隧道照明過(guò)渡段亮度動(dòng)態(tài)需求探討
簡(jiǎn)要論述現(xiàn)階段隧道照明系統(tǒng)存在的問(wèn)題:過(guò)量照明、照度分布不均勻、不能調(diào)光或僅能有級(jí)調(diào)光；比較國(guó)內(nèi)與CIE 隧道照明標(biāo)準(zhǔn)的異同；在CIE適應(yīng)曲線基礎(chǔ)上推導(dǎo)出洞外亮度變化時(shí)隧道過(guò)渡段的亮度需求公式；選取典型的照明區(qū)域作為研究對(duì)象，給出動(dòng)態(tài)調(diào)光方案
按照《JTJ 026. 1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，長(zhǎng)度大于100m的隧道應(yīng)設(shè)置照明[1]。由于早期光源制造工藝落后，調(diào)光性能差和控制手段落后等技術(shù)條件的限制，為了確保在各種情況的安全，隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以亮度需求最大的情況考慮，存在大量冗余，使得過(guò)量照明嚴(yán)重。洞外亮度按夏天中午的最大亮度進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際洞外亮度隨天氣、季節(jié)和時(shí)間不斷的變化。由于光源亮度隨著使 用時(shí)間的增加而衰減和燈具受到污染而亮度下降，為確保安全，按照文獻(xiàn)[1]取0.7的維護(hù)系數(shù)。除此以外，還要考慮一定的設(shè)計(jì)冗余[2]，造成過(guò)量照明。文獻(xiàn)[1]中入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段按 階梯型取值，布燈時(shí)無(wú)論對(duì)稱布置、交錯(cuò)布置、中間布置還是分回路布置，由于單個(gè)燈具的功率較大，使得燈具間的距離也較大，都會(huì)造成照度分布不均。 熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等燈具不能調(diào)光或調(diào)節(jié)范圍小，并且調(diào)光復(fù)雜，成本高，所以目前 的隧道照明系統(tǒng)一般不能調(diào)光或分回路有級(jí)調(diào)光[3]。LED燈光效高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng) 時(shí)間短，調(diào)光方便[4]，在隧道照明中具有廣闊的前景。
1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與CIE標(biāo)準(zhǔn)的比較
在公路隧道照明中，介于入口段與基本段之間 的照明區(qū)段稱之為過(guò)渡段。其任務(wù)是解決從入口段高亮度Lth 到基本段低亮度Lin 的劇烈變化給駕駛員造成的不適應(yīng)現(xiàn)象，使之能有充分的時(shí)間過(guò)渡，并 以漸變的加強(qiáng)照明實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)渡[5]�！豆匪淼劳L(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026. 1—1999》中采用CIE適應(yīng)曲線Ltr = Lth (1.9 + t) - 1.4 ，作為過(guò)渡段亮度與長(zhǎng)度劃分的依據(jù)。TR1、TR2、TR3 3個(gè)過(guò)渡照明段的亮度比例按3∶1劃分，如圖1所示。
Ltr1 = 0.3Lth ，Ltr2 = 0.1Lth ，Ltr3 = 0.035Lth ，亮度變化較大，尤其是第一次多達(dá)0.7Lth ，若取洞外亮度L20( S) = 5000cd/m2，行車速度v = 80km/h，亮度折減系數(shù)k = 0.035，Lth= 5000×0.035 = 175cd/m2，與過(guò)渡1段的連接點(diǎn)處，亮度變化多達(dá)122.5cd/m2，不利于眼睛的調(diào)節(jié)和適應(yīng)，不利于行車安全。
按照文獻(xiàn)[2]計(jì)算，3個(gè)過(guò)渡段總長(zhǎng)度為72 + 89 + 133 = 294m，總的適應(yīng)時(shí)間為13.23s。雖然《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026.1—1999》參考了《CIE88—1990. GUIDE FOR THE LIGHTING OF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES》[6]，但隧道內(nèi)各段的劃分上有所不同。CIE標(biāo)準(zhǔn)將過(guò)渡的過(guò)程分為3個(gè)部分，在前一半停車距離上亮度維持Lth ，使駕駛員適應(yīng)在隧道的行駛，后一半停車距離開始降低亮度，先線性下降為0.4Lth ，然后進(jìn)入漸變區(qū)，亮度按適應(yīng)曲線Lth (1. 9 + t) - 1.4 逐漸降低，直到等于Lin，
以上均為理想的過(guò)渡過(guò)程，由于前期技術(shù)條件的限制，無(wú)法對(duì)燈具按照適應(yīng)曲線的亮度要求進(jìn)行按需調(diào)節(jié)，而是將CIE 適應(yīng)曲線進(jìn)行劃分為三段[1]，亮度取值分別為0.3Lth ，0.1Lth ，0.035Lth ，適應(yīng)距離分別 為Dtr1 = Dth /3 + v /1.8; Dtr2 = 2v /1.8; Dtr3 = 3v /1.8。 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)渡段，包括由Lth到0.4Lth和由0.4Lth到Lin兩個(gè)適應(yīng)過(guò)程。實(shí)際上適應(yīng)曲線不是固定不變的，是隨洞外亮度實(shí)時(shí)變化的，適應(yīng)距離也是由適 時(shí)間和車速算出。為了確保行車安全，《規(guī)范》中按最大洞外亮度進(jìn)行考慮，使得當(dāng)洞外亮度變小時(shí)，過(guò)渡段的亮度遠(yuǎn)大于實(shí)際要求，同時(shí)由于過(guò)渡段長(zhǎng)度的固定，又造成過(guò)渡段長(zhǎng)度大于實(shí)際需求，多開了照明燈具，造成電能的浪費(fèi)。同時(shí)由于分段調(diào)節(jié)，亮度呈現(xiàn)階梯型變化，且是4次較大亮度的跳躍，不利于行車的舒適性和安全。亮度階梯型變化和適應(yīng)曲線的對(duì)比如圖3所示。
2 利用CIE 適應(yīng)曲線求取各個(gè)點(diǎn)的亮度需求
3 動(dòng)態(tài)調(diào)光方案
3.1 洞外亮度變化時(shí)，適應(yīng)曲線的變化
某隧道設(shè)計(jì)車速80km / h，雙車道單向交通，水泥混凝土路面，縱向坡度2% (Ds取95m) ，設(shè)計(jì)交通量21865 輛/日，隧道內(nèi)路面寬度W = 9m，燈具的安置高度5m， 洞外亮度取L20(s) = 5000cd /m2 [7]。
當(dāng)車流輛較大時(shí)，k取0.035，Lin取4.5cd/m2，按照《規(guī)范》有:
適應(yīng)距離共383.78m，適應(yīng)時(shí)間為17.27s 按照動(dòng)態(tài)調(diào)光方案，當(dāng)車流量較大時(shí)，L20(s)變化，適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間的變化如表1所示。當(dāng)車流量較小時(shí)，L20(s)變化，適應(yīng)距離和適應(yīng)時(shí)間的變化如表2所示。
適應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短主要決定于Lth / Lin 的大小，Lth / Lin 越大則適應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，而Lth 由洞外亮度L20(s)決定，所以L20(s)和Lin相差越大，適應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。從表中可看出，按照《規(guī)范》當(dāng)車流量較小時(shí)，取較小的Lin，使得Lth / Lin 變大，反而需要更長(zhǎng)的適應(yīng)時(shí)間和適應(yīng)距離。同等條件下Lin越小，過(guò)渡段越長(zhǎng)，基本段越短，如圖1所示。所以，基本段亮度的取值不僅要考慮車速和交通量，還要考慮過(guò)渡段 和基本段長(zhǎng)度不同所花費(fèi)照明成本。
3.2 動(dòng)態(tài)調(diào)光的調(diào)節(jié)條件分析
按洞外最大亮度和最高行車速度計(jì)算出最長(zhǎng)的過(guò)渡段距離，為了提高亮度的均勻性，燈具沿隧道均勻交錯(cuò)布置，如圖2所示。當(dāng)洞外亮度變小時(shí)，可以關(guān)閉一些不必要的加強(qiáng)燈，只開基礎(chǔ)燈。
由于燈具是間斷布置的，各點(diǎn)的亮度需求是連續(xù)變化的，通過(guò)調(diào)節(jié)燈具的亮度使得所有點(diǎn)同時(shí)恰好都滿足亮度要求非常困難，所以取典型的照明區(qū) 域?yàn)檠芯繉?duì)象如M1 ，M2 ，M3 ， 使在該區(qū)域內(nèi)的平均照度和需求的平均照度相等為調(diào)節(jié)的條件。同時(shí)為了體現(xiàn)行駛方向亮度逐漸降低的要求，燈具的實(shí)際光通量也應(yīng)該是逐漸減少。設(shè)減少的幅度與燈具間距離和燈具的配光曲線有關(guān)。設(shè)減少的幅度為ζ (0 < ζ < 0.5﹚則燈具①～⑨ 的光通量分別為:(1 +ζ)Φ1 ，Φ1 ，(1 -ζ)Φ1 ;(1 +ζ) Φ2 ，Φ2 ，(1 -ζ)Φ2 ;(1 +ζ) Φ3 ，Φ3 ，(1 - ζ) Φ3 ;并且滿足(1 －ζ) Φ1 > (1 + ζ) Φ2 ，( 1 －ζ) Φ2 > ( 1 +ζ) Φ3 ，ζ 的值可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量選取。由于燈具均勻布置，光通量逐漸降低，若M1 ，M2 滿足照度要求， M1 ，M2 之間的M12 也能滿足要求。
M1 ，M2 ，M3 等作為一個(gè)計(jì)算和控制單元，以M1為例進(jìn)行照度計(jì)算。利用系數(shù)曲線圖計(jì)算路面的平均水平照度可按式(4)計(jì)算:
L1 ，L2 ，L3為燈具①②③所在位置的亮度實(shí)際需求，可由上面求得的亮度實(shí)際需求函數(shù)式(3)計(jì)算。
平均亮度與平均照度間的換算關(guān)系一般可按瀝青路面(15 ～22) lx/cd?m- 2，水泥混凝土路面 (10 ～13 ) lx / cd?m-2 選取[1]。調(diào)節(jié)各個(gè)燈具的光通量，使得Eav = Ex。但這樣會(huì)使洞外亮度有微小的變化或系統(tǒng)有微小的干擾，都會(huì)使燈具進(jìn)行調(diào)光，影響燈具的壽命。為了避免頻繁地調(diào)光，當(dāng)| Eav - Ex | ≥ε(ε為預(yù)先設(shè)定的某個(gè)較小的數(shù))時(shí)，系統(tǒng)才進(jìn)行調(diào)節(jié)。
LED 的光輸出基本與輸入功率或者輸入電流成正比，因而LE 的調(diào)光很簡(jiǎn)單，只要調(diào)整LED的輸入電流即可。一般采用PWM 調(diào)光的方法。PWM 調(diào)光是保持電流的大小恒定，以一定頻率開通和關(guān)斷LED，通過(guò)調(diào)節(jié)開通和關(guān)斷時(shí)間比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光[8]。
4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)隧道照明的亮度階梯型劃分與CIE 理想適應(yīng)曲線的比較知: ① 固定的階梯型亮度劃 分，有4 次較大亮度跳躍，不利于眼睛的調(diào)節(jié)和適 應(yīng); ② 固定適應(yīng)段長(zhǎng)度劃分又造成過(guò)渡段長(zhǎng)度大于 實(shí)際需求，多開了照明燈具，造成電能的浪費(fèi)。為 達(dá)到節(jié)省電能和提高視覺舒適性的要求，可從以下幾方面對(duì)隧道照明過(guò)渡段做一些改進(jìn):
(1)燈具沿隧道均勻交錯(cuò)布置使光通量逐漸減 少，這樣不但可達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)使亮度漸變 的變化，分布更加均勻。
(2)通過(guò)在相同車流量下，對(duì)不同洞外亮度時(shí) 洞內(nèi)亮度需求曲線的比較; 以及在相同洞外亮度， 不同車流量時(shí)，洞內(nèi)亮度需求曲線的比較，可知: 按最大洞外亮度，最大車流量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)隧道的照明，會(huì)使隧道內(nèi)的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求的亮度， 產(chǎn)生過(guò)量照明，造成大量電能的浪費(fèi)。因此應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)光，即根據(jù)車流量和洞外亮度，實(shí)時(shí)地對(duì)照明亮度需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
(3)采用光效高、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng) 時(shí)間短、調(diào)光方便的LED 光源。通過(guò)調(diào)整各個(gè)LED 燈的PWM 頻率就可達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)光的目的，從而滿 足按需照明要求，不但可以節(jié)約電能，減少隧道照明系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的成本， 而且提高了視覺舒適性， 有利于行車安全。
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