(1.福州外語外貿學院 理工學院，福建 福州350202；2.福建省交通規(guī)劃設計院有限公司，福建 福州 350004)

近年來，道路隧道中的“節(jié)能與安全”這對矛盾體日益受到業(yè)界人士的關注，既有隧道的照明設計往往只考慮照明指標是否滿足規(guī)范要求，而忽視了燈具的最大光效，導致照明成本居高不下。據統(tǒng)計，我國每年公路隧道耗電量約350億度，電費超過300億元[1-3]，如此高額的照明成本，不符合我國貫徹落實節(jié)能減排的發(fā)展理念。在滿足照明質量的要求上合理布置隧道照明燈具是降低能源消耗的有效手段，目前我國隧道照明設計規(guī)范規(guī)定了4種燈具布置形式，分別是中線、中線偏側、兩側交錯和兩側對稱布置燈具[4]，但是未對相關的參數做出具體要求。

在隧道燈具參數的優(yōu)化設計研究上，Pachamanov A等[5]利用線形優(yōu)化方法提高了路面光分布均勻性，并使照明系統(tǒng)更節(jié)能。李然等[6]利用DIAlux模擬隧道中間段燈具安裝高度和安裝角度的多種組合，得到燈具的最佳安裝位置，對提高高速公路隧道節(jié)能水平具有一定借鑒意義。黃艷國等[7]以照明燈具總功率最小為評價標準，建立隧道中間段燈具中線偏側布燈方式的優(yōu)化模型，利用遺傳蟻群算法求解該模型，并對燈距橫向角度、縱向角度、中線偏側值、燈具間距和高度等相關參數給出建議值。范士娟等[8]利用DIAlux分別模擬了隧道對稱布燈、交錯布燈和中間布燈下LED燈的路面照明質量，結果表明，中間布燈的照明效果最好，可以使用較小功率的燈具達到節(jié)能的目的。Parise G等[9]考慮交通量、氣候條件、路面干濕類型及停車距離等因素設計了一種照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據外界條件輸入信號來控制隧道內光通量，可以避免過度亮度并降低成本，但是并未考慮照明燈具的布置參數。吳紹明等[10]對三車道公路隧道的燈具布置形式、照射角進行模擬，根據路面照度、亮度、亮度均勻度評價布燈效果，認為交錯布燈、發(fā)光軸線與豎直面夾角為15°時照明效果最好。

通過相關文獻的調研，發(fā)現當前對燈具的布設主要涉及到布置形式、高度、安裝角度等，這些因素的考慮都是獨立進行的。然而，照明指標尤其是照度均勻性這一指標很大程度上取決于距高比。距高比是室內照明燈具的一個基礎性光度學參數，是指相鄰燈具間的最大安裝距離與燈具的安裝高度之比[11]，在室內照明設計中，GB/T 29294—2012《LED筒燈性能要求》對該參數做了相關的規(guī)定，但是距高比對隧道照明質量的影響缺乏理論研究。因此，本研究以道其龍隧道為對象，利用DIAlux模擬該隧道中間段對稱布燈下不同燈距距高比、安裝角度對照明質量的影響，揭示隧道照明指標隨典型布燈參數的變化規(guī)律，以期為隧道照明節(jié)能提供新視野。

1 隧道照明模擬概述

本研究以包茂高速桂林陽朔段道其龍隧道為模擬對象，該隧道為單向行駛雙車道分離式隧道，其中隧道左行線長510 m(PK81+820～PK82+330)，右行線長532 m(QK81+820～QK82+352)。隧道采用單心圓曲墻式斷面，半徑R= 5.60 m，設計速度為100 km/h，隧道建筑限界凈寬為10.50 m(0.75+1.0+2×3.75+0.5+0.75=10.50 m)，凈高為5 m。隧道內路面采用水泥混凝土路面，洞內進行裝飾設計，在墻腳部用瓷磚貼面，其余部分噴涂隧道專用防火涂料。隧道燈具布設形式為兩側對稱布置，采用70 W的LED光源，具體斷面如圖1所示。由于道其龍隧道斷面尺寸和材質能夠代表國內大多數隧道，而隧道中間段的照明受外界自然光干擾小，因此以該隧道中間段為對象開展研究代表性較強。

路面照明質量可用路面平均照度、路面照度總均勻度、路面中線照度縱向均勻度來評定，本研究以燈具距高比、燈具安裝角度為典型參數，利用DIALux模擬多種不同距高比和角度的組合設計，分析照明數據來評定照明質量，在設置距高比和安裝角度時，充分考慮燈具在隧道中可行的安裝參數?；诖耍M道其龍隧道選定的距高比分別為1.5、2.0、2.5，安裝角度分別為10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°，通過距高比和安裝角度的組合設計來分析該類關鍵參數對照明質量的影響。

圖1 道其龍隧道斷面圖(單位：厘米)Fig.1 Daoqilong tunnel section(unit: cm)

2 道路長隧道照明環(huán)境仿真模擬

在DIALux中選擇街道設計案，建立道其龍隧道路面的橫斷面模型，在外部場景中插入街道，生成戶外模型加街道模型，在“對象”標簽上通過一個立方體和多個水平圓柱體元件添加地面組件，利用布爾運算切出橫斷面如圖1所示的隧道模型。由于隧道內光線會通過路面及內壁產生各種不規(guī)則的漫反射，路面最終的照度是照明燈具的直射光和隧道內壁反射光共同產生的，因此需要對建好的隧道路面、側壁、拱頂表面賦予DIALux中已有的材質。設置路面反射率為30%，墻腳瓷磚貼面處反射率為75%，拱頂反射率為20%，從而建立盡可能接近真實隧道的空間場景[4,8,12-13]。為了提高隧道中間段仿真數據的真實性，本研究道路計算面長取100 m，寬7 m，并位于模型隧道中間處，由于中間段照明環(huán)境屬于中間視覺狀態(tài)，故選用70 W的LED燈具，導入DIALux軟件并使之呈兩側對稱布置形式。

分別在距高比為1.5、2.0、2.5下對10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°這14種不同的安裝角度進行照明模擬試驗，其中距高比為1.5工況下共計模擬6/4(縱向間距/安裝高度，單位：m。下同)、6.75/4.5、7.5/5、8.25/5.5、9/6這5組參數；距高比為2.0工況下分別模擬8/4、9/4.5、10/5、11/5.5、12/6這5組參數；距高比為2.5工況下分別模擬10/4、11.25/4.5、12.5/5、13.75/5.5、15/6這5組參數。軟件將計算出共計14×5×3=210種工況下的路面平均照度、路面照度總均勻度、路面中線照度縱向均勻度，不同工況對應的參數不盡相同，產生的路面照明指標也將不盡相同。通過對210種工況仿真模擬，輸出路面平均照度、路面照度總均勻度、路面中線照度縱向均勻度，并分別建立其與安裝角度的曲線關系圖。

3 結果分析

3.1 路面平均照度

路面平均照度是在路面上預先設定的點上測得的各點照度平均值，該指標是道路照明設計的關鍵參數，直接影響著駕駛員的可視度。本文選取的道路計算面長度100 m，寬度7 m，覆蓋了足夠數量的點，不同距高比下的路面平均照度(Eav)隨燈具安裝角度(α)的曲線圖如圖2所示。

圖2 不同距高比下路面平均照度隨燈具安裝角度的曲線圖Fig.2 Graphs of average road surface illuminance with installation angle of lamps under different spacing-to-mounting-height ratios

從圖2可見，同一安裝角度下，距高比越小，路面平均照度越大，但前提是距高比較小者的縱向間距小于距高比較大者的縱向間距，如距高比為9/6時的平均照度整體上小于距高比為8/4時的平均照度。通過該規(guī)律，說明路面平均照度與燈具縱向間距負相關、與燈具安裝高度正相關。間距越小，安裝的燈具越多，輸出的光通量也就越大；高度越大，雖然距離路面遠，賦予路面的光通量越小，但是覆蓋面將會變大，各測點被分配的光通量反而增多，這說明在同等間距下，燈具安裝高度并非越小越好，而是要保證一個適宜的高度，以確保光通量損失不致過大，同時也要保證一定的分配度。

比較圖2的15條曲線可知，路面平均照度隨燈具安裝角度的增大均呈現出先增大后減小的變化規(guī)律，且在35°～40°時平均照度達到最大值，但是平均照度的變化速率存在顯著差異，當安裝角度小于60°時，曲線較為平緩，而當安裝角度大于60°時，平均照度降低得愈加顯著。此外，對于同一距高比，5條曲線從上往下平均照度達到峰值時對應的安裝角度越來越小，安裝高度越小時，平均照度對大角度的燈具偏移角越不敏感，隨著高度的增加，當安裝角度達到60°時，路面平均照度急劇減小，這與參考文獻6所得結果是一致的。

3.2 路面照度總均勻度

保證路面照度均勻度是為了給機動車駕駛員提供良好的視功能和視舒性，若均勻度不佳，駕駛員在行進過程中會經歷明暗變化帶來的斑馬效應和閃爍效應，使視力工作發(fā)生困難而導致視覺疲勞，因此該指標亦是路面照明質量的關鍵參數。照度均勻度包括路面照度總均勻度(Eou)和路面中線照度縱向均勻度(Elu)。

路面照度總均勻度是道路計算面上最小照度與平均照度的比值，通過圖3可知，同一安裝角度下，路面照度總均勻度與距高比負相關，距高比越小，意味著縱向間距小而安裝高度大，則光照分布越均勻，因此均勻度高?？v觀圖3中的15條曲線，隨著安裝角度的增大，照度總均勻度大體上呈現出先緩慢增大后急劇減小的變化規(guī)律，通常在40°～50°時達到峰值。但是對于同一距高比，達到峰值時對應的角度略有差異，主要受到燈具縱向間距和安裝高度的影響，縱向間距和安裝高度越小，照度總均勻度達到峰值時對應的角度就越大，反之則越小。此外，當角度增大到某一數值時，照度總均勻度驟然下降，驟降時對應的安裝角度隨燈具縱向間距和高度的增大而減小，例如距高比為6/4時照度總均勻度驟降時安裝角度為70°，而距高比為9/6時則為50°。

圖3 不同距高比下路面照度總均勻度隨燈具安裝角度的曲線圖Fig.3 Graphs of overall uniformity of illuminance with installation angle of lamps under different spacing-to-mounting-height ratios

距高比相同時，不同的安裝間距和高度對照度總均勻度影響較大，當距高比為1.5且燈具安裝角度小于45°時，照度總均勻度隨安裝間距和高度的增大先增大后減小，但是當燈具安裝角度大于45°時，照度總均勻度隨安裝間距和高度的增大而減?。欢斁喔弑葹?.0時，臨界角變?yōu)?5°；距高比為2.5時，照度總均勻度隨安裝間距和高度的增大而減小。說明當距高比和安裝角度較小時，照度總均勻度對燈具安裝高度更為敏感，而隨著距高比和安裝角度的增大，照度總均勻度趨于對燈具縱向安裝間距更為敏感。

3.3 路面中線照度縱向均勻度

路面中線照度縱向均勻度是路面中線上的最小照度與最大照度的比值，對比圖4中各條曲線可得，對于同一安裝角度，圖4(a)顯示的路面中線照度縱向均勻度大于圖4(b)，圖4(b)顯示的路面中線照度縱向均勻度大于圖4(c)，說明同等條件下，路面中線照度縱向均勻度與距高比負相關，距高比越小，意味著縱向間距小而安裝高度大，則光照分布越均勻，因此均勻度高?？v觀圖4中的15條曲線，隨著安裝角度的增大，路面中線照度縱向均勻度具有先增大后減小的變化規(guī)律，且在45°～50°達到峰值，而安裝高度為6 m的燈具不具備該規(guī)律，而是隨角度增大呈單調遞減的變化規(guī)律。此外，當角度增大到某一數值時，路面中線照度縱向均勻度驟然下降，驟降時對應的安裝角度隨燈具縱向間距和高度的增大而減小，例如距高比為6/4驟降時對應的安裝角度為70°，而距高比為9/6時則為50°。

4 結論

1)路面平均照度與燈具縱向間距負相關、與燈具安裝高度正相關，在一定范圍內，該指標隨著距高比的減小而增大，因此，小距高比的燈具布設有利于提高路面平均照度。路面平均照度隨燈具安裝角度的增大均呈現出先增大后減小的變化規(guī)律，且在35°～40°時平均照度達到最大值。

2)一定范圍內，路面照度總均勻度與距高比負相關。而隨著安裝角度的增大，照度總均勻度大體上呈現出先緩慢增大后急劇減小的變化規(guī)律，通常在40°～50°時達到峰值，開始急劇減小時對應的臨界角卻不盡相同，若燈具縱向間距和高度越大，則該角度越小。

圖4 不同距高比下路面中線照度縱向均勻度隨燈具安裝角度的曲線圖Fig.4 Graphs of longitudinal uniformity of road surface illuminance with installation angle of lamps under different spacing-to-mounting-height ratios

3)同等條件下，路面中線照度縱向均勻度與距高比負相關。一定范圍內，隨著安裝角度的增大，路面中線照度縱向均勻度呈現出先增大后減小的變化規(guī)律，且在45°～50°達到峰值。