摘 要

随着交通行业的发展，汽车保有量提高，交通拥堵问题越来越严重。作为一种有效提高城市空间利用率的交通方式，城市隧道在城市交通系统中扮演着越来越重要的角色。隧道的箱涵式结构决定了在隧道行驶时隧道容易产生“黑白洞效应”，一定程度上影响着驾驶行为，因此隧道照明系统在隧道中占有十分重要的地位。国内外对公路隧道照明的研究较多，对城市隧道照明的研究较少，本文参考公路隧道照明研究成果，结合城市隧道的特点，从亮度设计、控制系统设计及照明灯具设计三个方面提出优化建议。

关键词：城市隧道 优化设计 实验分析 照明亮度 控制策略

Study on optimization design of urban tunnel lighting

Abstract

With the development of the transportation industry, the problem of traffic congestion becomes more and more serious. As an effective way to improve the utilization of urban space, urban tunnel plays an increasingly important role in urban traffic system. The box culvert structure of the tunnel determines that the tunnel is prone to produce "black and white hole effect" when driving in the tunnel, which seriously affects the driving behavior. Therefore, the tunnel lighting system plays a very important role in the tunnel. There are many researches on highway tunnel lighting at home and abroad, but few on urban tunnel lighting. In this paper, based on the research results of highway tunnel lighting and the characteristics of urban tunnel, optimization Suggestions are put forward from three aspects: brightness design, control system design and lighting fixture design

.Key words: city tunnel, optimization design, experimental analysis , lighting brightness, control strategy

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 1

1.2.3 研究现状评述 2

1.3 研究思路与技术路线 3

1.3.1 研究目标 3

1.3.2 研究内容 3

1.3.3 技术路线 4

第二章 城市隧道照明亮度优化设计 5

2.1 照明亮度设计依据 5

2.1.1 照明路段划分 5

2.1.2 照明亮度计算 6

2.1.3 照明亮度需求曲线 7

2.2 驾驶人视觉影响性实验分析 8

2.2.1 实验目的 8

2.2.2 实验设计 9

2.3 亮度优化设计建议 13

2.4 本章小结 14

第三章 城市隧道照明灯具优化设计 15

3.1 隧道照明灯具选择与布置 15

3.1.1 灯具的选择 15

3.1.2 灯具的布置 15

3.2 灯具布置对驾驶人视觉特性的影响 16

3.3 城市隧道布灯优化建议 17

3.3.1 灯具布置方式 17

3.3.2 灯具布置间距 18

3.4 本章小结 18

第四章 城市隧道照明控制系统优化设计 19

4.1 隧道照明控制设计介绍 19

4.1.1 隧道照明控制方式 19

4.1.2 隧道照明控制策略 19

4.1.3 隧道照明控制系统结构 19

4.2 城市隧道照明控制系统优化设计建议 20

4.2.1 隧道照明控制系统的功能需求 20

4.2.2 隧道照明控制系统组成 20

4.2.3 隧道照明控制系统的运行 21

4.3 本章小结 22

第五章 总结与展望 23

5.1 全文总结 23

5.2 展望 23

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

随着现代交通的发展，汽车数量日渐提高，拥堵问题已经成为交通行业亟待解决的重要难题。隧道的产生丰富了交通方式，提高了空间利用率，大大缓解了交通拥堵的压力。截止到2017年末，全国公路隧道共计16229处、152851万米，比2016年增加1048处、124.54万米；其中特长隧道902处、401.32万米；长隧道3841处、659.93万米^[1]。由此可以看出，隧道已经成为交通建设中不可或缺的重要一环。

由于隧道的箱涵式结构特点，导致隧道内外亮度差异悬殊，隧道内光线不足。在隧道的进出口处，由于亮度的急剧变化而引起的“黑白洞效应”会使驾驶人在短时间内无法适应，容易引起生理与心理的不适感，容易对驾驶员的驾驶行为造成严重的影响，从而引发交通事故，因此，隧道内的照明系统起着至关重要的作用。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

相比于国内，国外学者对隧道照明的研究开始较早。20世纪60年代，联通意大利与法国的Mont Blanc隧道就已经开始使用根据交通量大小来调节灯光亮度的照明控制系统；近年来，国外隧道照明设计研究更是发展迅猛，许多国外公司都设计出了先进的智能控制系统，包括澳大利亚邦奇电子设计的Dynalite智能照明系统^[2]，澳大利亚奇胜科技设计的C-Bus系统,美国路创公司设计的GRAFIK系统等；Pachaman等通过研究照明灯具的参数以及道路的一般反射特性，提出了一种线性优化计算方法，有效地改善了隧道照明的照度分布问题^[3]。Sermier等通过调查研究发现，通过在隧道外修建遮光棚等建筑物可以有效地降低洞外亮度^[4]。L.M.Gill-Martin等提出通过在洞外加装隔离膜的方法来降低隧道出入口的亮度需求，降低能源消耗，节约成本^[5]。Leitao Sergio等采用遗传算法研究了各区段灯具的分布的情况，并提出了灯具分布优化建议^[6]。

1.2.2 国内研究现状

国内对于隧道照明的研究起步较晚，但发展速度很快。我国在2000年颁布的《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）中对各照明路段的长度及亮度的计算作出了相应的规定^[7]。2014年我国颁布的《公路隧道照明细则》（JTG/TD70/2-01—2014）在《公路隧道通风照明设计规范》的基础上对隧道照明路段的长度及亮度进行了更加细致的划分并优化了各路段的亮度计算公式^[8]。史玲娜等将《公路隧道通风照明设计规范》和《公路隧道照明细则》进行对比研究，发现使用后者的亮度计算公式可节能40%左右^[9]。张德钱等采用 MATLAB 曲线拟合工具，拟合得出了一种更精确的隧道入口段、过渡段、中间段及出口段的长度及亮度计算公式^[10]。胡英奎等通过实验测得驾驶员进入隧道过程中的瞳孔面积变化情况，计算得出在瞳孔面积变化率达到极限时的入口段亮度，并通过回归分析建立了入口段亮度与洞外亮度的关系公式，得到了考虑驾驶员视觉影响的入口段亮度确定方法^[11]。许景峰等从照明段长度及亮度两方面对比了国内外不同标准下隧道亮度水平的差异并分析了原因^[12]。吴正日介绍了一种红外传感隧道照明控制系统，该系统主要根据检测机动车流量，通过信号实现智能控制隧道灯具，可以做到车到灯亮，车走灯灭^[13]。黄凤武等设计了一种基于传感器采集的路况信息为参数，通过功率控制器来调控灯光回路的智能控制系统^[14]。范士娟等以无极控制方法为基础，设计了一种能够根据隧道洞外亮度等信息的变化调整照明策略的公路隧道照明智能控制系统^[15]。关于照明灯具，邹仪指出LED灯的环保、节约能源的特点决定了其必将成为未来主流的隧道照明灯具^[16]。张明通过研究LED灯在城市隧道中的实际运用情况,发现LED灯的应用有效提高了隧道中车辆运行的安全性，同时降低了隧道的施工成本^[17]。赵元龙等基于这三种布灯方式的特点，提出“拱顶侧偏单排”的布置方式,这种布灯方式具有中线布置的优点，又克服了其维护不方便的缺点，在隧道照明灯具布置中有很大的实用性^[18]。杨超等等以江西九景高速公路雁列山隧道为例，建立隧道入口段和过渡段布灯参数优化模型，通过优化亮度适应曲线与理论亮度适应曲线的比较，验证了优化模型的正确性和优化布灯方案良好的节能性^[19]。李然等以广西那央公路为例，对灯具的不同安装高度与安装角度进行模拟实验，从而研究隧道灯具的最佳安装位置^[20]。白红升以高速公路隧道为例，通过LED灯与高压钠灯的比较，发现LED灯具有良好的经济效益和社会效益^[21]。

1.2.3 研究现状评述

从研究现状来看，国内外学者对隧道照明的亮度设计及控制系统设计研究较多，对灯具选择与布置研究较少。在亮度设计方面，主要研究方向在于优化照明亮度计算方式或设计方法减弱洞外亮度，从而在符合亮度需求的前提下尽量降低隧道内的亮度，减少能耗；在控制系统方面，智能控制系统是目前发展的主流，其工作原理大体相同，即根据洞外亮度、交通车辆数及车速等变化实时调节照明亮度；灯具选择与布置方面的研究较少，灯具选择方面，LED灯是目前的主流光源，灯具布置方面主要研究集中于如何设计布置方式及灯具间隔，使灯具光照面积得到最大程度的利用，减少隧道内的照明盲区，降低能耗。

另外国内外研究关于公路隧道照明系统的研究较多，关于城市隧道照明的较少。与公路隧道相比，城市隧道有以下一些特点：① 城市隧道半径较小，② 夜间城市隧道洞外亮度更高 ，③ 城市隧道小型车辆居多。基于这些特点，在进行城市隧道照明设计时，在亮度设计、控制系统和灯具选择布置方面都与公路隧道有些不同。在亮度设计方面，由于城市隧道长度较公路隧道短，所以相应的各照明路段长度也会相应变短，则入口段、过渡段和出口段的亮度变化速率会变快；另外，公路夜间路灯少，照明亮度低，车辆多依靠车灯辅助照明，城市路灯多，照明亮度高，因此夜间城市隧道的洞外亮度高于公路隧道且相对稳定。在灯具选择与布置方面，由于城市隧道半径小，隧道拱顶高度低，因此城市隧道照明灯具一般布置在隧道墙壁两侧，同时为了便于控制调节一般选用LED灯作为光源。

1.3 研究思路与技术路线

1.3.1 研究目标

以现有的隧道照明设计研究为基础，通过驾驶人在隧道行驶过程中的视觉特性实验，结合城市隧道的特点，从亮度、灯具及控制系统等方面提出优化建议。

1.3.2 研究内容

⒈ 城市隧道照明亮度优化设计

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