公路隧道照明中基于小目標(biāo)可見(jiàn)度的對(duì)比顯示系數(shù)研究

翁　季，蔡賢云，杜　峰，張青文

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶　400045)

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公路隧道照明中基于小目標(biāo)可見(jiàn)度的對(duì)比顯示系數(shù)研究

翁季，蔡賢云，杜峰，張青文

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400045)

摘要：將道路照明中小目標(biāo)物可見(jiàn)度引入到對(duì)比顯示系數(shù)的研究中，重點(diǎn)是對(duì)可見(jiàn)度中閾限亮度差ΔL0的研究。通過(guò)公式推導(dǎo)，建立對(duì)比顯示系數(shù)與閾限亮度差之間的函數(shù)關(guān)系式。其次對(duì)公式修正，特別是對(duì)年齡因素進(jìn)行的修正。最后研究汽車前燈對(duì)小目標(biāo)物可見(jiàn)度、對(duì)比顯示系數(shù)的影響。最終得到合適的對(duì)比顯示系數(shù)值，確定與合適的對(duì)比顯示系數(shù)值相對(duì)應(yīng)的隧道照明方式和布燈方式。

關(guān)鍵詞：小目標(biāo)物；可見(jiàn)度；對(duì)比顯示系數(shù)；閾限亮度差；年齡因素；汽車前車燈

引言

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)公路隧道增長(zhǎng)迅速，到2013年底共有公路隧道11359座，總長(zhǎng)9605.6公里[1]。為滿足行車過(guò)程中安全、舒適、節(jié)能的要求，人們對(duì)公路隧道照明做了大量研究工作,如從光源色溫、光生物效應(yīng)和修訂現(xiàn)有公路隧道照明規(guī)范等角度入手[2-3]。

隨著眼科學(xué)和視覺(jué)理論不斷發(fā)展，以人眼視覺(jué)適應(yīng)為核心的研究方法得到了大力發(fā)展，代表性的即為察覺(jué)對(duì)比法[4]，察覺(jué)對(duì)比的本質(zhì)是考慮了光在空氣中的散射、汽車擋風(fēng)玻璃的影響以及光源向眼睛的散射等實(shí)際因素，使隧道入口段的照明能保證目標(biāo)的對(duì)比度不低于察覺(jué)對(duì)比。2004年CIE(國(guó)際照明委員會(huì))發(fā)布的文件中給出了基于察覺(jué)對(duì)比法的公路隧道入口段亮度公式[4]。

(1)

公式(1)中的qc即為對(duì)比顯示系數(shù)，qc表示給定區(qū)域的路面亮度Lb與小目標(biāo)物面向行車方向中點(diǎn)處的垂直照度Ev之間的比值，qc=Lb/Ev。在CIE 189—2010中，對(duì)比顯示系數(shù)被視為公路隧道照明質(zhì)量的評(píng)價(jià)依據(jù)之一[5]。但現(xiàn)階段關(guān)于對(duì)比顯示系數(shù)的研究較少，如通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定對(duì)比顯示系數(shù)與隧道內(nèi)光的空間相對(duì)分布有關(guān)[6]，即與隧道照明方式、燈具間距、燈具掛高、光源功率、燈具配光、隧道內(nèi)的反射增量系數(shù)有關(guān)。

道路照明中對(duì)小目標(biāo)物可見(jiàn)度的研究很多，但隧道照明中卻缺乏對(duì)可見(jiàn)度的探討，重慶大學(xué)杜峰曾對(duì)國(guó)內(nèi)外以可見(jiàn)度為基礎(chǔ)的隧道照明設(shè)計(jì)方法作了分析，并對(duì)該方法作了展望[7]。本文試圖以可見(jiàn)度為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)一步研究對(duì)比顯示系數(shù)，并探討年齡因素和汽車前燈對(duì)qc的影響，進(jìn)而確定隧道內(nèi)合適的照明方式和燈具安裝方式。

1可見(jiàn)度中閾限亮度差ΔL0的實(shí)質(zhì)

通常用可見(jiàn)度水平(VL)來(lái)表示小目標(biāo)物的可見(jiàn)度，可用公式(2)表示。

(2)

其中ΔL為視看小目標(biāo)物的亮度Lt與背景亮度Lb的差，ΔL0為小目標(biāo)物剛好可見(jiàn)時(shí)的小目標(biāo)物閾限亮度與背景亮度的差?？梢?jiàn)度中的閾限亮度差實(shí)質(zhì)是目標(biāo)物的大小(對(duì)眼睛的張角α)和人眼適應(yīng)水平之間的函數(shù)關(guān)系。在道路照明中已經(jīng)對(duì)閾限亮度差的確定做了大量研究工作[8-9]，W·Adrian 在《Visibility of targets: Model for calculation》中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與分析給出了閾限亮度差ΔL0的計(jì)算公式[10]

(3)

ANSI/IESNA RP-8-00根據(jù)Adrian的計(jì)算模型給出了閾限亮度差與視角、人眼適應(yīng)水平之間的函數(shù)關(guān)系式[11]，如公式(4)所示。

(4)

其中k為系數(shù)，取k=2.33；α為視角，以分為單位；F、G為人眼適應(yīng)水平La的函數(shù)，且有F=f1(La)、G=f2(La)。從公式可發(fā)現(xiàn)，閾限亮度差的大小與人眼適應(yīng)水平成正比關(guān)系，而與視角大小成反比關(guān)系。人眼的適應(yīng)亮度La為目標(biāo)物背景亮度和等效光幕亮度之和,如公式(5)所示。

La=Lb+Lv

(5)

其中La為人眼的適應(yīng)亮度；Lb為目標(biāo)物背景亮度；Lv為等效光幕亮度。

2對(duì)比顯示系數(shù)qc值的確定

2.1閾限亮度差ΔL0與對(duì)比顯示系數(shù)qc之間的關(guān)系

CIE 88—2004給出了對(duì)比顯示系數(shù)qc的定義公式，若小目標(biāo)物遵循朗伯定律，則

(6)

通過(guò)公式(6)定性分析可知：對(duì)比顯示系數(shù)qc值越大，小目標(biāo)物與路面亮度之間的對(duì)比越明顯，小目標(biāo)物更容易被察覺(jué)。但是，從公式(1)可知，對(duì)比顯示系數(shù)越大所需的設(shè)計(jì)亮度值也越大。所以需通過(guò)定量研究來(lái)確定合適的qc值，使其既能滿足安全、舒適行車的要求，又可以達(dá)到節(jié)能的目的。

歐盟隧道照明標(biāo)準(zhǔn)CR 14380—2003《Lighting applications——Tunnel lighting》中給出了隧道路面亮度Lb與閾限亮度差ΔL0之間的關(guān)系式[12]。

(7)

經(jīng)過(guò)變形之后可得到公式

(8)

公式(8)即為閾限亮度差與對(duì)比顯示系數(shù)之間的關(guān)系式。只要閾限亮度差ΔL0確定了，對(duì)應(yīng)的最適宜的對(duì)比顯示系數(shù)值也就可以確定。

2.2隧道照明中閾限亮度差ΔL0的確定

相對(duì)于道路照明，隧道照明中關(guān)于閾限亮度差的確定還應(yīng)考慮到下列問(wèn)題：

1)道路照明中夜晚路面平均亮度Lb在0.5～5cd/m2范圍內(nèi)；而依據(jù)最新規(guī)范，隧道照明中路面平均亮度Lb在2.0～140cd/㎡范圍內(nèi)[13]，亮度范圍的不同導(dǎo)致“人眼閾限對(duì)比”實(shí)驗(yàn)中的背景亮度取值不同。

2)在現(xiàn)有道路照明可見(jiàn)度研究中并沒(méi)有完全考慮路面的反射作用。但是在隧道內(nèi)，路面、墻面的反射作用非常明顯，楊韜通過(guò)1∶10隧道照明模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)研究反射增量系數(shù)，發(fā)現(xiàn)考慮反射增量系數(shù)之后，當(dāng)隧道墻面的反射系數(shù)為0.7時(shí)，混凝土路面的隧道可以節(jié)能12%～16%[14]。因此在研究隧道照明中的閾限亮度差和對(duì)比顯示系數(shù)時(shí)，必須考慮隧道內(nèi)反射增量系數(shù)的影響。

3)人眼的適應(yīng)亮度為目標(biāo)物背景亮度和等效光幕亮度之和。隧道作為封閉的環(huán)境，計(jì)算得到的人眼適應(yīng)亮度水平與道路照明中有很大區(qū)別，依據(jù)公式(5)計(jì)算隧道內(nèi)的等效光幕亮度和適應(yīng)亮度的過(guò)程會(huì)更加復(fù)雜。

2.3隧道照明中閾限亮度差ΔL0的修正

人眼閾限對(duì)比試驗(yàn)得到的原始的閾限亮度差ΔLs還需要進(jìn)行公式修正，修正公式如公式(9)所示。

ΔL0=Kt·Ka·Kf·ΔLs

(9)

其中Kt為小目標(biāo)物觀察時(shí)間的修正系數(shù)，Ka為年齡修正系數(shù)，Kf為小目標(biāo)物亮度正負(fù)對(duì)比修正系數(shù)，ΔLs為修正之前由實(shí)驗(yàn)得到的閾限亮度差。

3年齡對(duì)對(duì)比顯示系數(shù)取值的影響

據(jù)預(yù)測(cè)，2025年我國(guó)老年人將達(dá)到3億，2052年將達(dá)4.87億，占到總?cè)丝诘?4.8%[15]，從2003年開(kāi)始我國(guó)將申領(lǐng)駕駛證的年齡上限從原來(lái)的60歲調(diào)升到70歲。研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡增長(zhǎng)，老年人視覺(jué)能力減弱，在運(yùn)動(dòng)方向判別上的能力下降[16]，對(duì)視覺(jué)信號(hào)反應(yīng)時(shí)間明顯增加[17]?？梢?jiàn)在研究對(duì)比顯示系數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮年齡因素對(duì)小目標(biāo)物可見(jiàn)度的影響，通過(guò)年齡因素來(lái)修正閾限亮度差，獲得更為合理的對(duì)比顯示系數(shù)值。

浙江大學(xué)項(xiàng)震研究了不同年齡人群的閾限亮度差，得到20～80歲之間閾限亮度差與年齡間關(guān)系的曲線[18]：隨著年齡增長(zhǎng)，人眼察覺(jué)到目標(biāo)物所需亮度對(duì)比更大，人眼視覺(jué)能力隨著年齡增加而逐漸減弱；并且曲線在年齡大約64歲時(shí)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

W·Adrian對(duì)影響閾限亮度差的年齡因素也做了研究，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，Adrian給出了閾限亮度差計(jì)算中關(guān)于年齡因素修正的函數(shù)關(guān)系式

(10)

(11)

其中a表示年齡，結(jié)合公式(10)分析，當(dāng)觀察時(shí)間修正系數(shù)和正負(fù)對(duì)比修正系數(shù)相同時(shí)，64歲與65歲的閾限亮度差的值相差明顯。

4汽車前車燈對(duì)對(duì)比顯示系數(shù)取值的影響

現(xiàn)階段隧道照明中關(guān)于小目標(biāo)物的研究是處于理想狀態(tài)下的，較少考慮汽車前車燈的影響。但是當(dāng)前車燈工作時(shí)，給定區(qū)域的路面亮度Lb和小目標(biāo)物垂直面中點(diǎn)的照度值Ev均會(huì)發(fā)生改變：此時(shí)Ev為照明燈對(duì)小目標(biāo)物作用的垂直照度Evl和前車燈對(duì)小目標(biāo)物作用的垂直照度Evv之和；Lb為照明燈對(duì)該區(qū)域作用的路面亮度Lbl和前車燈對(duì)該區(qū)域作用的路面亮度Lbv之和；等效光幕亮度Lseq為照明燈所產(chǎn)生的等效光幕亮度Lseql和前車燈產(chǎn)生的等效光幕亮度Lseqv之和。當(dāng)上述值改變后小目標(biāo)物可見(jiàn)度和對(duì)比顯示系數(shù)的取值也會(huì)相應(yīng)改變。

Satoshi Hirakawa等考慮汽車前車燈的作用，來(lái)研究隧道中小目標(biāo)物可見(jiàn)度的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)在對(duì)稱照明中，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一點(diǎn)時(shí)，小目標(biāo)物垂直面中點(diǎn)的照度值降低的同時(shí)，小目標(biāo)物給定區(qū)域的路面亮度值卻會(huì)升高，從而導(dǎo)致小目標(biāo)物可見(jiàn)度發(fā)生變化；而在順光照明中即便是增強(qiáng)汽車前燈的作用，小目標(biāo)物可見(jiàn)度也幾乎沒(méi)有變化[19]。

5結(jié)語(yǔ)

本文明確了以可見(jiàn)度為基礎(chǔ)來(lái)研究察覺(jué)對(duì)比法中對(duì)比顯示系數(shù)的思路，建立了閾限亮度差與對(duì)比顯示系數(shù)間的函數(shù)關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上探討年齡系數(shù)對(duì)qc的影響并分析汽車前車燈對(duì)小目標(biāo)物可見(jiàn)度和對(duì)比顯示系數(shù)研究產(chǎn)生的影響，關(guān)于前車燈對(duì)對(duì)比顯示系數(shù)的影響將在后續(xù)的研究中深入探討分析。最終通過(guò)可見(jiàn)度、閾限亮度差來(lái)確立合適的對(duì)比顯示系數(shù)qc值，與該qc值相對(duì)應(yīng)的隧道照明方式和布燈方式即為最合適的方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 洪開(kāi)榮.我國(guó)隧道及地下工程發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].隧道建設(shè),2015,35(2)：96-107.

[2] 劉英嬰, 張青文, 胡英奎. LED光源色溫對(duì)隧道照明入口段和中間段的影響 [J].照明工程學(xué)報(bào), 2013, 24(2)：30-34.

[3] 史玲娜,涂耘,王小軍.新舊規(guī)范對(duì)比下的隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)研究[J].照明工程學(xué)報(bào),2015,26(1)：50-54.

[4] CIE. Guide for the lighting of road tunnels and underpasses：CIE 88—2004[R].CIE Central Bureau,2004.

[5] CIE. Calculation of tunnel lighting quality criteria：CIE 189—2010[R].CIE Central Bureau,2010.

[6] 翁季，陳仲林，張青文 等. 公路隧道照明對(duì)比顯示系數(shù)探討[J].燈與照明,2013,37(1)：4-7,16.

[7] 杜峰, 翁季. 公路隧道照明中以可見(jiàn)度為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展與展望 [J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2014,25(5)：98-102.

[8] 張晟鵬. 城區(qū)機(jī)動(dòng)車道路照明可見(jiàn)度研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[9] 翁季. 機(jī)動(dòng)車交通道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[10] W·Adrian. Visibility of targets: Model for calculation[J]. Lighting Research and Technology,1989,21(4):181-188.

[11] ANSI/IESNA. RP-8-00 American National standard practice for Roadway Lighting [R].2000.

[12] CEN. Lighting applications - Tunnel lighting：CR 14380—2003[R]. 2003.

[13] 公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則：JTG/T D70/2-01-2014[S].北京：人民交通出版社,2014.

[14] 楊韜. 隧道照明反射增量系數(shù)研究[J].燈與照明，2009,33(2):6-14.

[15] 吳玉韶. 我國(guó)人口老齡化形勢(shì)與應(yīng)對(duì)策略[J].中國(guó)國(guó)情國(guó)力，2015,4:29-31.

[16] Tran D B, Silverman S E, Zimmerman K, et al. Age-related deterioration of motion perception and detection[J]. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol，1998, 236(4): 269 -273.

[17] Delucia P R, Bleckley M K, Meyer L E, et al. Judgments about collision in younger and older drivers[J]. Transport Res(Part F), 2003, 6: 63 -80.

[18] 項(xiàng)震, 葉關(guān)榮,徐海松. 機(jī)動(dòng)車道上物體可視度的計(jì)算方法[C]. 北京：中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì),2004:33-37.

[19] Satoshi Hirakawa, Yoshinori Karasawa,Yukinobu Yoshida. Visibility Evaluation of Obstacles on Road Surface in Consideration of Vehicle Headlamps and Tunnel Lighting Based on Total Revealing Power[J]. J. Illum. Engng. inst. Jpn,2014, 98(8A):352-361.

The Research of Contrast Revealing Coefficient Based on Small

Target Visibility in Highway Tunnel Lighting

Weng Ji, Cai Xianyun, Du Feng, Zhang Qingwen

(FacultyofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing400045，China)

Abstract：Firstly, the small target visibility in road lighting was introduced into the study of contrast revealing coefficient in this paper. The key point was research about minimum luminance threshold which was included in small target visibility. Then, by means of formula derivation, the function relationship between minimum luminance threshold and contrast revealing coefficient can be set up. Secondly, a number of factors in the formula should be amended. Especially the age factor should be taken into account so as to get contrast revealing coefficient formula. Finally the influence of vehicle headlamps to small target visibility and contrast revealing coefficient could be studied. The appropriate value of contrast revealing coefficient can be received, meanwhile the suitable lighting method and arrangement of luminare could be determined which matches with the appropriate value of contrast revealing coefficientqc.

Key words:small target; visibility; contrast revealing coefficient; minimum luminance threshold; age factor; vehicle headlamps

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278507)

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.019