隧道照明过渡段亮度动态需求探讨

  简要论述现阶段隧道照明系统存在的问题:过量照明、照度分布不均匀、不能调光或仅能有级调光;比较国内与CIE 隧道照明标准的异同;在CIE适应曲线基础上推导出洞外亮度变化时隧道过渡段的亮度需求公式;选取典型的照明区域作为研究对象,给出动态调光方案
  按照《JTJ 026. 1―1999公路隧道通风照明设计规范》,长度大于100m的隧道应设置照明[1]。由于早期光源制造工艺落后,调光性能差和控制手段落后等技术条件的限制,为了确保在各种情况的安全,隧道照明系统的设计以亮度需求最大的情况考虑,存在大量冗余,使得过量照明严重。洞外亮度按夏天中午的最大亮度进行计算,而实际洞外亮度随天气、季节和时间不断的变化。由于光源亮度随着使 用时间的增加而衰减和灯具受到污染而亮度下降,为确保安全,按照文献[1]取0.7的维护系数。除此以外,还要考虑一定的设计冗余[2],造成过量照明。文献[1]中入口段、过渡段、中间段、出口段按 阶梯型取值,布灯时无论对称布置、交错布置、中间布置还是分回路布置,由于单个灯具的功率较大,使得灯具间的距离也较大,都会造成照度分布不均。 荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等灯具不能调光或调节范围小,并且调光复杂,成本高,所以目前 的隧道照明系统一般不能调光或分回路有级调光[3]。LED灯光效高、节能、环保、寿命长、响应 时间短,调光方便[4],在隧道照明中具有广阔的前景。

  1 国内标准与CIE标准的比较

  在公路隧道照明中,介于入口段与基本段之间 的照明区段称之为过渡段。其任务是解决从入口段高亮度Lth 到基本段低亮度Lin 的剧烈变化给驾驶员造成的不适应现象,使之能有充分的时间过渡,并 以渐变的加强照明实现这个过渡[5]。《公路隧道通风照明设计规范JTJ026. 1―1999》中采用CIE适应曲线Ltr = Lth (1.9 + t) – 1.4 ,作为过渡段亮度与长度划分的依据。TR1、TR2、TR3 3个过渡照明段的亮度比例按3∶1划分,如图1所示。

  Ltr1 = 0.3Lth ,Ltr2 = 0.1Lth ,Ltr3 = 0.035Lth ,亮度变化较大,尤其是第一次多达0.7Lth ,若取洞外亮度L20( S) = 5000cd/m2,行车速度v = 80km/h,亮度折减系数k = 0.035,Lth= 5000×0.035 = 175cd/m2,与过渡1段的连接点处,亮度变化多达122.5cd/m2,不利于眼睛的调节和适应,不利于行车安全。

  按照文献[2]计算,3个过渡段总长度为72 + 89 + 133 = 294m,总的适应时间为13.23s。虽然《公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1―1999》参考了《CIE88―1990. GUIDE FOR THE LIGHTING OF ROAD TUNNELS AND UNDERPASSES》[6],但隧道内各段的划分上有所不同。CIE标准将过渡的过程分为3个部分,在前一半停车距离上亮度维持Lth ,使驾驶员适应在隧道的行驶,后一半停车距离开始降低亮度,先线性下降为0.4Lth ,然后进入渐变区,亮度按适应曲线Lth (1. 9 + t) – 1.4 逐渐降低,直到等于Lin,
  以上均为理想的过渡过程,由于前期技术条件的限制,无法对灯具按照适应曲线的亮度要求进行按需调节,而是将CIE 适应曲线进行划分为三段[1],亮度取值分别为0.3Lth ,0.1Lth ,0.035Lth ,适应距离分别 为Dtr1 = Dth /3 + v /1.8; Dtr2 = 2v /1.8; Dtr3 = 3v /1.8。 国内标准的过渡段,包括由Lth到0.4Lth和由0.4Lth到Lin两个适应过程。实际上适应曲线不是固定不变的,是随洞外亮度实时变化的,适应距离也是由适 时间和车速算出。为了确保行车安全,《规范》中按最大洞外亮度进行考虑,使得当洞外亮度变小时,过渡段的亮度远大于实际要求,同时由于过渡段长度的固定,又造成过渡段长度大于实际需求,多开了照明灯具,造成电能的浪费。同时由于分段调节,亮度呈现阶梯型变化,且是4次较大亮度的跳跃,不利于行车的舒适性和安全。亮度阶梯型变化和适应曲线的对比如图3所示。

  2 利用CIE 适应曲线求取各个点的亮度需求

  3 动态调光方案

  3.1 洞外亮度变化时,适应曲线的变化

  某隧道设计车速80km / h,双车道单向交通,水泥混凝土路面,纵向坡度2% (Ds取95m) ,设计交通量21865 辆/日,隧道内路面宽度W = 9m,灯具的安置高度5m, 洞外亮度取L20(s) = 5000cd /m2 [7]。

  当车流辆较大时,k取0.035,Lin取4.5cd/m2,按照《规范》有:
  适应距离共383.78m,适应时间为17.27s 按照动态调光方案,当车流量较大时,L20(s)变化,适应距离和适应时间的变化如表1所示。当车流量较小时,L20(s)变化,适应距离和适应时间的变化如表2所示。
  适应时间的长短主要决定于Lth / Lin 的大小,Lth / Lin 越大则适应时间越长,而Lth 由洞外亮度L20(s)决定,所以L20(s)和Lin相差越大,适应时间越长。从表中可看出,按照《规范》当车流量较小时,取较小的Lin,使得Lth / Lin 变大,反而需要更长的适应时间和适应距离。同等条件下Lin越小,过渡段越长,基本段越短,如图1所示。所以,基本段亮度的取值不仅要考虑车速和交通量,还要考虑过渡段 和基本段长度不同所花费照明成本。
 3.2 动态调光的调节条件分析

  按洞外最大亮度和最高行车速度计算出最长的过渡段距离,为了提高亮度的均匀性,灯具沿隧道均匀交错布置,如图2所示。当洞外亮度变小时,可以关闭一些不必要的加强灯,只开基础灯。

  由于灯具是间断布置的,各点的亮度需求是连续变化的,通过调节灯具的亮度使得所有点同时恰好都满足亮度要求非常困难,所以取典型的照明区 域为研究对象如M1 ,M2 ,M3 , 使在该区域内的平均照度和需求的平均照度相等为调节的条件。同时为了体现行驶方向亮度逐渐降低的要求,灯具的实际光通量也应该是逐渐减少。设减少的幅度与灯具间距离和灯具的配光曲线有关。设减少的幅度为ζ (0 < ζ < 0.5�w则灯具①~⑨ 的光通量分别为:(1 +ζ)Φ1 ,Φ1 ,(1 -ζ)Φ1 ;(1 +ζ) Φ2 ,Φ2 ,(1 -ζ)Φ2 ;(1 +ζ) Φ3 ,Φ3 ,(1 – ζ) Φ3 ;并且满足(1 -ζ) Φ1 > (1 + ζ) Φ2 ,( 1 -ζ) Φ2 > ( 1 +ζ) Φ3 ,ζ 的值可通过现场测量选取。由于灯具均匀布置,光通量逐渐降低,若M1 ,M2 满足照度要求, M1 ,M2 之间的M12 也能满足要求。
  M1 ,M2 ,M3 等作为一个计算和控制单元,以M1为例进行照度计算。利用系数曲线图计算路面的平均水平照度可按式(4)计算:
  L1 ,L2 ,L3为灯具①②③所在位置的亮度实际需求,可由上面求得的亮度实际需求函数式(3)计算。
  平均亮度与平均照度间的换算关系一般可按沥青路面(15 ~22) lx/cd?m- 2,水泥混凝土路面 (10 ~13 ) lx / cd?m-2 选取[1]。调节各个灯具的光通量,使得Eav = Ex。但这样会使洞外亮度有微小的变化或系统有微小的干扰,都会使灯具进行调光,影响灯具的寿命。为了避免频繁地调光,当| Eav – Ex | ≥ε(ε为预先设定的某个较小的数)时,系统才进行调节。
  LED 的光输出基本与输入功率或者输入电流成正比,因而LE 的调光很简单,只要调整LED的输入电流即可。一般采用PWM 调光的方法。PWM 调光是保持电流的大小恒定,以一定频率开通和关断LED,通过调节开通和关断时间比来实现调光[8]。
  4 结论
  通过对国内隧道照明的亮度阶梯型划分与CIE 理想适应曲线的比较知: ① 固定的阶梯型亮度划 分,有4 次较大亮度跳跃,不利于眼睛的调节和适 应; ② 固定适应段长度划分又造成过渡段长度大于 实际需求,多开了照明灯具,造成电能的浪费。为 达到节省电能和提高视觉舒适性的要求,可从以下几方面对隧道照明过渡段做一些改进:
  (1)灯具沿隧道均匀交错布置使光通量逐渐减 少,这样不但可达到节能的目的,同时使亮度渐变 的变化,分布更加均匀。
  (2)通过在相同车流量下,对不同洞外亮度时 洞内亮度需求曲线的比较; 以及在相同洞外亮度, 不同车流量时,洞内亮度需求曲线的比较,可知: 按最大洞外亮度,最大车流量的标准设计隧道的照明,会使隧道内的亮度远远大于实际需求的亮度, 产生过量照明,造成大量电能的浪费。因此应进行动态调光,即根据车流量和洞外亮度,实时地对照明亮度需求进行动态调节。
  (3)采用光效高、节能、环保、寿命长、响应 时间短、调光方便的LED 光源。通过调整各个LED 灯的PWM 频率就可达到动态调光的目的,从而满 足按需照明要求,不但可以节约电能,减少隧道照明系统运行维护的成本, 而且提高了视觉舒适性, 有利于行车安全。

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