隧道照明设计介绍 2009/10/30 Mark Fang
目录 视觉现象 什么是隧道 隧道视觉现象的特点 隧道的分段和视觉响应的问题 隧道的白天照明 隧道的夜间照明 应急照明 隧道灯具布置 照明控制
视觉光环境 亮度对比度C: C = ( L0 – Lb )/Lb 式中, L0是目标亮度,Lb是背景亮度 临界亮度差DLt: 人眼刚能识别目标时目标与背景间的亮度差 Ct = DLt /Lb 式中, Ct 是临界对比度 可见度水平: 目标与背景的实际亮度对比度C与临界对比度Ct的比值,用VL (Visibility Level) 来表示 VL=C/Ct = DL / DLt 式中, DL 是目标与背景的实际亮度差 注意:可见度水平越大,目标看得越清楚; 但目标和背景有光泽发射时,就产生眩光
视觉光环境 照度及其均匀度 识别人脸部特征的最低亮度和照度: 亮度 约1cd.m-2 照度 约20 lx水平照度 满意看清人脸部特征的最低亮度和照度: 亮度 约10~20 cd.m-2 照度 约100 lx垂直照度,200 lx水平照度 长时间工作的最佳照度: 约1000~2000 lx水平照度 考虑经济和节能: 实际照度有所不同 在工作区,最小照度与平均照度比: >0.8 环境与工作区的照度比: >1/3 相邻工作区的平均照度比: >5:1
典型隧道的横截面情况 风 管 风扇 车道
隧道视觉现象的特点 在白天,驾驶员进入隧道直至离开隧道,会遇到很多视觉问题: 进入隧道前的视觉问题. 由于白天隧道外的亮度相对于隧道内的高很多,如果 隧道足够长,驾驶员看到的是黑乎乎的一个洞,这就是“黑洞”现象;如果隧道很 短的话,在驾驶员面前就出现一个“黑框”. 进入隧道即刻会发生的视觉现象. 由明亮的外部进入一个较暗的隧道,由于驾 驶员的视觉有一定的适应时间,因此他无法迅速地看清隧道内部的情况,这种 现象称为“适应的滞后现象”.
隧道视觉现象的特点 隧道内部的视觉问题. 在隧道内部,由于汽车排出的废气集聚在隧道里而形成 烟雾. 汽车前照灯的光被这些烟雾吸收和散射,造成光幕,降低了前方障碍物与 其背景(路面、墙面)之间的亮度对比度,从而降低了障碍物的能见度. 隧道出口处的视觉问题. 处于一个很暗的环境,突然前方出现一个很亮的出处, 会产生强烈的眩光,使驾驶员看不清路况,极易发生车祸. 为了解决以上的各种问题,隧道照明分为入口照明、内部照明和出口照明. 一 般隧道内部的照明水平比较低,不可能与外部相比拟,考虑到人眼的适应问题, 因此入口照明是逐渐降低的.
隧道的分段和视觉响应的问题 根据隧道长短分类 短隧道 *小于安全停车距离 长隧道 临近段 加强段 过渡段 内部段 隧道入口
隧道的分段和视觉响应的问题 出于照明设计需要,长隧道一般分为五个区段每个区段均有相应的视觉响应问题 亮度水平 加强段 出口段 过渡段 内部段 隧道长度 临近段 加强段 过渡段 内部段 出口段
隧道的分段和响应的视觉问题 临近段 临近段指隧道口外的一段道路,此处的驾驶员必须能看清隧道内物体.这也是驾驶员视觉调节的阶段,决定了隧道口和隧道入口段的亮度要求.在白天,由于入口外环境的高亮度和隧道内低亮度的强烈对比,也由于驾驶员的眼睛对明亮环境的视觉暂留影响,一个照明不够的隧道口会使人产生“黑洞效应”,看不见洞内任何细节.而在晚上,由于人眼适应了隧道外的黑暗,同一隧道却可能会令人感觉照明良好或刺眼或形成“白洞效应”.
隧道的分段和响应的视觉问题 加强段 加强段是隧道内四个区段的第一段,在临近段行驶的驾驶员进入隧道前必须能 看见入口处的路面情况,消除“黑洞”现象. 加强段的长度取决于隧道设计的最高时速,至少与最高速度时的安全刹车距离 (SSD)相等.这是因为在此段最远端的路面应当为在安全刹车距离外准备进入 隧道的驾驶员能看清障碍物作为背景.
隧道的分段和响应的视觉问题 过渡段 经过照明水平相对高的加强段,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和入口段尾部与内部段的照明水平的差别.
隧道的分段和响应的视觉问题 内部段 内部段即如其名,是隧道内远离外部自然光照影响的区域,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.因为完全不需变化,该段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.
隧道的分段和响应的视觉问题 出口段 出口段是单向隧道的最后区段,接近出口的驾驶员视觉受隧道外亮度的影响,以防止出隧道时,由于高亮度刺激而降低视觉,亦即眩光的影响,这可能造成驾驶员不能及时发现前面行驶在大卡车阴影里的小车.
隧道的白天照明 一般而言,如果从入口前的安全刹车距离外看过去,出口占有视野的很大部分,则隧道或地下通道就无需额外的白天照明(相对于正常的夜晚照明).相反,如果从相同位置看过去,出口在黑框内,其中的障碍物,如汽车等可能隐藏其中,则这时就必须提供白天照明.
照明质量要求 不同区域亮度值各不相同 全路亮度均匀度Lmin/Lav > 0.4 轴向均匀度 Lmin/Lmax > 0.6 L侧墙 (2米以下) >= L 路面 TI = 95.Lv/Lav 1.05 (Lav > 5 cd/m2) TI = 65.Lv/Lav 0.8 (Lav < 5 cd/m2) 频闪 (Hz) 2.5 < FF < 15 注:Lv等效光幕亮度
隧道的白天照明要求和亮度值 L20 临近段L20 驾驶员驶向隧道时在临近段眼睛调适的亮度决定了隧道内阈值段的亮度要 求,在此应该考虑两种调适亮度:临近段的亮度和等效环境亮度、天空亮度. 对处于离隧道口安全刹车距离处的驾驶员而言,也就是临进段的最小长度,其 感受的临近段亮度等于以隧道四分之一高度为底部圆心,以眼睛为顶点的 2X100圆锥视野范围内的平均亮度. L20 天空 环境 道路 圆锥体 天空 道路 环境
隧道的白天照明要求和亮度值 临近段 对大多数隧道类型,可以采取各种措施来降低临近段的亮度,如使用粗糙的深 色材料来处理临近段路面、隧道口立面和近隧道口的墙面(如水底隧道);在和 入口相邻的地方或入口上方植树来遮蔽明亮的天空,或者将隧道口建造的尽 可能高大,这样就可以降低隧道内的亮度,便于节能. 在实际操作中,根据隧道类型和采取的措施的不同,隧道临近段的最高亮度在 约3000 cd/m2 至超过8000cd/m2 之间(对应于水平照度约为100000 lux).
临近段 - L20 计算 (1) 天空 环境 道路 圆锥体 天空 道路 环境
隧道的白天照明要求和亮度值 临近段 L天空 g = L20 + L道路 r L环境 e 注: , 和 分别表示各部分在200视野中所占比例 综合影响临近段亮度的外部亮度因素在不同的隧道有很大不同.比如,对穿山隧道,隧道口周围山体的亮度基本决定了临近段的亮度;对水底隧道,隧道入口上方天空亮度对隧道临近段的亮度起决定作用;对高架道路地面通道和地下通道而言，临近段亮度部分取决于建筑的结构形状,部分取决于上部天空的亮度;而在建筑林立之处,天空的影响很小. 临近段 L天空 g = L20 + L道路 r L环境 e 注: , 和 分别表示各部分在200视野中所占比例 e r g 单位:kcd/m2
临近段 - L20 计算 (Kcd/m²) (2) 隧道的白天照明要求和亮度值 临近段的亮度值(kcd.m-2)
加强段 - Lth/L20比值(在一半加强段的区域) 隧道的白天照明要求和亮度值 加强段Lth:亮度要求 为使驾驶员维持良好的视觉状态,确保安全,在隧道入口处的开头需要相对 较高的亮度,此亮度是临近段亮度L20的函数.加强段亮度Lth 可以利用下表给出的Lth/L20比值计算出来. 需注意的是,隧道墙壁2米以下部分的平均亮度不得低于路面的平均亮度. 加强段 - Lth/L20比值(在一半加强段的区域)
隧道的白天照明要求和亮度值 加强段Lth 长度 遮阳棚 加强段的照明可以是隧道内的灯光,也可以在隧道口通过建造遮阳棚来达到目的.遮阳棚的结构经过合理设计,可以控制自然光到达路面的多少从而得到合适的亮度,但需注意不要在路面上产生干扰性阴影或光闪烁.
隧道的白天照明要求和亮度值 加强段 过渡段 过渡段Ltr 驾驶员进入长隧道后需要一些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,这也是过渡段照明的目的. 过渡段沿隧道轴向的亮度分布由以下公式决定,长度由曲线的标示和车速决定: Ltr = Lth(1.9+ t )-1.4 th 加强段 过渡段
过渡段Ltr - 亮度计算 (CIE 曲线) 加强段 过渡段
隧道的白天照明要求和亮度值 入口段(包括临近段、加强段和过渡段) 一般各段的照明不可能均匀下降; 可以使用阶跃式下降的方式,只要相邻阶跃的亮度比不超过3:1就可以,因为人的视觉在这种状况下还不受影响.
隧道的白天照明要求和亮度值 内部段 内部段的照明无需任何变化,只要提供均一的稍高于普通开放式道路照明水平的亮度即可.除了高亮度使驾驶员感到更安全外,还要考虑路面的反射条件,需要相对较高的亮度主要是因为在隧道内由于污染的影响降低了能见度.这也是为什么推荐的亮度跟刹车距离和交通密度有关系的原因.
CIE对隧道内部段照明的推荐亮度(cd/m2) 日本隧道照明标准对内部段照明的标准 注:平均亮度的换算系数,混凝土路面为13;沥青路面为22. CIE对隧道内部段照明的推荐亮度(cd/m2)
隧道的白天照明要求和亮度值 出口段 由于人眼从暗向明视觉的调节速度极快,所以,隧道出口并不需为视觉适应增设照明.但是,为使驾驶员在明亮出口的视觉背景下可清晰看见前面大车阴影中的小车,以及离开出口时有良好的后向视觉,或为应急时和维护时可双向运行,可以使出口的照明和入口照明保持对称布置.出口段照明只需将隧道最后的60米区域的亮度提高到内部段亮度水平的五倍即可.
出口段 - 亮度要求 如果有眩光影响(如阳光、雪地、水面等)的亮度要求: 要有足够的后视照明 同时用作入口,增加过渡段,一般过渡段的照度应为隧 道口外部照度的1/10,过渡段的长度不大于80m
隧道的夜间照明 以上讨论的是隧道的白天照明.对于夜晚照明而言,入口照明相应地减少,而出口段,则由于隧道外的照明比隧道的内部段照明更低,在夜晚会出现“黑洞”现象,因此,一般应设置过渡段,逐渐减低照明水平直至达到外部道路的夜间照明水平.
夜间照明 日本隧道照明标准的夜间出口过渡照明
应急照明 隧道照明设计中还应包括应急照明.如果隧道内停电,其后果不堪设想. 应急 照明应使用独立于主照明的电源供电,在停电后自动接入,启动应急照明. 应急照明的照度一般应为正常照明的1/5. 如果是长时间停电,还应提供入口 处的信号照明,以警告驾驶员放慢车速,减少事故发生的可能性. 同时还应设 置诱导照明,在隧道内壁上等间隔布灯,指明隧道内壁位置和隧道的走向. 可以采用不同的输入线路.
隧道灯具布置 相对:相对和交错布置一般是将灯具安装在墙面和天顶轴线之间的某一地方,而 不是安装在侧面,其原因是为了提供良好的视觉环境,使隧道墙壁底部到2 m高 处的范围内的平均亮度不小于路面的平均亮度. 交错 中间:中间排列是将灯具安装在天顶的轴线处,这样维修比较困难,会影响交通, 所以一般不采取这种方式.
照明设计考虑因素 高流量和高车速,需用更高的亮度 交通流量和车速 外面亮度 隧道分类－短隧道和长隧道 白天照明和夜晚照明 亮度均匀度 照明控制 维护 短隧道,长度小于安全停车距离,而且是直线,没有白天人工照明也可以有足够的可见度.长隧道,需用几个照明区域
隧道照明步骤 确定隧道类型 确定隧道亮度和均匀度 确定隧道的道路类型,从而确定垂直照度,要高于标准 选择合适的光源和灯具 确定照明方式,灯具间距等 计算照明效果,改进照明方案
隧道灯具的选择及布置 光源 隧道照明中一般选用的光源是荧光灯、高压钠灯、荧光高压汞灯 、金卤灯 灯具 灯具多为吸顶式或嵌入式. 要适应恶劣的环境,振动、烟雾、灰尘 反射 采用高反射率材料,反射率应高于50%;同时应避免镜面反射
隧道照明用光源与灯具配光 缺点是入口处较暗,可能引起驾驶员的不安全感,有小车被大车的阴影笼罩而不易发觉的风险,且墙壁照明较暗而不均匀. 隧道灯具典型配光 最大距高比S/h 光源类型 效率 cd/W (q0=0.1) TLD 2.0 1.5 SOX-E 4.0 横向配光 SON-T 2.8 3.5 4.5 纵向配光 3.5-4.0 逆向非对称配光 2.0-2.5 缺点是入口处较暗,可能引起驾驶员的不安全感,有小车被大车的阴影笼罩而不易发觉的风险,且墙壁照明较暗而不均匀.