基于 L20测量方法的隧道入口智能调光控制方案

李玉环

广东飞达交通工程有限公司

前言：高速公路隧道是一个相对封闭、环境恶劣、设备繁多、通信困难的特殊空间，隧道内很容易发生安全事故，一旦发生安全事故则救援难度很大。隧道照明是影响隧道安全通行的关键因素，本文从隧道照明的关键质量要素及人眼对光的视觉特性着手，结合L₂₀法确定隧道洞口亮度，根据洞口环境亮度、天气、车流量、隧道事件变化来设计智能调光控制方案，为隧道安全通行提供照明保障，同时达到环保节能的目的。

关键词：隧道 照度 亮度 视觉特征 调光

1. 隧道照明的主要质量参数

1. 照度

照度表示光源投射到物体表面单位面积上的光通量，单位为勒克斯（lx），照度因所在平面或者曲面不同分为水平照度、垂直照度、柱面照度和半柱面照度。照度一个可测量的量，是隧道照明的一个关键质量参数；

2. 亮度

亮度是指人眼感受到物体表面反光强度的一个物理量，也表示从物体表面反射出的在特定方向上单位立体角的光通量，单位为坎德拉/平方米（cd/m²）,亮度三个决定因素是光能量、反射率及观察角度。

3. 对比度

目标物能否被看见或者是否看得清楚明确，不仅与观察者的视力条件相关，还有目标物体本身的物理条件和环境相关，目标物与背景之间必须在亮度和颜色上与所在的背景有一定的差别，物体才能被人眼觉察到，即物体与背景之间必须有一定的对比度。

4. 可见度

可见度又称视见度或能见度，指观察者离物体多远时仍然可以清楚看见该物体，能见度的单位一般为米(m)或千米(km)，隧道照明的首要目的是根据隧道的光线亮度提供快速、安全和舒适的可见度，达到交通安全、减少交通事故，提高交通运输效率的目的。目标物亮度和背景亮度的差别高于一个确定的最小值，这个最小值就是可见度，与灯具的安装高度、间距、布置方式有关。

2. 人眼对光线的视觉特性

1. 黑洞效应及白洞效应

白天隧道外面光线亮度强，隧道里面光线亮度弱，当车从隧道外驶入隧道内时，眼前会出现短暂的“黑洞”致使无法看清隧道内的所有东西，这种现象称为“黑洞效应”。反之，当车从隧道里驶出到路面时，光线亮度由暗到亮，人眼视觉容易出现短暂的“白洞”致使无法看清路面及路侧的所有东西，这种现象称为“白洞效应”。黑洞效应及白洞效应是造成隧道内追尾、冲撞等安全事故的主要原因。

2. 人眼的视觉适应性

根据人眼的生理特征，人眼能够感应到非常明亮的环境，也能感应到非常黑暗的环境,最亮至最暗的亮度可以跨越9个数量级。人眼对亮度的敏感度可以通过确定绝对亮度阈值来衡量,即产生视觉感受所需的测试点的最小亮度。当视野内的亮度发生突然变化时,人眼的视觉敏感度会降低,甚至完全看不到任何东西,要经历一段时间之后才能将视觉敏感度恢复到与变化后的亮度等级相对应的级别,这一过程称为视觉适应。

视觉适应通过两个机制来完成,一是调节瞳孔的大小,从而控制进入眼球内部的光的数量;二是视网膜感光细胞和视神经的调整。视觉适应的速度和程度取决于亮度变化的幅度与模式。视野内亮度变化的幅度越大,需要的适应时间越长,反之亦然。

人眼对光的敏感度在暗处逐渐提高的过程称为暗适应,暗适应所需要的时间较长,一般需要几分钟至几十分钟。在暗适应的开始阶段,人眼看不清任何东西,经过一段时间后,视觉敏感度才逐渐恢复。人眼感受视野范围的亮度由暗变亮的过程称为亮适应,这个过程需要的适应时间较短,一般在几秒至一分钟内完成。在亮适应过程中,首先是杆状细胞在暗处合成大量的视紫红质,在大量光线的照射下,视紫红质迅速分解成视蛋白和视黄醛,视黄醛再转换为维生素A,在这个过程中产生刺眼的光感,之后对光不太敏感的锥状细胞开始恢复视觉功能,锥状细胞中的感光色素恢复速度很快,因此亮适应的时间较短。

3. 视觉状态

根据人眼视野亮度等级的不同,视觉状态分为以下三种：

1. 明视觉

当适应亮度大于或等于3 cd/m²时主要是椎状细胞起作用，视觉敏感度比较高，能够觉察到对象的细节和对象的颜色。

2. 暗视觉

当适应亮度小于或等于0.00lcd/m²时,主要是杆状细胞起作用,眼睛只能觉察

到对象的轮廓,而不能识别对象的颜色。

3. 中间视觉

当适应亮度在0.001-3cdm²时,锥状细胞和杆状细胞同时起作用,并伴随着两

种感光细胞的作用转换。在这种适应状态下若亮度较低,主要是杆状细胞起作用,

此时人眼对蓝色更敏感;若亮度较高,主要是锥状细胞起作用,此时人眼对红色更

敏感。

3. 隧道入口段亮度确定

1. 隧道照明区段的划分

隧道是一个隔断了自然光照明的特殊结构物，而隧道内的亮度又跟隧道的长度、灯具亮度、灯具分布等密切相关，人眼在隧道每个具体位置对光的感应度也不一样，所以根据隧道特殊结构及人眼的视觉特征把隧道照明分成接近段、入口段、过渡段、中间段和出口段5个区段：

图1 隧道照明区段划分

2. 隧道入口段亮度确定方法

入口段是进入隧道口后的第一段。沿着车行方向,入口段要么开始于隧道的洞门,要么开始于隧道减光棚(洞)的起点。由于入口段容易形成“黑洞效应”，所以入口段照明亮度是否合理对隧道安全行车致关重要。通常隧道入口段亮度确定方法有：L₂₀方法、觉察对比法、SRN法。由于L₂₀方法测量方便、模式简单、易于执行等优点，本文介绍用L₂₀方法来确定入口段亮度。

3. L20方法来确定入口段亮度

1. L₂₀概念

L₂₀是隧道接近段的亮度，也叫隧道外亮度，是指在离隧道入口一个停车视距处选择一个点，在离地面1.5m高处正对隧道洞口圆锥视场内对景物实际测量得到的平均亮度值。该圆锥视场以向隧道行驶驾驶员的眼睛高度(定义为距地面1.5m高处)为圆锥体的中心视点,圆锥角为20°（2ⅹ10°）,圆锥体的中心轴线为位于隧道洞高度1/4处与驾驶员眼晴的连线，如图下所示

图2 洞外亮度L20示意图

2. 环境简图法确定L20

L₂₀隧道外亮度一般是根据理论与实际测量相结合的方法来确定，通常有查表法、环境简图法、黑度测试法、数码相机测试法，本文主要介绍行业普遍采用的环境简图法。

1. 环境简图法测试原理

环境简图法是根据隧道洞口20°圆锥角视场环境简图中天空、路面及其他不同洞口环境的亮度来综合确定隧道洞外亮度L₂₀的方法。其计算公式为:

L₂₀=r·Lc+p·Lr+e·Le+t·Lth

r+p+e+t=1

式中:

Lc—天空亮度

Lr—路面亮度

Le—环境亮度

Lth—隧道入口段亮度

r—天空所占百分比

p—道路所占百分比

e—景物所占百分比

t—隧道入口所占百分比

在L₂₀的计算公式中，是一个待定的未知量。对大于100m的停车视矩来说,t值一般低于10%,同时Lth相对于其它亮度值也很小，所以t·Lth可以忽略不计。

2. 测试步骤

洞外亮度的实测应在夏季6~8月中的某个时间段,选择睛天无云时连续进行数小时,每日从上午11:00至下午3：00，或从上午8:00至下午6:00,按时距1小时对各实测对象测读。测试采用的仪器主要有照度亮度测试仪、照相机、长皮尺、钢卷尺、1.7m高木质灰板、野外测试用三角架

测试步骤如下：

(1)自洞口隧道轴线处,沿路中线用皮尺量100m,确定三角架的位置；

(2)将亮度照度测试仪置于三角架上,用卷尺确定三角架的高度；

(3)将1.7m高木质灰板置于三角架和洞口之间,距三角架约15m处,让灰板平行于洞口,上贴纯白A3纸1张；

(4)将亮度照度测试仪置于三角架上,开启后调整焦距,使测试对象在仪器观景窗中清晰；

(5)将亮度照度测试仪对准灰板上的白纸,测读白纸亮度5次；

(6)将亮度照度测试仪对准洞口周围的草木、喷射混凝土、岩石及洞口前方的路基、路或路基垫层,各测读亮度数次；

(7)换下亮度照度测试仪,用照相机连同灰板拍摄出洞周围环境的照片。

(8)将取得的各点亮度值通过上面公式计算即可。

3. 入口段亮度

通过上面环境简图法理论及实际的测试数据，可以得到洞外亮度L_20，入口段亮度Lth与洞外亮度呈比例关系，计划公式如下：

Lth=k·L₂₀

比例系数k的大小与天气、车速、洞内照明亮度、车流量等因素有关，可以通过反复现场测试得出对应关系，建立对应模型。

4. 智能调光系统设计

前面我们探讨了通过洞外亮度L₂₀来确定入口段亮度，根据公式关系来调节入口段的亮度，这就是隧道入口智能调光的理论和实践依据。

1. 智能调光流程

调光流程主要是利用洞外亮度照度测试仪获得接近段的亮度L₂₀，计算出入口段亮度L_th，利用洞内亮度照度仪测试洞内路面亮度Lth’_，对比L_th 与Lth’的值来控制调节光通量的输出，流程图如图4.1

图3 隧道入口段智能调光流程图

2. 调光原理

根据前面介绍的洞外亮度与洞内亮度的关系Lth=k·L_20,根据大量的实测试验得出数据组，确定不同情况下的对应关系，在监控中心管理平台建立对比数据库作为基础数据。监控中心控制平台通过对洞内外亮度测试仪采集来的相关数据进行分析和对比，然后根据设定好的工作模式通过集中控制器将调节信号发送给指定的灯具，通过单灯控制器对其色温及亮度进行调节，从而使行车人员适应亮度变化，在保障驾驶安全的前提下达到节能的目的。

3. 通信方式

监控中心软件平台与照明集中控制器连接采用光纤专网传输或3G\4G\5G无线网；照明集控器与单灯控制器之间采RS-485通讯连接，照度采集器通过集中控制器统一信号回传给照明监控中心站软件进行信息分析处理。照明集控器通过接收、执行、转发照明监控中心站软件的命令，对每个单灯控制器进行控制以达到控制每盏隧道灯的开关、调光、调色温。同时照明采集控制器通过输出端可对整条回路电流、电压、电缆漏电、电缆被盗等检测管理。

4. 智能调光系统组成

智能调光系统由监控中心软件平台、照明集中控制器、单灯控制器、移动端APP、数据感知及采集系统（亮度测试仪、照度测试仪、天气感应系统、车流检测器、视频事件检测系统等），受篇幅影响，本文只把亮度照度测试仪作为本文的数据采集设备。系统组成如下图所示：

图4 智能调光系统组成图

1. 中心软件控制平台

软件控制平台安装部署在监控中心，主要对个回路和单灯进行监控、设置参数、下发指令，并对各单灯进行调光、调色温等。由服务器、路由器、交换机等计算机网络设备组成。同时，领导和值班人员还可以按需配置手机APP，手机APP具有中心站软件的主要功能，有权限的人员可以方便、快速、实时掌控照明系统的实时状态。

2. 集中控制器

集中控器是隧道智能调光系统的重要枢纽，安装在箱变中低压配电变压器的低压侧，通过有线RS-485与单灯控制器双向通信，通过3G\4G\5G通讯方式或光纤网与监控中心的中心站软件平台双向通信，完成对单灯的监控和命令传输。

3. 亮度照度测试仪

亮度照度测试仪安装在隧道不同部位，用于采集隧道内不同位置不同时段的光照强度，作为开关灯、调光、调色温的参考依据。

4. 单灯控制器

单灯控制器由电压采集电路、电流采集电路、计量芯片和控制回路等多单元组成。计量芯片将来自电压采样电路和电流采样电路的模拟信号转换为数字信号，并对其进行数字积运算，从而精确地获得各种电量数据（电压、电流、有功功率和功率因数等），并通过有线RS-485和外部（照明集控器）进行数据交换，从达到精准调光的目的。

5. 基础照明控制

在公路隧道照明中，基础照明灯工作时间长，需要24小时工作，为了避免过度照明造成电能的浪费，同时减少LED光衰以及电源寿命的问题，在实际运行中可以通过亮照度采集器对外界光照的数据统计，从而可以根据环境、季节需求调节色温及亮度，提高驾驶行车人员的舒适度，比如在春、秋季节，灯光色温可以调为4000K(暖白光)使用；在夏季，灯光色温可调为5500K（正白光）使用；在冬季，灯光色温可调节为3500K（浅黄光）使用；而在雾霾天气灯光色温可调为3000K（黄光）使用，以达到照明亮度穿透雾霾的作用，解决隧道雾霾带来的交通视线影响；在亮度遥调方面，控制系统可根据洞外环境亮度、交通量的变化，按白天（晴朗）、傍晚（多云）、阴雨天、重阴、夜间、深夜六级标准对洞内照度进行控制。晴朗的白天基本照明和加强照明灯具全部开启，傍晚或多云天气加强照明灯减半，阴雨天加强照明灯开启1/4，重阴天加强照明灯开启1/8,夜间加强照明灯全部关闭，深夜交通量较小时基本照明灯具可按50%调光，最大限度地节约能源。

后记

隧道智能调光系统设及到光学、人体学、物理学等多学科知识，是在各学科理论指导的前提下进行大量的实践实验得出的方法和流程，已在广东省两个路段的十多个隧道中得以应用，应用成效与设计目标一致，希望本文能为高速公路智能照明设计及管控提供一定的参考和借鉴。

参考文献

[1] 李科，浅谈取得隧道洞外亮度L₂₀值的几种方法[A]，重庆绕城高速公路科技示范工程技术交流会论文集；

[2] 马非，吴梦军，谢洪斌.隧道照明[M]，北京科学出版社 2018 7-65

[3] 沈勇,张文俊,刘敬亮.隧道照明技术指南[M]，中国建筑工业出版社 2020 5-18

[4] 公路隧道照明设计细则JTG/T D70/2-01—2014,人民交通出版社,招商局重庆交通科技设计院有限公司

[5] 史惊红 涂 俊 王洪刚， 公路隧道照明节能设计研究新模式， [Ｊ]．照 明工程学报

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学历：硕士

职称：机电高级工程师

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