序?qū)ξ覀兊难芯坑泻艽蟮膯⑹疽饬x［12］。對于道路和隧道可見度的探討，Raouf Babari等人提出了采用傳統(tǒng)的道路攝像頭來進行可見度監(jiān)控，在使用道路攝像頭的過程中，引入了朗伯定律并考慮了亮度變化。然后對測得的數(shù)據(jù)進行非線性回歸。通過技術(shù)研究，對于天空亮度在10～8000cd/m2和可見度距離最大15公里的情況下，白天拍得的數(shù)據(jù)的空氣可見度評估會有30%的出錯率。研究的結(jié)果可以有助于為了道路安全增設(shè)更加有效地設(shè)備［13］。Panos Konstantopoulos在文章中采用了一種新的研究思路，他采用了駕駛模擬器來觀察人的眼球的運動，和我們現(xiàn)在研究中所采用的眼動儀在很多地方有異曲同工之處，論述了在公路安全駕駛中駕駛經(jīng)驗和可見度之間的關(guān)系［14］。Miomir Kostic提出在隧道照明中金鹵燈在技術(shù)性和經(jīng)濟性方面在很多地方比高壓鈉燈更好［15］。Chao Yang在確定隧道亮度過程中引入了模糊控制理論，根據(jù)洞外和入口段的亮度決定了內(nèi)部亮度，在此過程中引入了模糊控制理論，在此理論的支持下，節(jié)能率可以增加50%，值得我們?nèi)W(xué)習(xí)和借鑒［16］。

3 目前研究中存在的問題

目前在公路隧道照明中以可見度為基礎(chǔ)的設(shè)計方法研究中存在著如下幾個問題:

(1)國內(nèi)關(guān)注的重心仍然較多放在公路照明上，而且已經(jīng)得出相當(dāng)數(shù)量有效的成果。而對公路隧道照明的關(guān)注度還是比較小;

(2)國內(nèi)研究公路隧道照明以可見度為基礎(chǔ)的設(shè)計方法研究主要集中在少數(shù)的單位，大部分地區(qū)和機構(gòu)對于該問題的關(guān)注度還不是很高，可見度的設(shè)計方法雖然操作起來沒有K值法等原有的方法那么方便，但是該方法考慮的因素更加全面合理，因此，對于可見度設(shè)計方法的研究應(yīng)該得到進一步的重視;

(3)我國對于隧道照明的研究的重點較多的放在了如暗適應(yīng)曲線，反應(yīng)時間，適應(yīng)時間，察覺對比法等內(nèi)容上，缺少對于小目標可見度的研究力度;

(4)國外的利用監(jiān)控探頭的方法和基于分析層級程序的研究方法跟我國的一些實際情況還是存在差距的，有些方式并不適用于我國現(xiàn)在的國情;

(5)以可見度為基礎(chǔ)的公路隧道照明設(shè)計方法確實涉及的因素太多以至于較難于定量研究，所以需要利用各種數(shù)值分析的方法對各種量進行分析和整合工作。

4 初步解決途徑

(1)積極整合影響公路隧道照明設(shè)計方法的各種因素，采用以可見度為基礎(chǔ)的設(shè)計方法，借鑒前面研究人員的研究成果，尤其是現(xiàn)有國內(nèi)相關(guān)科研院校和研究所的科學(xué)研究成果;

(2)積極借鑒國際上現(xiàn)行標準 (如:CIE88—2004等)，并進行適應(yīng)我國條件的因地適宜性改造，對我國公路隧道照明設(shè)計中與小目標可見度研究相關(guān)的的諸多參數(shù)進行修訂和深入研究;

(3)積極尋求創(chuàng)新，找出前面研究者的優(yōu)秀成果以及研究中存在的問題，積極尋求多專業(yè)的結(jié)合，尋求多學(xué)科的碰撞和融合。隧道照明的研究不僅需要建筑技術(shù)科學(xué) (尤其是建筑光學(xué))、建筑學(xué)、物理實驗等方面的人才，為了研究的順利進行，我們還需要生物 (研究光對于生物的影響)、計算機(涉及軟件的編程工作)、數(shù)學(xué) (涉及理論推導(dǎo)工作)、智能控制 (涉及LED智能控制)等多方面的人才。只有專業(yè)之間的碰撞和交流，才能更好的為該課題的發(fā)展服務(wù)。如:由于小目標可見度數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，而且為了使小目標可見度和路面平均亮度達到道路照明設(shè)計標準中小目標可見度的推薦值要求情況、燈具的布置方式、光源功率等一項或幾項進行反復(fù)調(diào)整，重復(fù)計算，這會導(dǎo)致計算工作量很大，所以均應(yīng)采用程序計算。因而計算機水平也決定了研究的深入程度。

5 結(jié)論

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，隧道照明的安全性、舒適性和節(jié)能性的問題顯得越發(fā)突出，對于該類課題的研究也越來越重要。本文通過對以可見度為基礎(chǔ)的公路隧道照明設(shè)計方法的前沿探索和學(xué)習(xí)，明確了現(xiàn)在研究重點、研究思路和基本研究方法，同時也看到了和國外相關(guān)機構(gòu)研究成果的差距。通過借鑒國外的研究方法和先進的實驗儀器及試驗方法，結(jié)合我國研究現(xiàn)狀和實際國情，相信能夠在基于可見度為基礎(chǔ)的公路隧道照明研究中取得更加卓有成效的成績。希望能夠借此拋磚引玉，對于道路照明的發(fā)展能夠起到一定的指導(dǎo)作用。

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