基于DIALux的公路隧道洞口减光防眩措施评价

郑 晅，魏 倩，李 雪，赵 阳

(1.长安大学电子与控制工程学院，陕西 西安 710064；2.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004)

引言

在公路隧道，特别是水下隧道及城市隧道洞口处，由于隧道洞口缺乏绿色植被遮挡，洞内外亮度差异显著，同时又受太阳眩光的影响，是交通事故的多发区[1，2]。为了缓和驾驶员视觉上的明暗交替冲击，保证隧道洞口处的行车安全，一般在隧道洞口处设置减光措施。工程应用中，遮光棚等减光措施在打浦路隧道、葫芦岩隧道、港珠澳大桥海底隧道等隧道工程中得到应用[3，4]。

隧道照明设计相关规范[5，6]提出了在隧道接近段采用洞外减光措施，可降低洞外亮度以达到节能的目的，并给出了接近段可采用的减光措施。但现有规范并未提出减光措施的量化设置标准。路面照度是评价减光措施减光效果的核心指标，由于减光措施内的路面照度需在隧道建成后才可以实测，而在设计阶段缺乏减光效果量化评价方法。

已有研究人员对于隧道洞口减光措施展开了大量的研究。针对减光措施的减光技术研究，Sermin Onaygil等[7]提出可以在隧道入口段和接近段采用一定的措施来降低入口段的照明等级，提出了隧道洞口环境设置的具体方法。潘贝贝和翁季[8]分析了隧道减光措施的类型、优缺点及适用范围，并论述了在实际工程中洞口减光宜优先采用遮光棚，但并未提出遮光棚的具体应用方案。在遮光棚长度设置方面，李英涛和程国柱[9]根据驾驶员视力恢复时间，给出了不同设计速度的隧道洞口减光隔栅段设计长度的建议值。李靖等[10]根据照明段亮度和长度曲线，确定了自然光采光段长度。陆远讯等[11]结合遮光棚的经济性和节能性，提出了遮光棚长度的计算方法。但他们并未对遮光棚的评价问题进一步研究和分析。针对遮光棚评价的研究中，艾杰等[12，13]以甘肃省某高速公路隧道洞口为例，进行了遮光棚的遮阳计算、结构尺寸及间距的拟定，并选取中午时刻，通过太阳照射到路面的漫反射效应产生的亮度和天空产生的亮度之和，计算洞口段亮度，以检验减光效果。但未从遮光棚内的路面照度方面对减光效果进行研究分析。穆尧[14]利用MAYA软件创建隧道模型进行仿真实验，通过参试者填写的调查问卷，研究了不同太阳高度角下的遮光效果。但未从定量指标角度进行减光效果的评价。陶鹏鹏等[15]利用隧道微缩模型模拟真实隧道，多次测量不同形式的削竹式隧道进口瞳孔照度，并利用视觉负荷指标对削竹式减光措施进行分析和比选，评价各种削竹式减光措施的优劣。玮宝等[16]以北碚隧道为原型，制作可调节构件间距的隧道遮光棚实验模型，并利用照度计测试遮光棚下的模拟水平路面照度并绘制变化趋势图，得到了接近人眼明暗适应曲线减光效果的遮光棚方案。但利用隧道微缩模型评价减光效果的工程较复杂，且操作性不强。彭子晖[17]提出了上海长江隧道洞口遮光棚的优化设计，并在隧道建成之后，对光过渡效果进行了实测。但未在隧道建成前期，对减光效果进行量化评价。文献[18]提出了洞口减光的量化指标，指出为防止洞口眩光，减光措施内路面最大照度值小于10 000 lx，但依然缺乏减光效果的前期评价方法。

基于目前隧道洞口减光措施的研究分析，对于减光措施的定量评价涉及较少，还需要进一步的研究与分析。因此，本文以苏锡常南部高速公路太湖隧道(简称太湖隧道)为例，提出了利用DIALux模拟隧道洞口遮光棚日照场景的评价方法，确定遮光棚是否满足公路隧道洞口的减光需求，对隧道洞口减光措施进行减光效果评价。

1 洞口遮光棚模型建立

1.1 洞口遮光棚设计方案

太湖隧道为双向六车道，设置连续式紧急停车带，长10.79 km，设计车速为100 km/h的湖底隧道。结构最大总宽43.6 m，单孔净宽17.45 m，净高7.25 m，是目前国内规模最大的水下围堰明挖公路隧道。太湖隧道采用沥青路面，减光措施采用钢筋混凝土结构的遮光棚，且遮光棚长度为115 m。图1为太湖隧道遮光棚效果图。

图1 太湖隧道遮光棚效果图

太湖隧道西洞口的地理位置为东经120.1°，北纬31.43°，洞口方位为北偏西63°。为了实现洞口明暗平滑过渡，遮光棚采用混凝土遮光板开孔方案，按车辆驶出隧道方向，分为四段式设计。遮光棚总长115 m，厚度为1.2 m。其中第一段长为30 m，采光孔尺寸为2 m×2 m；第二段长为30 m，采光孔尺寸为2 m×4 m；第三段长为30 m，采光孔尺寸为2 m×10 m。采光孔与遮光板沿纵向、横向各2 m间隔布设。第四段总长为25 m，采用格栅式设计，格栅宽为1 m，间隔为3 m。其中，第四段格栅直接与洞外相连，保证遮光棚整体的美观。遮光棚的平面图如图2所示。

图2 太湖隧道遮光棚平面图

1.2 基于DIALux的仿真环境建立

1)DIALux的适用性。该软件是以DIN 5034(室内日光照明)与CIE 110为依据，把天穹分成若干个参数化的照射面，这些照射面因天空模式、地理位置、日期与时间的不同而设置一个亮度，并且可以把太阳作为一个光源来计算太阳照射的直接光。Dialux4.13的天空类型根据CIE 110：1994的定义，分为阴天、晴天、一般天气等，见表1。

为了准确表征太湖隧道洞口的日照情况，本文利用Dialux4.13的日光计算功能，分析太湖隧道遮光棚的减光效果。

表1 Dialux4.13软件根据CIE 110：1994定义的天空类型

2)模型建立。为了仿真遮光棚内路面照度，在DIALux软件中建立遮光棚模型，得到遮光棚的三维模型如图3所示。

图3 太湖隧道遮光棚的三维模型

3)参数设置。材质的不同会影响路面和遮光棚的反光系数，这将会影响路面照度的计算。为了更准确地对遮光棚减光效果进行评价，需给建立好的遮光棚模型表面赋予材质，实现隧道遮光棚的表面材质模拟。将遮光棚的表面赋予反射率为30%的水泥混凝土材质，并将道路路面的材质赋予为深色柏油路面，营造出实际隧道洞口遮光棚的空间环境。

4)场景设置。以太湖隧道西洞口为计算对象。根据DIALux中的地理位置数据，设置太湖隧道西洞口的经纬度、朝向及灯光场景。

为了模拟分析太湖隧道西洞口全年的日照情况，按照春季、夏季、秋季、冬季的太阳位置选取仿真日期，如3月21日(春分)、6月22日(夏至)、9月23日(秋分)、12月22日(冬至)，对每天分别设置晴天天气；再对每一天从7:00开始，直到18:00，每隔1 h建立一个灯光场景。

5)计算面设置。为了对比日光下的隧道洞口路面照度及遮光棚内的路面照度，在计算前，设置两个计算表面，分别是无遮光棚的洞口路面、遮光棚内的路面。确定计算表面后，在DIALux中进行日光计算，得出照度报表等信息。选择所需要的信息进行太湖隧道日照分析，如效果图、照度值等。

2 太湖隧道遮光棚的日照分析

2.1 春分、夏至、秋分、冬至日的日照仿真结果

1)春分日的日照结果。春分日3月21日全天为晴天时两个计算面的照度值见表2。3月21日晴天时的照度变化曲线，见图4。

表2 春分日3月21日(晴天)计算面各时段的照度变化表

表3 夏至日6月22日(晴天)计算面各时段的照度变化表

表4 秋分日9月23日(晴天)计算面各时段的照度变化表

图4 春分日3月21日晴天照度变化曲线

2)夏至日的日照结果。表3列举了夏至日6月22日全天为晴天时两个计算面的照度值。6月22日晴天时的照度变化曲线，如图5所示。

图5 夏至日6月22日晴天照度变化曲线

3)秋分日的日照结果。秋分日9月23日全天为晴天时两个计算面的照度值见表4。9月23日晴天时的照度变化曲线，如图6所示。

图6 9月23日晴天照度变化曲线

4)冬至日的日照结果。表5列举了冬至日12月22日全天为晴天时两个计算面的照度值。12月22日晴天时的照度变化曲线，见图7。

图7 冬至日12月22日晴天照度变化曲线

2.2 全年日照结果对比分析

3月21日晴天、6月22日晴天、9月23日晴天、12月22日晴天遮光棚内路面照度变化曲线，如图8所示。

根据图4～图8的照度-时间变化曲线可知：

1)在隧道洞口设置减光措施后，可以有效降低洞口照度，改善驾驶员进出隧道时的视觉舒适性，更好地完成明暗适应过程。

表5 冬至日12月22日(晴天)计算面各时段的照度变化表

图8 遮光棚内的路面照度-时间变化曲线

2)只有在晴天正午时，太阳光才会大量直射进入遮光棚内。尤其是夏季的正午时，遮光棚内的照度值可达到20 000 lx。3月21日和9月23日遮光棚内路面的最大值可达到13 000 lx。12月22日的路面照度较低，遮光棚内的照度值最大为3 282 lx。

3)设置遮光棚前后的路面照度之差随着一天不同时刻而不同。在正午时差值较大，上午和下午时差值随太阳高度的降低而减小。

4)尽管太湖隧道遮光棚起到了不少的减光效果，但是在夏季正午时间段内，遮光棚内的路面照度仍然达到了20 000 lx。对比文献[18]，遮光棚内的路面照度远大于减光防眩的照度值标准10 000 lx，不能满足遮光棚的减光防眩效果。同时隧道内的照度标准通常只有30～80 lx[19]，近700倍的照度差异，超出了人眼的视觉适应范围，使得驾驶员眼睛受刺激严重。

3 太湖隧道遮光棚的优化

根据太湖隧道遮光棚的日照分析结果，对比文献[18]提出的减光防眩照度值标准，可通过改变遮光棚采光孔尺寸、遮光棚材质及遮光棚的厚度等提高减光效果，而通过缩小采光孔的尺寸最有效方便。因此建议对太湖隧道遮光棚的第一段采光孔尺寸进行调整，重点减小第二段、第三段区域采光孔尺寸，以提高遮光棚的减光效果。

3.1 太湖隧道遮光棚的优化建议

通过多次调整遮光棚的采光孔尺寸及间距，并对多种方案进行仿真，优化太湖隧道遮光棚，使得遮光棚内的路面照度值满足文献[18]提出的要求，得到遮光棚推荐方案，满足隧道洞口减光防眩的要求。

3.1.1 遮光棚优化方案一

“2008年12月底，紧跟《患者安全十大目标》发布，医院质控和相关部门在全院范围进行了培训和工作部署，要求各临床医技科室每月5日前开展科室、个人患者安全缺陷免责自报，护理部也明确了发生不良事件主动上报免责罚机制，并不再与绩效、晋升挂钩；2009年，开始危急值报告制度的落实和督查，2010年则进行了手术安全标识、手术安全核查等围术期质量与安全工作督查。”忆及过往，张伟感慨，这就是“南大一附院的速度”。

根据太湖隧道遮光棚的日照分析结果，提出通过缩小遮光棚采光孔尺寸，增大遮光棚的厚度提高遮光棚的减光效果。

提出遮光棚优化方案一分为四段式设计，总长115 m，厚度1.5 m。第一段长30 m，改变采光孔尺寸为1.5 m×1.5 m；第二段长30 m，改变采光孔尺寸为1.5 m×3 m；第三段长30 m，改变采光孔尺寸为1.5 m×7 m。采光孔与遮光板沿纵向各2.5 m间隔布设。第四段总长25 m，采用格栅式设计，格栅宽1 m，间隔3 m。太湖隧道遮光棚优化方案一的平面图和三维视图如图9所示。

图9 太湖隧道遮光棚优化方案一模型

对遮光棚优化方案一进行日照分析，得到3月21日晴天、6月22日晴天、9月23日晴天及12月22日晴天的遮光棚内路面照度变化曲线，如图10所示。

图10 遮光棚优化方案一内路面的照度-时间变化曲线

从图10可看出，太湖遮光棚的优化方案一满足文献[18]提出的要求。该方案仅从减光效果角度考虑，修改尺寸后的方案可达到减光措施减光要求，可供设计单位参考。

3.1.2 遮光棚优化方案二

根据太湖隧道的设计要求，需在出口处考虑人工照明因素，因此，在方案二中取消出口段靠近隧道洞口的遮光棚部分采光孔。其他尺寸和优化方案一相同。太湖隧道遮光棚优化方案二的平面图和三维视图如图11所示。

图11 太湖隧道遮光棚优化方案二模型

对遮光棚优化方案二进行日照分析，得到3月21日晴天、6月22日晴天、9月23日晴天及12月22日晴天的遮光棚内路面照度变化曲线，如图12所示。

图12 遮光棚优化方案二内路面的照度-时间变化曲线

从图12中可看出，太湖遮光棚的优化方案二满足文献[18]提出的要求。但是，在日照分析过程中发现，由于出口段靠近隧道洞口处的遮光棚取消部分采光孔，导致遮光棚内的路面照度过低，路面照度在6月22日13：00点达到最大值8 957 lx，此时，靠近洞口的路面照度过低，照度值仅为116 lx。因此，提出增大靠近洞口处的采光孔，在保证洞口处路面照度值合适的条件下，使得遮光棚内的路面照度满足文献[18]提出的要求。

3.1.3 遮光棚优化方案三

根据优化方案二的分析结果，在优化方案三中增大靠近洞口处的采光孔。遮光棚优化方案三分为四段式设计，总长115 m，厚度1.5 m。第一段长30 m，采光孔尺寸为1.5 m×5 m；第二段长30 m，采光孔尺寸为1.5 m×6 m；第三段长30 m，采光孔尺寸为1.5 m×7 m。采光孔与遮光板沿纵向各2.5 m间隔布设。第四段总长25 m，采用格栅式设计，格栅宽1 m，间隔3 m。太湖隧道遮光棚优化方案三的平面图和三维视图如图13所示。

图13 太湖隧道遮光棚优化方案三模型

对太湖遮光棚优化方案三进行日照分析，得到3月21日晴天、6月22日晴天、9月23日晴天及12月22日晴天的照度变化曲线，如图14所示。

图14 遮光棚优化方案三内路面的照度-时间变化曲线

根据图14的照度-时间变化曲线可知，考虑最不利的日光条件，夏至日6月22日13：00点时遮光棚优化方案三内路面的照度值最大，为9 848 lx。在全年中，太湖隧道遮光棚内的路面照度值均小于10 000 Lx，对比文献[18]，遮光棚优化方案三满足洞口减光要求。

3.2 遮光棚优化方案的比较分析

对太湖遮光棚三个优化方案进行日照分析比较，得到6月22日晴天天气下的原遮光棚和遮光棚优化方案的路面照度变化曲线见图15。

图15 6月22日晴天，原遮光棚和遮光棚优化方案路面照度变化曲线

从图15看出，优化后遮光棚路面照度大幅降低，比原遮光棚的减光效果更好。遮光棚优化方案二下的照度值较低，且靠近洞口处的照度值过低。遮光棚优化方案一及优化方案三下的路面照度值比较接近，但太湖隧道洞口需考虑人工照明因素，因此推荐选择优化方案三。总体来看，在晴朗天气阳光直射的情况下，遮光棚优化方案三对隧道洞口日光的调节作用较强，减光效果较好，满足文献提出的减光防眩照度值指标，遮光棚对隧道洞口日光调节效果明显，可达到遮光棚减光要求。

4 结论与讨论

本文依据减光措施内的路面照度指标，提出对公路隧道洞口减光措施减光效果的评价方法。

1)利用DIALux软件对减光措施进行建模，并设置日光仿真环境，分析减光措施内的路面照度变化情况，判断照度值是否满足减光防眩的照度值标准，对减光措施的减光效果进行评价。

2)以太湖隧道遮光棚为例，利用DIALux软件分析一年四季每天12个小时的日光照射情况，得到遮光棚内的路面照度水平，对比文献[18]，发现遮光棚内的路面照度值大于减光防眩的照度值标准，不满足遮光棚减光防眩要求。通过多次调整遮光棚的采光孔尺寸，并进行仿真，使得遮光棚内的路面照度满足减光防眩的照度值标准，确定了遮光棚的推荐方案，达到减光防眩的要求。

3)为了洞口减光防眩达到更加良好的效果，需在隧道建成后，进行洞外亮度实测，进一步采集洞口亮度信息，检验并优化减光措施方案。