汽车前照灯对隧道路面照明质量影响研究

梁 波，凌 超，李 翔，张扬帆

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆 400074)

0 引 言

隧道照明工程的意义在于给驾乘人员提供良好的视觉环境，允许驾驶者能够准确地接受隧道内的视觉信息。传统的隧道照明评价指标主要考虑路面亮度、亮度均匀度、闪烁和诱导性等[1]，而近些年来许多国内外研究人员都重视了对可见度水平的研究。可见度水平[2]是人眼辨认物体存在或形状难易程度的综合指标，可见度水平越高，人们观察目标物的清晰程度就越高，就越有利于隧道内的行车安全和交通顺畅。

公路隧道由于其封闭性、地下化等特点，使得洞口段、过渡段、中间段照明环境差距大；而且在洞口段易发生“眩光”、“黑框效应”，更增加了驾驶者的视觉疲劳和心理障碍。所以为了保证安全行车，汽车在隧道内行驶必须要打开前照灯。汽车前照灯[3]的主要作用是照亮前方道路、对面行驶车辆、交通标志和行人；前照灯的发展由1925年以前的乙炔气前照灯到当今常用的氙气前照灯、LED灯，已经历了5代的更新。

通常我们研究隧道照明质量时，所考虑到的光源仅是隧道灯具照明和侧壁的反光效果，但忽视了汽车前照灯的影响。国外已经有许多对道路照明环境下前照灯影响的研究：M. S. JANOFF[4]在其试验中研究发现汽车前照灯会减小路面小目标可见度；A. EKRIAS等[5]研究发现前照灯对道路可见度影响取决于车灯、目标反射系数和汽车与目标的相对位置等多种因素。

调研发现前人研究大多关注于道路，对公路隧道这一特殊的交通建筑研究较少。因此，笔者以公路隧道内汽车前照灯对路面照明质量的影响为研究对象，基于自主研发的室内隧道缩比模型，通过前照灯对隧道路面亮度、亮度均匀度和小目标可见度影响的试验研究，并使用Dialux软件进行仿真分析，得出前照灯对隧道路面照明质量的影响规律。研究有助于对公路隧道照明的资源合理配置和设计不断优化，提高照明质量以保障行车安全，也对现有隧道照明评价指标有所补充，顺应绿色照明发展趋势。

1 可见度水平

可见度的概念源于视度(Visibility)，一个物体能否被肉眼察觉，需要一定的尺寸、照度和对比度；当尺寸和照度一定时，对比度越大，物体就越容易被看清。可见度直接影响人眼辨别物体是否存在或其形状的难易程度，反映了人眼观察目标物的清晰程度。

可见度常采用可见度水平(VL)表示，它表示为障碍物和其所处背景亮度的差值与阈限亮度和其所处背景亮度差值的比值，如式(1)：

(1)

式中：VL为可见度水平；Lt为目标亮度值,cd/m2；Lb为背景亮度值,cd/m2；ΔLthreshold为阈限亮度差，与背景亮度、视角、眩光、年龄等因素有关。

当目标亮度大于背景亮度(即Lt>Lb)时，表现为正对比；反之为负对比，见图1。在不考虑前照灯影响时，道路目标对比度的正负对比主要取决于隧道内的灯具布置方式。例如在单车道照明设计时，合理布置灯具使路面亮度均匀且达到规范要求，并使目标物上垂直面亮度较低，达到全负对比[6]的照明效果。

图1 可见度正负对比示意Fig. 1 Schematic diagram of positive and negative contrast ofvisibility

小目标可见度(STV)由美国照明工程学会(IESNA)提出，并在2000年正式将STV作为道路照明标准。《IESNA-RP-8-2000》[6]对阈限亮度差作了多次修正，计算得到的VL值反映了照明环境下某测量点的适应亮度、均匀度、眩光以及目标物表面亮度、其所处位置的背景亮度等对可见度的影响程度，是表达照明视觉环境质量的综合性指标；而STV值是路面各测点VL值的加权平均值，如式(2)：

(2)

式中：RWVL为加权可见度水平；ARWVL为加权可见度的平均值；n为测量区域内测点的数量； STV为小目标可见度水平。

将可见度水平作加权平均处理得到的小目标可见度是为了表达路面的整体照明质量，然而这样却掩盖了部分特殊区域的可见度的真实情况，如被前照灯照射部分路面。

2 前照灯在隧道照明中仿真分析

用Dialux建模来对汽车前照灯对隧道路面照明的影响作仿真分析。模型隧道长度300 m，隧道高7 m，隧道路面宽10 m，具体断面尺寸如图2。

图2 仿真计算模型断面尺寸Fig. 2 Section size of simulation calculation model

隧道路面为沥青混凝土路面，侧壁为瓷砖。布灯间距为10 m，两侧对称布灯。在隧道中间段放置汽车，其前照灯模拟汽车近光灯，光通量为900 lm，射程为20 m。利用软件分别计算有无前照灯影响时的隧道亮度和照度，其计算结果见表1，两种情况的亮度渲染如图3。

表1 射程范围内的仿真计算结果Table 1 Results of the simulation calculation within the range

(a)没有开启前照灯

(b)开启前照灯

从表1可以看出，前照灯仅仅使其所照射路面的平均亮度和照度发生微小增加，分别为0.88%和2.08%；但开启前照灯后，最大亮度提高了25.31%，最大照度提高了25%，然而最大亮度的提高会导致路面均匀度的减小。

3 室内模型试验

3.1 模型和设备

室内隧道模型模拟比例1∶10为单向三车道隧道，模型断面宽1 m，高0.9 m，拱顶半径为0.567 m的1/3圆周，侧壁可以更换不同的材料板，室内模型如图4。

图4 室内隧道缩比模型Fig. 4 Indoor tunnel scaled model

隧道模型内置照明为无极调光调色温LED灯，布置方式为中间布灯，间距为50 cm。使用前置LED光源模拟汽车前照灯，有3个不同光通量的档位。采用PR-655光谱亮度计来测量目标及背景亮度，使用Radiant成像亮度计来采集试验实景亮度伪色图。

试验测量布点参考《IESNA-RP-8-2000》中的布点方式，在一个照明循环内，每车道采用横3纵5的方式布点。因本模型为单向三车道隧道，故隧道路面布点为横9纵5，共计45个测点，测点布置如图5。

图5 测点布置(单位：cm)Fig. 5 Arrangement of measuring points

3.2 试验步骤

为研究前照灯的不同光照强度对STV值的影响及其与隧道内置照明、侧壁三者的综合效果，选择试验变量为不同前置光源光通量、路面恒定亮度和侧壁材料，参数设定[1,7-9]和试验工况具体见表2～表5。

表2 前置光源各档位参数Table 2 Parameters of front light source of each gear

表3 内置照明各档位路面亮度Table 3 Road luminance of each gear of built-in tunnel lights

表4 侧壁材料漫反射系数Table 4 Diffuse reflection coefficient of different sidewall materials

表5 试验工况表Table 5 Test conditions

试验前，将内置灯具和前置光源调节为试验工况对应的档位，安装好对应侧壁材料。将亮度计和LED光源放置在模型路面中间车道X5点的正前方8.3 m，亮度计高14.5 cm，前置光源高7 cm。试验时，根据测点布置图将小目标放置在某测点处，然后利用亮度计依次测量并记录小目标上边界背景亮度值Lb1、小目标亮度值Lt和小目标下边界背景亮度值Lb2(其中Lb等于Lb1、Lb2的平均值)，详细示意如图6。待该测量点测试完成，再移动小目标至下一点进行测量，直至所有测点测完。

图6 小目标可见度测试示意Fig. 6 Schematic diagram of the small target visibility

3.3 模型试验结果分析

3.3.1 前照灯对隧道路面照明影响范围分析

分析比较工况1、2、3和5来分析前照灯对隧道路面参数的影响，见表6。从表6中可以看出，有前置光源照射时，整个隧道路面亮度、总均匀度和纵向均匀度的变化并不是很大，其中亮度仅有微弱的提高，总均匀度和纵向均匀度都有小幅的降低。但是整个路面的STV值却有明显的下降，分别为35.72%和39.25%。

表6 工况1、2、3和5的各路面照明指标Table 6 Road lighting indexes of case 1, 2, 3 and 5

从小目标可见度的明显降低和其他3个参数的无明显变化可以推测：前照灯对隧道照明的影响限定在一定区域范围以内。

试验中的前置光源的照射范围如图7，可见路面前方的光源将隧道路面分成区域Ⅰ、区域Ⅱa和区域Ⅱb。

图7 前置光源的照射范围Fig. 7 Irradiation range of front light source

由于前照灯直接照射的作用，工况5的小目标的亮度值明显在区域Ⅰ比区域Ⅱa和区域Ⅱb里要大，小目标亮度提高66%左右，如图8。可见前照灯对车道前方目标的照亮效果非常好，而且影响范围只在其直接照射区域内。

将工况1和工况2中路面各点亮度和可见度水平的分布图绘制出来，如图9、图10。从图9中可以看出，当有前置光源时，亮度的小幅增长仅仅体现在区域Ⅰ内；而从图10中可以看出，前置光源对区域Ⅰ的可见度水平有明显的降低作用。可见前照灯对路面亮度和可见度的影响是局限于某一范围的，即图7中的区域Ⅰ；而区域Ⅱa和区域Ⅱb的亮度和可见度相比没有前置光源的情况并无明显的变化。为了更有针对性地研究前照灯对隧道小目标可见度的影响，将隧道的STV值的计算分为区域Ⅰ和区域Ⅱ(区域Ⅱ由区域Ⅱa、区域Ⅱb组成)，结果见表7。

图8 工况5小目标亮度分布Fig. 8 Small target luminance distribution of case 5

图9 工况1、2的路面亮度分布Fig. 9 Road luminance distribution of case 1 and case 2

图10 工况1、2路面可见度分布Fig. 10 Road VL distribution of case 1 and case 2

工况区域Ⅰ的STV区域Ⅱ的STV16．1695．71321．3495．79137．8287．32351．6247．434

由表7看出，当有前置光源(中灯)时，在直接受其照射的部分路面(区域Ⅰ)的STV值有大幅的下降；其中，当灯具照明为一档时降低了78.13%，二档时降低了79.25%。但在不受其直接照射的路面(区域Ⅱ)，小目标可见度并无明显变化。

3.3.2 前照灯的不同光照强度对STV值的影响

比较工况3、4、5和6，当路面恒定亮度为4.8 cd/m2，侧壁为瓷砖时，分析在不同光照强度的前置光源照射下，隧道路面小目标可见度的变化。其STV值见表8和图11。

表8 工况3、4、5和6的STV值Table 8 STV values of case 3, 4, 5 and 6

图11 不同光通量前置光源下的STV值Fig. 11 STV values under front light source with differentluminance flux

由表8、图11中可看出，当前置光源光通量从10 lm增加到20 lm和24 lm(小灯到中灯和大灯)时，区域Ⅰ的STV值分别下降了26.98%和66.91%；而区域Ⅱ的STV值并没有明显变化。可见，随着前照灯光通量的增加，会导致照射前方路面的小目标可见度随之降低。

3.3.3 内置照明和侧壁材料改变时对可见度影响

比较工况2、5、7、8、9和10，当前置光源光通量为20 lm，分析在不同路面恒定亮度和不同侧壁材料影响下，隧道路面小目标可见度的变化，结果见表9、图12。

表9 工况2、5、7、8、9和10的STV值Table 9 STV values of case 2, 5, 7, 8, 9 and 10

图12 不同侧壁下的路面亮度和STV关系曲线Fig. 12 Relationship curve of road luminance and STV withdifferent sidewall materials

从表9、图12中可看出：当前置光源不变、侧壁材料为瓷砖时，随着路面亮度的增大，路面区域Ⅰ的STV值随之缓慢增加，区域Ⅱ的STV值有显著提高；当侧壁为新型蓄能反光材料时，也有相同的规律。可见，增加隧道内置灯具的照射强度可以提高STV值，减小前照灯对路面可见度的削弱作用。

从图12中还可以看出，相同条件下，当侧壁由瓷砖换成新型蓄能反光材料时，STV值均有微小的提高。可见，使用高漫反射系数的侧壁材料能改善前照灯对路面小目标可见度的削弱。

4 前照灯对隧道路面照明影响机理

4.1 前照灯对STV的削弱作用机理

分析室内模型试验结果可知，前照灯对其所照射区域路面的小目标可见度有降低作用。用成像亮度计采集的试验实景亮度伪色如图13。从图13(a)中可以看出，在没有前照灯直接照射影响的区域里，由于隧道内置灯具将路面照亮，使小目标与路面成负对比并保持很好的可见度〔图13(a)中X3〕；当前照灯照向小目标时，小目标的亮度骤然增加，降低了目标亮度与背景亮度之差，导致可见度降低〔图13(a)中X5〕；当前照灯的光通量较大时，甚至使小目标完全溶于背景而丧失可见度〔图13(b)中X5〕。

图13 试验实景亮度伪色Fig. 13 Pseudo-isochromatic luminance images of the experiment

所以前照灯对路面可见度削弱作用的主要原因是前照灯减小了目标亮度与背景亮度之差，减小了目标原有的对比度，导致可见度降低，即式(1)中Lt-Lb的减小导致VL的降低；有时甚至会出现目标可见度为0或正对比的情况。

4.2 前照灯对可见度的影响因素分析

前照灯对可见度的影响机理复杂，影响因素众多。可以将影响因素归为3类：前照灯的性质、目标特点和隧道内照明条件。

前照灯性质主要包括：车灯的照射角度、射程、光通量和车灯的类型。目标特点主要是其尺寸、形状、反射率以及目标和车的距离等。隧道内照明条件包括隧道本身的照明质量(路面亮度、灯具的布设和光源色温)，侧壁材料的性质，路面的反射系数等[10-11]。

4.3 前照灯对路面照明的效果与影响

隧道内行车开设前照灯的意义在于照亮前方道路、障碍物和交通标志，以保证驾驶者能够准确的接收到路面前方的视觉信息。目标亮度越大，进入人眼的光线越多，越有助于目标的清晰显现。模型试验结果也证实了前照灯对照亮所在车道正前方小目标有很好的效果。

综合评价的前照灯对路面照明质量的影响，主要考虑亮度、均匀度和STV值。通过仿真分析和模型试验结果发现，前照灯对路面亮度和均匀度的影响是微弱的。

对于小目标可见度，模型试验中由于灯具在小目标垂直面上投射的光线很少，导致增加前置光源后STV值下降幅度较大，而灯具的布设对可见度的影响是起主要作用的；STV值描述的是较小尺寸的目标可见度，现实中隧道内可能会遇到的障碍物或行人的尺寸较大，其可见度受前照灯的削弱作用要小。《IESNA-RP-8-2000》中给出的各道路等级STV的推荐值均保持在1.6～4.9，综合模型试验结果可见，虽然前照灯在一定区域内对路面小目标可见度有削弱作用，但STV值依然可以维持在保证安全的范围内。

5 结 论

1)汽车前照灯对提高所在车道正前方的小目标亮度有很好的效果；对公路隧道路面的亮度、亮度均匀度有微小的影响；对路面小目标可见度有削弱作用，但这种影响不是对整个路面，而是限定在其所直接照射范围以内。

2)前照灯的光通量越大，其对小目标可见度的削弱就越明显，其原因主要是前照灯减小了目标亮度与背景亮度之差。较高的路面亮度和有较好反射率的侧壁可以改善前照灯的不利影响。

3)STV值没有考虑到汽车前照灯的影响，而前照灯对部分路面可见度的影响是不可忽视的。STV值是将整个路面测点的可见度水平加权平均计算，这样掩盖了部分区域可见度低的情况。

前照灯对路面可见度影响的因素多且复杂，要定量评价前照灯对可见度的贡献值是非常困难的。今后对公路隧道可见度评价研究可以基于考虑前照灯、目标特点、隧道本身照明条件三者的综合作用影响。如何综合考虑影响驾驶员视觉功效的各种指标来评价前照灯对隧道路面照明质量的影响，尚需进一步开展研究，以达到不断优化隧道照明设计、保障行车安全、提高驾驶舒适度的目的，从而推进绿色照明的发展。

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