公路隧道洞外适应亮度的确定方法.doc

公路隧道洞外适应亮度的确定方法胡英奎 陈仲林 张青文 翁季（重庆大学 建筑城规学院 重庆 400045）摘 要：在分析驾驶员在隧道洞外适应亮度内涵的基础上，介绍了隧道洞外亮度L20的3种确定方法：查表法、环境简图法、黑度法，及等效光幕亮度Lseq的确定方法，并对比分析用L20和Lseq表达隧道洞外亮度的合理性，提出用等效光幕亮度Lseq表达驾驶员驾车接近隧道时的适应亮度更为合理。考虑CIE推荐的计算Lseq的各环边界视角为近似值，提出用各环边界视角想精确值计算等效光幕亮度Lseq能进一步提高计算精度。关键词：隧道照明 适应亮度 洞外亮度 等效光幕亮度驾驶员在隧道洞外的适应亮度是指驾驶员驾车接近隧道过程中所感受到并已适应的环境亮度。驾驶员的适应亮度在接近隧道过程中不断变化，一般取距隧道一个停车视距处的适应亮度作为隧道照明设计的基础，并称之为隧道洞外亮度。洞外亮度的取值直接影响隧道入口段亮度的设计值，进而影响过渡段等后续照明段的亮度设计值。隧道洞外亮度的合理取值对工程投资和运营过程中的能耗影响很大。日本东京湾海底隧道曾在设计中做过详细比较，在其他条件（包括设计车速等）相同的情况下，如果洞外亮度分别设定为4000 cd/m2与6000 cd/m2，则设备费相差34%，年耗电量（kWh）相差达30%1。因此，合理确定隧道洞外亮度是科学确定隧道入口段亮度的前提条件，且对在保证交通安全的前提下实现隧道照明节能有着重要意义。国际上现行的隧道照明设计规范多用驾驶员20视场中的平均亮度L20或等效光幕亮度Lseq表达洞外亮度。L20是指在接近段起点处、据地面1.5 m高、正对洞口方向20视场实测得到的平均亮度；等效光幕亮度Lseq是考虑驾驶员开车时眩光源的光入射到驾驶员的眼中发生散射而产生的光幕亮度，是考虑瞬时适应和大气、汽车挡风玻璃等透光介质中的光学散射等的影响，在驾驶员视网膜上产生的光幕亮度。本文将对比分析用L20和Lseq表达隧道洞外亮度的确定方法及其合理性。1 洞外亮度L20Schreuder在1962年进行的实验室实验中试图用L20代表驾驶员驾车接近隧道时的适应亮度。CIE在1973年发布的26号出版物中建议，在3个不同位置测量驾驶员20视场内的平均亮度，然后分别乘以不同的权重系数再取平均值作为驾驶员的适应亮度2。在后来的实际测量中，CIE建议的方法被简化为在隧道洞外距隧道洞口一个停车视距处测量驾驶员20视场内的平均亮度作为适应亮度。这就是用L20表达洞外亮度的由来。驾驶员驾车接近隧道时的适应亮度受两个因素的影响：隧道洞口周围不同亮度的景物产生的等效光幕亮度Lseq和驾驶员视野中心区域（如前方道路和隧道入口本身）的亮度，且等效光幕亮度Lseq被认为是影响驾驶员适应亮度的主要因素。但在工程实践中，等效光幕亮度Lseq常常难以确定，特别是在隧道的设计阶段3。洞外亮度L20的计算则相对容易些，而且能在一定程度上保证精度，因此，CIE 881990推荐用L20近似表达驾驶员的适应亮度。对于确定的隧道而言，洞外亮度L20受地理位置、季节、天气等因素的影响，因此无法实际测量得到。CIE 881990给出了查表法和环境简图法2种在隧道照明设计中快速确定L20的方法，我国隧道照明设计规范JTJ 026.11999除了这2种方法外还推荐了黑度法。1.1 用查表法确定L20查表法是指根据驾驶员20视野中天空所占百分比、洞口朝向、环境明暗情况、设计行车速度等因素，查表确定L20。CIE 881990给出的确定洞外亮度的表格见表1。表1 L20的取值 cd/m2天空所占百分比/%3525环境明暗情况常规雪地常规雪地暗环境亮环境暗环境亮环境暗环境亮环境暗环境亮环境60m停车视距4000500040005000100160m停车视距40006000400060004000600040006000天空所占百分比/%100环境明暗情况常规雪地常规雪地暗环境亮环境暗环境亮环境暗环境亮环境暗环境亮环境60m停车视距25003500300035001500300015004000100160m停车视距30004500300050002500500025005000注： 主要受隧道入口朝向的影响。暗环境在北半球指南向隧道入口（即驾驶员向北行驶进入隧道）；亮环境在北半球指北向隧道入口（即驾驶员向南行驶进入隧道）；对于东向或西向隧道入口，取暗环境和亮环境对应的中间值。 主要受周围景物亮度的影响。暗环境指周围景物为低反射比的隧道入口；亮环境指周围景物为高反射比的隧道入口。 主要受隧道入口朝向的影响。暗环境在北半球指北向隧道入口（即驾驶员向南行驶进入隧道）；亮环境在北半球指南向隧道入口（即驾驶员向北行驶进入隧道）；对于东向或西向隧道入口，取暗环境和亮环境对应的中间值。 停车视距为60 m时，实际不会遇到天空百分比为35%的情况。该方法使用简单，适用于在设计阶段无实测数据可以利用的情况，仅需要隧道洞口的几个基本参数，就可以通过查表快速得到洞外亮度的参考值，因而在一定时期内得到广泛应用。我国现行隧道照明设计规范1也推荐了该方法，并根据我国的实际情况，参考其他国家和地区的相关规范给出了类似于表1的表格。但该方法仅简单的考虑了隧道的几个基本参数对洞外亮度的影响，而洞外亮度L20受地理位置、季节、天气以及洞口形式、洞外植被种类等众多因素的影响，且不同地点的天空亮度差别很大，洞外不同景物的反射率差别也很大。显然，用该方法仅能得到近似的设计参考值，有时用该方法得到的洞外亮度值甚至可能与实际洞外亮度值相差较大。1.2用环境简图法确定L20环境简图法是根据20视场内天空、路面等各种景物的亮度及它们在20视场内所占的面积百分比用式（1）计算得到L20：（1）式中：为天空所占百分比；为天空亮度；为道路所占百分比；为路面亮度；为景物所占百分比；为景物亮度；为隧道入口所占百分比；为隧道入口段亮度；。值得注意的是，式（1）中的隧道入口段亮度是需要根据洞外亮度L20确定的，即在计算确定L20时，还是一个未知数。但对于停车距离大于100 m的情况，的值非常小（小于10%），且相对于其他亮度值而言，也很小，因此用该方法计算L20时可以忽略项；对于停车视觉为60 m的情况，式（1）可以改写为式（2）：（2）由于k的取值非常小，各设计行车速度下都不超过0.1，因此项可以忽略不计，这样式（2）就变成了式（3）：（3）式中：。用该方法计算洞外亮度L20所必需的、可以用环境简图确定。环境简图的获得比较简单，只需在接近段的起点距地面1.5 m高度处安装相机，正对洞口中心并以洞口中心距地面1/4洞高处作为拍照瞄准点拍摄照片，从照片中可以很容易的读出各种景物在20视场中所占的百分比。如果用数码相机拍照，并将所拍数码照片导入计算机，利用图像处理软件可以更方便地读取各种景物在20视场中所占的百分比。从式（1）可以看出，用该方法计算洞外亮度L20，除了参数、外，还需要天空亮度、路面亮度、景物亮度，如果设计时没有隧道所在地的这些亮度参考值，可以参考CIE 881990给出的参考值，见表2。表2.2 参考景物亮度值行车方向（北半球）LC/(kcdm-2)LR/(kcdm-2)LE/(kcdm-2)岩石建筑雪植被北向833815（V）15（H）2东-西向1242610（V）15（H）2南向16514 5（V）15（H）2注：（V）表示主要为陡峭山崖正对驾驶员的山区隧道；（H）表示较为平缓区域的隧道；在南半球，南、北向隧道的数据要互换。如果一个地区有实测得到的LC、LR、LE的数据可用，则用该方法确定洞外亮度L20的过程就比较简单。如果没有这些数据可用，仅采用CIE 881999中推荐的景物亮度，则仍然会产生较大误差，因为地理位置不同等原因会造成景物亮度差别很大，而且CIE 881990给出的景物种类也有限。因此，用该方法快速准确得到洞外亮度L20，需要首先测得该地区的相关景物亮度，而通过实测获得这些参数本身就是一项非常困难的工作。1.3用黑度法确定L20黑度法是我国交通行业标准JTJ 026.11999推荐的确定洞外亮度L20的方法。其基本步骤是：在接近段的起点距地面1.5 m高度处安装照相机，正对洞口并以洞口中心距地面1/4洞高处作为拍照瞄准点拍摄黑白照片，在洞口旁立一标准灰板作为参照物，拍照的同时用亮度计测量标准灰板的亮度，然后将冲洗出来的胶片置于黑度仪上测读20视场内各景物的黑度，经权重计算得出平均黑度，从而可以确定隧道的洞外亮度L20。由于自然环境中景物亮度的变化非常快，因此对众多景物亮度的测量必须在非常短的时间内完成，如果用亮度计对洞外的景物亮度逐点测量，就会因耗时太长而带来测量误差，用黑度法瞬间将众多景物的亮度信息储存在相机胶片上，可以减小由于景物亮度的瞬时变化带来的测量误差。近年来，随着数码相机技术的成熟、性能的提高和价格的下降，数码相机逐渐普及并开始被应用于照明测量领域。国内外学者也已对用数码相机测量景物亮度进行了深入研究，从而使得用数码相机取代胶片相机进行黑度法测量洞外亮度成为可能。用数码相机测量洞外亮度避免了胶片的冲洗的过程，测量过程中也不再需要标准灰板作参照物。测量前只需在光学实验室对数码相机的光学特性进行标定，以获得所用数码相机的光学特性，将对洞外景物所拍的照片导入计算机后，用软件逐点读出20视场中各像素点的灰度，计算出各点的亮度，即可获得洞外亮度L20。根据所用数码相机的光学特性，编制好计算机程序后，可以非常便捷的利用数码照片获取洞外亮度L20，而且用编制的计算机程序可以读取20视场内每一个像素点的灰度值，从而使得到的洞外亮度L20的精度比用胶片相机测量得的精度高。由于洞外亮度L20随地理位置、季节、气象条件和测量时间而变化，作为隧道设计基准的L20应取隧道所处位置可能出现的较大的L20值，所以用该方法确定洞外亮度时应在一年中日照最强的季节、一天中最亮的时间段进行测量。我国处于北半球，夏季的中午洞外亮度最高，所以JTJ 026.11999规定实测应在夏季（6、7、8月）晴天无云时连续进行3 d，每日测读5次（11:00至15:00，时距1 h）或11次（8:00至18:00，时距1 h）。用该方法确定洞外亮度的关键问题是数码相机光学特性的标定。因为不同品牌数码相机的光学特性不同，同一品牌不同生产批次数码相机的光学特性也可能不同，同一台单反相机配用不同镜头时的光学特性也不相同，所以对测量用的每一台数码相机都必须进行光学特性的标定，而数码相机光学特性的标定过程比较麻烦。另外，用照相机作为照明测量仪器的前提条件是所有被测对象都能得到正确曝光。同一场景中出现的洞外不同景物的亮度范围可能非常大，如天空、雪地等景物亮度可能达到几万cd/m2，而洞口等景物的亮度则只有几十cd/m2。亮度差别如此之大的场景，可能会使照片中的部分区域已经曝光过度，而另外的部分区域还曝光不足。即使场景中的所有景物都能得到正常曝光，数码照片中的每一个像素点也只有0255共256个灰度等级，用有限的256个灰度等级表达亮度差别达到上万cd/m2的场景，必然会带来较大的测量误差。因此，用黑度法测量洞外景物亮度，看似精确的方法，实际上其测量结果的误差比较大。2 等效光幕亮度Lseq一般情况下，用L20表达驾驶员在洞外驾车接近隧道时的适应亮度，与用等效光幕亮度Lseq表达的结果基本一致。但CIE也注意到，在某些特殊情况下，如在驾驶员的20视场中天空所占比例特别大或特别小时，即洞外亮度非常高或非常低时，L20与Lseq之间会存在较大的差异，此时如果仍然用L20表达驾驶员的适应亮度，则会产生较大误差。Adrian4通过理论分析证明了用L20表达适应亮度的不合理性，并通过实地测量证明了其结论的正确性，提出了用等效光幕亮度Lseq表达驾驶员驾车接近隧道时的适应亮度。CIE接受了Adrian的观点，并在CIE 881990中作为附录给出了等效光幕亮度Lseq计算的思路。CIE 88:20045正式采用等效光幕亮度Lseq表达驾驶员的适应亮度，并将其作为入口段亮度确定的基础，给出了相应的隧道入口段亮度确定方法。CIE 88:2004提出可以用配有专用镜头的特殊亮度计在隧道现场测量等效光幕亮度Lseq，或者在车内用眩光计测量Lseq，并提出用一年中至少出现75 h的最大景物亮度来确定Lseq。由于Lseq测量的困难性，CIE 88:2004还给出了图示计算Lseq的方法，按照对眼睛产生漫射光效果相同的原则，将视场分成10环12区来计算等效光幕亮度，视场分区情况见图1。图1所示极坐标中各环边界视角采用表3所列角度。图1 计算等效光幕亮度的极坐标图表3 Adrian计算得到的各环边界视角圈数i12345678910角度/()1.01.52.02.94.05.88.312.018.028.4将图1所示的极坐标图叠加于在停车视距处看到的隧道场景上，并使隧道洞口中心与极坐标图的中心重合。将极坐标图中各扇区所覆盖的景物平均亮度累加即可得到等效光幕亮度Lseq，其计算式见式（4）。（4）式中：为眼睛看到的极坐标图中各扇区的亮度，cd/m2；为汽车挡风玻璃的透射比；为在车外（汽车挡风玻璃之前）测量得到的各扇区中景物的平均亮度，已经考虑了空气透射比的影响，cd/m2；为汽车挡风玻璃的亮度，通常可以忽略不计。用图示法计算等效光幕亮度Lseq的过程中，仍然需要洞外景物亮度，如果没有隧道所在地的景物亮度值可以使用，可以参考表2给出的景物亮度值估算。从式（4）可以看出，等效光幕亮度Lseq的计算过程中不仅考虑了洞外的景物亮度，还考虑了汽车挡风玻璃和空气的透射比对驾驶员看到的洞外景物亮度的影响，以及景物所在位置（相对于驾驶员的眼睛）的不同对驾驶员产生的不同影响。所以，相对于L20，Lseq更符合驾驶员看到的景物亮度的实际情况。但在Lseq的计算过程中仍然需要计算各分区景物的平均亮度，该平均亮度的计算方法与用环境简图法确定L20的方法相似。因此，计算等效光幕亮度Lseq的过程仍然存在隧道所在位置景物亮度参考值确定的问题。虽然CIE 88:2004给出了几种景物亮度的参考值，但由于地理位置对景物亮度的影响很大，所以如果直接采用CIE推荐的景物亮度值，计算的误差会比较大。用式（4）计算等效光幕亮度Lseq的算法实际上是近似算法。将图1所示极坐标示意图覆盖到隧道洞口的景物图上计算Lseq的核心思想是使各圆环对眼睛的光照效果相同。由于严格按照等效光幕亮度理论计算的过程相当复杂，式（4）是为了工程应用的方便而得到的简化算法，受计算方法和条件的限制，表1所列极坐标各环边界的视角也是近似值。虽然理论推导过程中所采用的近似算法的误差并不大，基本能满足工程设计的精度要求，但随着理论研究的深入和计算方法的发展，根据等效光幕亮度理论计算式得到各环边界视角的精确值已不再困难，根据各环边界视角的精确值计算等效光幕亮度Lseq能进一步提高计算精度。3 结语1）在对L20和Lseq的概念及确定方法进行剖析的基础上，对比分析了用L20和Lseq表达隧道洞外亮度的合理性。2）总结