基于光线跟踪的公路隧道节能技术研究 - 副本

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。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dA，其光强为dI，其计算公式为

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：式中，U0为路面亮度总平均度；Lmin为计算区域内路面最小亮度；Lav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：式中，U1为车道中心亮度纵向均匀度；L′min为车道中线最小亮度；𝐿′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：

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：式中，𝐸为路面上P点的照度，lx；𝐼(𝐶,𝛾)为水平方向上的光强，cd/klm；𝜑为灯具的光通量，klm；MF为灯具的光通量维持系数；H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：式中，𝐸0为路面照度总平均度；𝐸min为计算区域内路面最小照度；𝐸av为计算区域内路面平均照度。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公路隧道模型图3公路隧道模型光环境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图5两侧交错布设灯具平面图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的路面亮度值图6配光曲线1的路面亮度值由表1和图6可知，采用配光曲线1灯具布设位置在2m时，左侧车道亮度最大，为3.84cd/m2。灯具布设位置在4.5m时，左侧车道亮度最小，为3.14cd/m2，与最大值相比亮度下降18.2%。灯具布设位置在4.5m时，中间车道亮度最大，为7.21cd/m2。灯具布设位置在0m时中间车道亮度最小，为0.91cd/m2，与最大值相比亮度下降87.4%。灯具布设位置在2m时右侧车道亮度最大，为3.84cd/m2。灯具布设位置在4.5m时，右侧车道亮度最小，为3.14cd/m2，与最大值相比亮度下降18.2%。灯具布设位置在4.5m时，所有车道亮度最大，为4.36cd/m2。灯具布设位置在0m时所有车道亮度最小，为2.54cd/m2，与最大值相比亮度下降41.7%。综合各方面的情况，灯具布设位置在2.0～3.0m时照明整体效果较好。（2）配光曲线2对路面亮度的影响模拟配光曲线2灯具布设对路面的亮度值，结果如表2及图7所示。表2配光曲线2的路面亮度值图7配光曲线2的路面亮度值由表2和图7可知，采用配光曲线2，灯具布设位置在2m时，左侧车道亮度最大，为3.15cd/m2。灯具布设位置在0m时，左侧车道亮度最小，为2.47cd/m2，与最大值相比亮度下降21.6%。灯具布设间距在4.5m时，中间车道亮度最大，为5.56cd/m2。灯具布设位置在0m时中间车道亮度最小，为0.98cd/m2，与最大值相比亮度下降82.4%。灯具布设间距在2m时右侧车道亮度最大，为3.84cd/m2。灯具布设位置在0m时，右侧车道亮度最小，为2.47cd/m2，与最大值相比亮度下降21.6%。灯具布设间距在4.5m时，所有车道亮度最大，为3.5cd/m2。灯具布设位置在0m时所有车道亮度最小，为2.03cd/m2，与最大值相比亮度下降42%。综合各方面的情况，灯具布设位置在2.0～3.0m时照明整体效果较好。（3）配光曲线3对路面亮度的影响模拟配光曲线3灯具布设对路面的亮度值，结果如表3及图8所示。表3配光曲线3的路面亮度值图8配光曲线3的路面亮度值由表3和图8可知，采用配光曲线3时灯具布设位置在2.5m时，左侧车道亮度最大，为3.39cd/m2。灯具布设位置在0m时，左侧车道亮度最小，为2.78cd/m2，与最大值相比，亮度下降17.99%。灯具布设位置在4.5m时，中间车道亮度最大，为5.92cd/m2。灯具布设位置在0m时中间车道亮度最小，为1.82cd/m2，与最大值相比亮度下降69.26%。灯具布设位置在2.5m时右侧车道亮度最大，为3.53cd/m2。灯具布设位置在0m时，右侧车道亮度最小，为2.9cd/m2，与最大值相比亮度下降17.85%。灯具布设位置在4.5m时，所有车道亮度最大，为3.93cd/m2。灯具布设位置在0m时所有车道亮度最小，为2.54cd/m2，与最大值相比亮度下降35.37%。综合各方面的情况，灯具布设位置在1.5～2.5m时照明整体效果较好。（4）三种灯具布设对路面亮度的影响对比三种灯具布设对路面亮度的影响如图9所示。图9灯具布设位置不同时的路面亮度布设比较由图9可知，采用配光曲线1灯具布设位置在2.0m时，左侧车道平均亮度最大，为3.84cd/m2。采用配光曲线3灯具布设位置在0m时，左侧车道平均亮度最小，为2.47cd/m2，与最大值相比平均亮度下降35.68%。采用配光曲线1灯具布设间距在4.5m时，中间车道亮度最大，为7.21cd/m2。采用配光曲线1灯具布设位置在0m时中间车道亮度最小，为0.91cd/m2，与最大值相比亮度下降87.38%。采用配光曲线2灯具布设间距在2.0m时右侧车道亮度最大，为3.84cd/m2。采用配光曲线2灯具布设位置在0m时，右侧车道亮度最小，为2.47cd/m2，与最大值相比亮度下降35.68%。采用配光曲线3灯具布设间距在4.5m时，所有车道亮度最大，为4.36cd/m2。采用配光曲线3灯具布设位置在0m时所有车道亮度最小，为2.03cd/m2，与最大值相比亮度下降53.44%。综合各方面的情况，采用配光曲线1、2、3灯具布设位置在2.5m时照明整体效果较好。3.3灯具布设对路面照度的研究（1）配光曲线1对路面照度的影响建立公路隧道模型，基于光线追踪的原理，模拟配光曲线1灯具布设对路面的平均照度值，结果如表4及图10所示。表4

配光曲线1的路面平均照度值图10

配光曲线1的路面平均照度值由表4和图10可知，采用配光曲线1时灯具布设位置在1.0m、2.0m时，左侧车道平均照度最大，为60lx。灯具布设位置在0m时，左侧车道平均照度最小，为56lx，与最大值相比平均照度下降6.67%。灯具布设间距在4.5m时，中间车道平均照度最大，为119lx。灯具布设位置在0m时中间车道平均照度最小，为21lx，与最大值相比平均照度下降82.35%。灯具布设间距在1.0m、2.0m时右侧车道平均照度最大，为60lx。灯具布设位置在0m时，右侧车道平均照度最小，为56lx，与最大值相比平均照度下降6.67%。灯具横向间距在4.5m时，所有车道平均照度最大，为78lx；灯具布设位置在0m时所有车道平均照度最小，为451x，与最大值相比平均照度下降42.31%。综合各方面的情况，采用配光曲线1灯具布设位置在1.5～2.5m时照明整体效果较好。（2）配光曲线2对路面照度的影响模拟配光曲线2灯具布设对路面的平均照度值，结果如表5及图11所示。表5配光曲线2的路面平均照度值图11配光曲线2的路面平均照度值由表5和图11可知，采用配光曲线2时灯具布设位置在1.5m、2.0m、2.5m时，车道平均照度最大，为58lx。灯具布设位置在0m时，左侧车道平均照度最小，为50lx，与最大值相比平均照度下降13.79%。灯具布设间距在4.5m时，中间车道平均照度最大，为106lx。灯具布设位置在0m时中间车道平均照度最小，为24lx，与最大值相比平均照度下降77.36%。灯具布设间距在1.5m、2.0m、2.5m时右侧车道平均照度最大，为58lx。灯具布设位置在0m时，右侧车道平均照度最小，为50lx，与最大值相比平均照度下降13.79%。灯具布设间距在4.5m时，所有车道平均照度最大，为72lx。灯具横向位置在0m时所有车道平均照度最小，为41lx，最大值相比平均照度下降56.94%。综合各方面的情况，采用配光曲线2灯具布设位置在1.5～2.5m时照明整体效果较好。（3）配光曲线3对路面照度的影响模拟配光曲线3灯具布设对路面的平均照度值，结果如表6及图12所示。表6配光曲线3的路面平均照度值图12配光曲线3的路面平均照度值由表6和图12可知，采用配光曲线3灯具布设位置在4.0m、4.5m时，左侧车道平均照度最大，为60lx。灯具布设位置在0m时，左侧车道平均照度最小，为48lx，与最大值相比平均照度下降20%。灯具布设间距在4.5m时，中间车道平均照度最大，为951x。灯具布设位置在0m时中间车道平均照度最小，为40lx，与最大值相比平均照度下降57.89%。灯具布设间距在4.0m、4.5m时右侧车道平均照度最大，为60lx。灯具布设位置在0m时，右侧车道平均照度最小，为48lx，与最大值相比平均照度下降20%。灯具布设间距在4.5m时，所有车道平均照度最大，为72lx。灯具布设位置在0m时所有车道平均照度最小，为45lx，与最大值相比平均照度下降37.5%。综合各方面的情况，采用配光曲线3灯具布设位置在0.5～2.0m时照明整体效果较好。（4）三种灯具布设对路面照度的影响对比三种灯具布设对路面照度的影响如图13所示。图13灯具布设位置不同时的路面平均照度布设比较由图13可知，采用配光曲线1灯具布设位置在1.5m时，左侧车道平均照度最大，为61lx。采用配光曲线3灯具布设位置在0m时，左侧车道平均照度最小，为48lx，与最大值相比平均照度下降21.31%。采用配光曲线1灯具布设间距在4.5m时，中间车道平均照度最大，为119lx。采用配光曲线1灯具布设位置在0m时中间车道平均照度最小，为21lx，与最大值相比平均照度下降82.35%。采