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1、2 0 0 8 绿色照明与照明节能科技研讨会 白光L E D 用于公路隧道照明设计分析 娆其林燕丹 ( 复旦火学光源与照明工程系) l 前论 截至2 0 0 3 年，我国公路隧道总数己达1 7 8 2 座，总长度7 0 4 k m 。隧道照明需要全天2 4 h 都必须开灯，因此对予隧道照明来说，节约能源是一个重要主题。 同时，隧道照明是隧道建设中的重要组成部分，照明质量的好坏直接影响到机动车司 机能否看清楚隧道内的周边环境，因此必须考虑驾驶安全性。相较于一般道路照明，隧道 照明亮度偏高一些，部分隧道照臻亮度仍然是处于中闻视觉范围内的，因此有必要对此进 行考虑；而另一方面，隧道照明不同于一般道路
2、照明，是其要充分考虑到人眼的适应性问 题。 人眼适应分为明暗适应两种。巍环境亮度由亮变暗时，人受的瞳孔壹径会变大，以适 应较暗的环境，这个过程称为暗适应；反之，当环境亮度由暗变亮时，眼的瞳孔直径会变小 以适应较亮的环境，这个过程称为亮适应。适应过程与人眼中两种主要的感光细胞( 杆状细 胞和锥状细胞) 有关。锥状细胞在亮度水平大子3 c d m 2 的情况下起主要作用，由此定义了 明享璺觉；两杆状细胞在亮度水乎小于0 0 0 1 c d m 2 的情况下被主要激活，从焉定义此种亮度 水平下属于暗视觉。1 9 2 4 年由国际照明委员会( 简称C I E ) 承认的基于人眼对各种波长入的 光的相对
3、灵敏度，为光谱光视效率函数。明视觉光谱光视效率函数V ( 天) ，其最大值在5 5 5 n m 处，暗视觉光谱光视效率函数V ( 天) ，其最大值在5 0 7 n m 处。暗适应过程中，眼睛从明到 暗，开始灵敏度很低，然后逐渐增加，最后达到稳定和清晰。暗适应在最初1 5 m i n 中视觉灵 敏度变化很快，以后就较为缓慢，半小时后灵敏度可提高N l O 万倍，但要达到完全适应需 3 5 m i n 至l h ；而明适应过程较短，约有2 - 3 m i n 。白天司机驾车进入隧道时，簧经历个暗适 应过程，驶出隧道时要经历一个亮适应过程。这些适应过程都会对隧道的交通安全产生影 响。此外，高、中级的
4、隧道管理系统都具有逆向行驶功能，所以，隧道入口段和出阴段照明 设计是对称的。 一1 6 建一 2 0 0 8 绿色照明与照明节能科技研讨会 正因为入眼对光强度的变化需要一定豹适应过程，所以白天当司机驾车从隧道外进入 隧道内时，隧道内外明显的亮度落差可形成黑洞效应，驶离隧道时将形成白洞效应。黑洞 效应和白洞效应都将使司机的视觉出现暂时的盲状态，严重危及驾车安全。为克服这种视 觉上的滞蜃现象，毖须运用照明控制手段使隧道出入翻和隧道内的亮度与隧道外的亮度相 匹配。 瓣 蛋 豢 鬟 靛 罂 3 8 04 8 05 8 0 6 8 07 8 0 波长( n m ) 霾薹入鼹光谱是撬效率蒸数 在隧道照明中
5、，同时存在中间视觉效应的影响。中间视觉，介于明视觉和暗视觉亮度 0 之间，人眼的视锥和视杆细胞同时响应，并且随着亮度的变化，两种细胞的活跃程度也发 生了变化。中闻视觉亮度范豳为0 。0 0 1 c d m 2 - - - 一3 c d m z 之闻。圈量为三种视觉状态下不同的入 眼光谱光视效率函数，其中中间视觉状态下，只给出某亮度下入眼光谱光视效率函数。中 间视觉领域的研究方法大致分3 大类：基于视亮度的异色亮度匹配法，基于视亮度的闪烁光 度学法数及基于反应时闻的视觉功效法。其中基于视觉功效法的中闻视觉模型得到比较多 的认同。复旦大学电光源研究所提出了基于视觉功效的中间视觉s 模裂，本文在设计
6、中将采 用此模型对处于中间视觉范围的亮度进行修正。 1 隧道照明分段及照明要求 量。薹入露段 入口段是隧道内14 个区段的第一段，在进入段行驶的驾驶员进入隧道前必须能看见入 口段的路面情况。入口段的长度取决于隧道设计的最高时速，与最高速度时的安全刹车距 一i 谚一 O O O O O O O O O 锹 舯 黔 2 0 0 8 绿色照明与照明节能科技研讨套 离( S S D ) 相等。这是因为，在此段最远端的路面应当使在安全刹车距离外准备进入隧道的 驾驶员戆看见障碍物。 入1 2 段的长度至少等于安全刹车距离。从刹车距离的一半开始，照明水平可以线性渐 降直至末端约为0 4 L , h 。亮度的
7、降低也可以逐级进行，但前一级亮度和后级亮度的比值不 得超过3 ：l 。 2 2 适应段 适应段是隧道入髓照明的一部分，是用于过渡照明水平相对较高的入弱和隧道内部。 不同标准中对隧道分段划分不是很一样。国际照明委员会( C I E ) 将隧道入口照明分为( 从 隧道1 ：3 开始) 阈值段和过渡段，没有适应段。而日本的隧道照明标准中更进一步将隧道入 口照明分为弓| 入段、适应段、过渡段。 2 3 过渡段 经过照明水平相对高的入口段，隧道内的照明可以逐步降低到很低的水平，这段渐降 的区域就是过渡段。过渡段的长度取决于设计最高时速，以及入霉段尾郝与内部段的照明 水平的差别。 驾驶员进入长隧道后需要一
8、定时间将眼睛调节到能适应内部段较低亮度水平，过渡段 照明从最高到最低的变化必须逐步进行，这也是过渡段的照明的曩的。C l E 隧道照明分段 中，过渡段的亮度由k 蜘= k ( 1 9 + f ) 一4 决定。 2 。4 露都段 。 内部段是隧道内远离外部自然光照明影响的区域，驾驶员的视觉只受隧道内照明的影 响。内部段的特点是全段具有均匀的照明水平。因为在该段内照明水平完全不需变化，所 以在该段内只需提供合适的亮度水平，具体数值由交通流量和车辆时速决定。 2 5 出口段 出阴段是单向隧道的最后区段，由于接近出I X l 时驾驶员的视觉会受到隧道外亮度的影 响，因此可能造成驾驶员不麓及时发现前面行
9、驶在大卡车阴影里的小车。 如果隧道为双向运行时，可以使出1 2 照明和入1 2 照明保持对称布置。出口段照明只需 将隧道最后的6 0 m 区域的亮度提高到内部段亮度水平的5 倍即可。 2 。6t i e 规定隧道各段设诗要求 一1 7 0 2 8 绿色照明与照明节能科技研讨会 巍度值 图2 照明渐变梯度图( 白天) 、 t 、 l If t i I 、 毒 、己溆|羹 ：j ( 】彦f ) ， 髑t 丑 、 - ， 1 厶 、 ：X 4 - , - l o 嘲 l 阈值段l 。 过渡段 1 内部段， + ：。 ；时闻- - - - ) 气 睡3e 毪援定瓣疆遴中亮度的繇低蘧线。 图2 为照明渐
10、变图，从入口段到基本段亮度逐渐下降，由于为双向行驶隧道，出口段 分布和入口段对称。在知道交通速度的情况下，采用图3 的亮度下降曲线，就可计算出隧 道肉理想的亮度梯次分布。豳3 , 9 懿亮度变化也可逐级进行，但莆一级亮度和后一级亮度 的比值不得超过3 ：l ，且绝不能低于图示虚线限额。 2 。? 均匀度及闪烁频率 一般要求隧道内路面亮度均匀度( k ，k ) 不低予0 4 。每条率道中心线上的轴向均 匀度( k ，k ) 应当不低于0 6 ，但不提倡在很长距离内均匀度太高，否则会造成视觉疲 劳和对篦度的缺失。 通常，在2 5 H z 以下和1 5 H z 以上频率的闪烁可忽略不计。 - 一1
11、7 1 2 0 0 8 绿色照明与照明节戆科技研讨会 闪烁频率可由公式计算，闪烁频率( H z ) = 交通速度( m S q ) 灯具间距( m ) 。 在进行隧道照明设计时，般采用0 7 的系统维护系数。 2 8 囊光L E D 路灯 照明光源及灯具的合适选择是保证隧道照明质量的关键。隧道照明的光源除应满足在 隧道特定环境下的光效、光通量、寿命及工作特性、光色、显色性和控制配光的难易程度 等主要要求外，还应选择在汽车排烟形成豹烟雾中仍能保证有良好能觅度的光源。 L E D 具有长寿命、易于控制、灯具效率高、高显色性、色温范围可控制等特点。目前， 白光L E D 发展比较成熟的是P C L
12、E D ，就是在蓝光L E D 夕 - 面涂上黄色荧光粉。通过适当的设计 让部分蓝光透过荧光粉涂层蹬射出来构成光谱中的蓝光部分，同时荧光粉将剩下的一部 分蓝光转换成光谱中的红绿部分。文中用于隧道照明设计的L E D 路灯光源参数妊表l 所示， 图4 为L E D 光谱分布图。 表l 白光L E D 路灯光源参数 功率竞效 色温巍通量灯具效率 自光L E D 路灯 1 2 W 7 5 7 0 8 1 m W6 6 0 0 K6 3 7 5 1 mO 9 9 t 粕 n 0 j 1 J t B e |， 、 ；： J t 6 0 、 ， 、 哟 k 、 麓 I 1 、 、 f | 、0 哂 一 1
13、4505 0 05 秘D鲫7 0 0I 7 1 表2 公路隧道分类 隧道分类特长隧道长隧道 中隧道 短隧道 3 0 0 03 0 0 0 l O o ol O o o 2 5 02 5 0隧道长度( m ) - 1 7 2m 2 0 0 8 绿色照明岛照明节能科技研讨会 褒夜阕则糯反，建低于隧道肉基本照鞠亮度值，当隧道外裔路灯照瞬时，隧道淘路面亮度 值不得低予露天亮度僮的2 错。根据不圊车速帮隧道区毁不褥，其要求豹亮度不同，袭3 袭5 列出了不同标准中对隧道照明亮度及相应区段照明要求。 表3 区段照甥妖度及路面最低亮度 设计车速 引入段适应段过渡段入翻照明 k m h )距离( 蒜)亮度距离(
14、 嫩)亮度距离( 瓣)亮度嚣闽总长 ( c d m 2 ) ( c d m 2 )( c d m 2 )度( 壤) 8 04 08 04 08 0 - 4 64 04 6 - 4 51 2 0 6 02 55 0 3 0 5 0 - 3 03 03 0 一2 。38 5 4 01 53 02 03 0 - 2 02 02 0 一l 。55 5 2 0 殿以下 1 O1 - O 1 O 表4 基本照嬲及夜间照明亮度 设计车速( k m h )路面平均亮度e d m 2 ) 一换算平均照度( 1 x ) 混凝土路匿沥青路蕊 8 0 4 5 6 0 1 0 0 6 02 33 05 0 _ 4 0王
15、S2 03 5 2 0 及瑷下 王。0王52 0 表5C I E 对隧道内部段照圈的雄荐亮度 囊车距离( 瓣)交逶密度( 辆, b 时) 1 0 0 1 0 0 交通密度 1 0 0 0 6 0量23 1 0 024S 1 6 0 3 1 0 1 5 4 隧道照明软件模损设计 垂1 隧道分段及设计 1 7 3 2 0 0 8 绿色照臻与照碉节能科技研讨会 表6 隧道设计水平要求( 亮度单位c d m 2 ) 摇车速度隧道全引入段适应段过渡段1过渡段2基本段一 ( k m h )长( 黻) 亮度长度亮度 长度亮度长度亮度长度亮度 长度 4 06 7 01 0 01 54 01 51 3 57 0
16、4 5 7 01 5 3 3 0 根攘翦嚣提到的隧道设计要求， 表S 为文中要设计的隧道照明，全长6 7 0 m ，入口照明分必引入段、适斑段、过渡段1 和过渡段2 ，长隽1 7 0 m ，基本段为3 3 0 m ，出口段长度同入口照明，也为1 7 0 m ，由于其与入 委照鞠部分对称，赦未列入表孛。整个隧道宽1 5 m ，。蹇8 氇。 圈5 炎给出的崮天隧道照明分区，其中为弓l 入段，为适应段，为过渡段1 ， 为过渡段2 ，为基本段，为选取的基本段中的一部分，作为薏面计算基本段使用， 秘) 为夜晚隧道照明分区，梵基本段，鸯公路进入隧道时过渡酶雩| 入段。隧道照磷设 计采用D I A L u x 照度软件。 3 1 5 。0 0
