高寒地区公路隧道照明设计速度优化方法

韩直 王俊莹 关雨嫣

摘要 为了减少隧道经营中隧道照明的投资，且考虑高寒地区隧道行驶的风险，对高寒地区隧道照明亮度进行影响因素分析，提出洞外亮度与容许交通风险的关系，基于考虑了与容许交通风险、设计速度和投资的约束条件，对不同约束条件对照明功率的影响进行分析。首先，考虑高寒地区的雪盲现象导致雪地场景所需的洞外亮度遠大于3 000 cd/m2，以置信度来表示行车安全所需的容许交通风险;其次，以照明功率为约束条件，分析各照明段落所需的照明功率，以投资不变为前提，分析高寒地区以降低设计速度为方法来改善洞外亮度增加对行车安全造成的影响，最后通过分析对比确定优化后的设计速度是否满足公路最低限速。研究发现，在投资条件不变的前提下，降低设计速度可以提高高寒地区隧道行驶的安全性。

关键词 高寒地区;隧道照明;照明功率;设计速度优化;容许交通风险

中图分类号 U453.7 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0052-03

0 引言

截至2019年底，我国公路隧道19 067处，总长达1 896.66万m[1]。较去年增加了1 329处，173.05万m。高寒地区由于冰冻期长，雪盲现象严重，使得洞外亮度L20可达10 000 cd/m2以上，洞外亮度大加上入口段驾驶员的视野变小，易使驾驶员操作失误造成交通事故。若使安全问题得到有效解决，须增加洞内亮度，这无疑增加了隧道的建设与维护费用[2]。

隧道路段成为道路事故黑点，其中最大的影响因素就是隧道的光环境。为了改善隧道光环境带来的影响，目前主要采用遮光设施、照明设施和视线诱导设施三种方式[3]。但遮光设施实际应用普及性并不高，照明设施广泛使用的同时也伴随着了高能耗的不足[4]，视线诱导设施则在隧道路段事故频发点——隧道出入口的效用并不明显。针对隧道出入口处“黑洞效应”和“白洞效应”带来的不利影响，主要采用降低洞外亮度和增加洞内亮度两种方式[5]。胡思涛等人对入口照明状态对交通安全影响的研究发现，降低洞内外的速度差可以增加入口段的交通行车安全[6]。

因此，该文针对高寒地区公路隧道照明设计，如何在不增加投资条件下，通过优化设计速度来改善照明效果进行研究。阐述设计速度优化的约束条件和方法，分析隧道照明段落及照明功率的影响因素，建立照明亮度与影响因素之间的关系模型。

1 约束条件

1.1 容许交通风险

1.1.1 按L20定义分析

隧道照明的优化除了投资条件的限制，还应受到速度与洞外亮度L20的约束。根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2—01—2014）[7]（以下简称“设计细则”）可知洞外亮度只受到天空面积百分比、洞口朝向或洞外环境、设计车速三个条件的约束，未考虑冰冻期冰雪的高反射率对洞外亮度的影响[3]。

根据国内外对于L20的定义为：洞外亮度一年中至少出现75 h（白天时间）最高亮度值。这也就意味着前74 h的亮度不能满足照明设计，这是存在交通风险的，以RT表示容许的交通风险，则：

（1）

在设计阶段，洞外亮度无实测资料时，一般按L20=

3 000 cd/m2取值。冰雪的高反射率使得冰冻期的洞外亮度远大于非冰冻期洞外亮度。若要保持原洞外亮度不变，所需要接受的交通风险会对应增加。根据中国气象局发布的《中国地面累年值日值数据集（1981—2010年）》查询可知，高寒地区最长冰冻期为180天。由（2）式可知，若要保持洞外亮度水平不变，则容许的交通风险会增加。

（2）

1.1.2 按临界交通量分析

以ST表示停车距离（m），以v表示设计速度（km/h），则目前国内外采用的照明停车视距，可按下式计算：

（3）

式中：v为设计速度，km/h;t为反应时间，取1.2 s;k为安全系数，取1.2～1.4;φ为路面摩擦系数，取0.4;i为道路纵坡坡度，上坡取“+”，下坡取“−”;l0为安全距离（m，含车辆长度）。

以Δt表示车间临界安全时距，即：

（4）

临界最小交通量，也就是交通流状态为自由行驶，此时车辆到达服从泊松分布，在Δt时间内，到达的车辆数不大于车道数，在此按单洞双车道，坡度为零，临界交通量为350辆/（h·ln）时，对应的概率如表1所示。

由表1可见，静态障碍物容许的交通风险区间为0.043～0.131。

综合上述分析，目前国内外实际容许的隧道照明交通风险为0.043～0.200。隧道照明容许风险可以是一个定值，也可以根据道路功能与经济条件来确定，工程中一般5%的风险是允许的，故可以认为，隧道照明的容许交通风险范围为0.05～0.20。

1.2 照明功率

据统计，我国公路隧道近2万座，全国公路隧道每年耗电量高达数百亿度，费用更是超过数百亿元。高昂的运营成本使得不少隧道出现“建得起养不起”的现实问题。更有甚者，为了节约开支，选择不开灯或少开灯，大大地增加了交通风险[5]。因此，在满足不增加投资的条件下，选择优化速度来改善照明效果，降低交通行驶风险。

1.3 设计速度

车辆行驶速度（V′）应不低于公路最低限速（Vmin），即：

V′≥Vmin （5）

2 照明段落与照明功率影响因素

2.1 照明段落划分

根据“设计细则”和CIE的规定[8]，将单向交通隧道照明分为入口段照明、过渡段照明、中间段照明和出口段照明四个照明段落。

根据隧道长度要求可将隧道照明分为三种情况：

（1）隧道长度足够设置过渡段1。

（2）隧道长度足够设置过渡段2。

（3）隧道长度足够设置过渡段3。

根据“设计细则”，可将隧道各段落的长度和照明亮度的计算总结[9]如表2。

2.2 k、L20、v和设计交通量与照明常亮度的关系

洞外亮度的大小决定了L20的取值，当交通条件（车辆设计速度、高峰小时交通量以及交通组织等）一定时，L20的大小不仅决定了入口段的照明标准Lth，同时也决定了过渡段的照明标准。根据表2可知，入口段亮度与K、L20成正比，而根据“设计细则”，k与v和设计交通量Q（veh/h·ln）相关，Lin又与Q、v相关，根据“细则”的数据，k、Lin与速度的关系总结如下表3。

3 数学模型

该文采取仅优化设计速度的方法。根据约束条件，须计算优化设计速度后的照明功率。

根据“设计细则”，隧道照明墙面亮度不低于路面亮度的60%，设墙面亮度为路面亮度的60%，以Si表示第i个照明段落的面积，Pi表示该段落的照明功率，η表示灯具利用率，φ表示灯具的额定光通量，μ表示路面亮度与照度的换算系数，M表示养护系数，Di表示第i个照明段落的长度（m），Li表示第i个照明段落的亮度，则：

（6）

（7）

令 （8）

则： （9）

对于三种情况下的隧道照明功率所满足的几何关系为y=f（P，V，L20）。

（10）

式中：P1为只设过渡段1的照明功率;a1、b1为参数k的回归系数;a2、b2为参数Lin的回归系数;Dth为入口段长度;DZ为中间段长度。

情形一推导得出结果如式（11）。

情形二、三对应只设置过渡段1、2和设置过渡段1、2、3的情况，由于推导过程与情形1相同，因而仅给出推导结果，分别为式（12）、（13）。

4 示例

某高寒地区隧道长5 000 m，设计交通量Q≥

1 200 veh/h·ln，設计速度v=120 km/h，隧道净空高度6 m，隧道纵坡坡度为0。原设计L20按“设计细则”取值为3 000 cd/m2，冰雪晴天洞外亮度为8 000 cd/m2。按该文方法进行设计速度优化。

（1）各段落长度及照明亮度。根据“设计细则”，各照明段落划分如表4所示。

（2）各段落的照明功率。根据式（8）可得，各照明段落的照明功率如表5所示。

考虑约束条件且完全考虑雪盲现象，对运行速度进行调整，调整后的速度（v′）：

v′=71 km/h （14）

5 结束语

该文针对高寒地区隧道照明与影响因素之间的关系分析，得到：

（1）针对高寒地区的冰冻期，容许风险度随冰冻时长的增加而呈上升趋势，增加了高寒地区行车的风险，为了降低行车风险，且不增加投资的前提下，仅通过降低行车速度可以达到目的。

（2）该文仅提出现有规范下隐含的存在的容许交通风险，但未对降低交通风险进行研究，故而后续可对此开展研究。

参考文献

[1]交通运输部. 2019年交通运输行业发展统计公报[EB/OL]. [2020-5-12].

[2]张德钱， 洪远泉， 周永明. 公路隧道照明优化设计与计算方法研究[J]. 隧道建设， 2017（7）： 803-807.

[3]杜志刚， 余昕宇， 向一鸣， 等. 基于交通事故预防的高速公路隧道光环境优化研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）， 2018（5）： 715-719.

[4]郑国平， 任兆丹， 万飞. 公路隧道照明系统能耗估算方法研究[J]. 公路， 2021（6）： 391-394.

[5]王健， 潘福全， 王铮， 等. 基于明暗适应的隧道出入口照明改善方法[J]. 交通工程， 2019（6）： 19-22.

[6]胡思涛， 朱艳茹， 项乔君. 公路隧道入口照明状态对交通安全的影响[J]. 大连交通大学学报， 2014（4）： 13-16+23

[7]公路隧道照明设计细则： JTG/T D70/2—01—2014[M]. 北京：人民交通出版社， 2014.

[8]International Commission on illumination. Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses： CIE 88： 2004[S]. Beijing： China Communications Press， 2004： 1-32.

[9]张逸. 公路隧道入口段照明计算方法概述[J]. 西部皮革， 2019（4）： 97.