基于光气候理论的隧道洞外景物亮度研究[2]

　　3 参考光气候条件下的隧道洞外景物表面照度

　　通过对重庆、贵州、福建等地的20 多条隧道的实地调研，发现隧道洞外一个停车视距、20°视野范围内，典型的景物要素有洞口、路面、端墙、护坡、岩壁、绿化、建筑物、广告牌等。这些被照表面的亮度都取决于被照表面的照度值和反射特征。所调研的隧道中未出现天空，因此本文的讨论中未考虑天空亮度。

　　3. 1 水平面照度值与垂直面照度值的转换系数

　　对于隧道洞外景物表面，除了路面通常为水平面之外，其他表面或是倾斜面或是铅垂面。一般隧道口端墙、广告牌、建筑物是铅垂面或近似铅垂面，而岩壁护坡和绿化通常为倾斜面。由于跟视线的相对位置关系，草坪和护坡岩壁可以在微元单位上看作与视线垂直的铅垂面。这样可以简化隧道口景物表面的亮度计算。

　　既然隧道洞口所有的景物表面都可以简化为铅垂面，那么如果能找到水平面照度和垂直面照度的转换关系，就可以方便地将光气候观测数据中的水平面照度值转化为垂直面照度。

　　垂直面照度转换系数是指在一标准天空下，某一垂直面照度与水平面总照度的比值。重庆大学奚于成博士对此进行了研究，并给出了与日面状况和云量相关的、不同朝向的垂直面照度转化系数。与研究隧道口洞外景物亮度的基准参考天空条件对应，为了简化计算，我们选取标准晴天空条件，即考虑日面状况为θ2 和总云量为0 的条件下，不同方向的垂直面照度转换系数。由于我们研究隧道洞外景物亮度的参考光气候条件是夏至日正午，而在正午时刻东西方向的垂直面照度转换系数应该基本相当，因此，本文根据文献[5]，并将东西方向合并取平均值，给出了累积出现频率75 小时的最大水平面照度的参考天空条件下的垂直面照度转换系数， 如表1。

　　3. 2 以重庆为例计算隧道洞外景物表面照度

      根据光气候理论研究和已有成果的运用，以及对重庆已有的光气候观测资料的分析，我们确定了重庆地区隧道洞外亮度的参考水平面照度为97000lx，参考天空条件为夏至日正午的标准晴天空。根据此条件选择的垂直面照度转换系数表( 表1) ，计算出不同朝向的表面照度值，见表2。为了简便同时满足工程的需要，精确到1000lx。

　　4 隧道洞外典型景物表面亮度

　　通常为了行车安全，在隧道入口处的构建筑物尽量避免使用定向反射率高的材料，因此我们将隧道洞外典型景物表面定义为漫反射或近似漫反射表面。对于均匀漫反射可以用公式: L = E·ρ /π 计算得到。

　　为了简化计算，本文将典型的隧道洞外景物要素分成几类，分别考虑其表面亮度。

　　a) 洞口亮度: 根据隧道入口段的亮度要求直接给出了洞口亮度为200cd /m2。对于路面、构建筑物和绿化植被则进行了分别讨论。

　　b) 路面亮度: 路面比较特殊， 其表面为水平面，并且由于路面材料的不同，以及使用过程中的污染，其反射特征具有特殊性。考察路面的表面亮度，首先确定某一地区的参考水平面照度，以及参考水平面照度中直射照度和散射照度; 确定该地区夏至日正午的太阳的天顶角γ; 根据太阳天顶角和路面材料做法确定路面类型。查CIE 的简化亮度系数表，确定该天空条件和路面状况下的亮度系数r，得到太阳直射光的亮度。根据路面材料确定散射光的平均反射系数Q0，计算得到散射光的亮度，两者之和即为天然光条件下的路面亮度。

　　c) 构建筑物的表面亮度: 先假设其为均匀漫反射或近似均匀漫反射材料; 根据参考光气候条件中参考水平面照度的垂直面转化系数转化成不同方向的垂直面照度，根据常用材料反射系数表选定材料的反射系数，就可以计算出构建筑物的表面亮度。为了简化计算，本文分成深浅材质，取了两种典型反射系数值( ρ = 0. 2 和ρ = 0. 5) 计算。

　　d) 植被绿化表面亮度: 将灌木、乔木和坡面上的草本植物理解成铅垂面; 用参考水平面照度的垂直面转化系数转化为不同方向的垂直面照度。选取两种不同深浅的植被( ρ = 0. 05 和ρ = 0. 1) ，就可以计算出植被表面亮度。

　　简化之后的重庆地区隧道洞外典型景物亮度取值见表3。

　　同样，可以根据不同地区的光气候观测资料确定参考光气候条件，并计算出各个地区的隧道洞外典型景物表面亮度，作为隧道照明设计的基准参数和依据。

　　5 小结

　　本文在国内外隧道照明研究成果基础上，以光气候理论为依据，结合CIE 关于隧道洞外亮度值取值原则中的累计出现频率的概念，确定用参考光气候条件作为计算隧道洞外景物亮度的基准。通过对多个城市的光气候观测数据的分析，对这一理论的普适性进行研究。并以重庆为例，给出计算了隧道洞外典型景物亮度值的方法，并计算出重庆地区的隧道洞外典型景物亮度值。

　　光气候理论研究隧道洞外景物亮度，可以得到更准确、更符合我国光气候特点的隧道洞外景物亮度的标准参考值，为隧道照明设计提供更切合实际的基础数据，避免因隧道洞外亮度值取值的不准确带来的能源浪费或者因此造成的安全隐患。