隧道照明设计的基本思想是通过合理设定隧道内的照明水平，以降低驾驶员驾车进入隧道后暗适应过程对行车安全的不利影响。进行隧道照明设计的基础参数是隧道洞外亮度^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]}，即驾驶员在距隧道洞口一个停车视距处的适应亮度。但在驾车接近隧道过程中，驾驶员的适应亮度随其视野内景物的变化而变化。为了更好地根据驾驶员的适应过程进行隧道照明设计，需要对驾驶员驾车接近隧道过程中的适应亮度变化过程进行研究。

洞外亮度常用驾驶员在距隧道洞口一个停车视距处20°视野中的景物平均亮度L₂₀或等效光幕亮度L_seq表达。Schreuder最早用L₂₀表达驾驶员驾车接近隧道时的适应亮度，CIE 26—1973提出了测量L₂₀的方法^[8]，后来CIE建议的方法被简化为在隧道洞外距隧道洞口一个停车视距处测量L₂₀。CIE 88—1990建议了2种计算L₂₀的方法，Blaser等^[9]基于CIE计算L₂₀的原理，提出了一种能更精确确定L₂₀的方法。涂耘等提出了用数码相机测量洞外亮度L₂₀的方法，并将该方法应用于福建^[10]和浙江^{[11, 12]}高速公路隧道洞外亮度的实测。由于在某些特殊情况下用L₂₀表达驾驶员的适应亮度会产生较大误差，Adrian等^[13]提出了等效光幕亮度L_seq的概念，通过理论分析证明了用L₂₀表达适应亮度的不合理性，并通过实地测量证明了其结论的正确性^[14]。CIE 88—1990以附录形式给出了等效光幕亮度L_seq计算的思路。CIE 88:2004推荐采用等效光幕亮度L_seq表达驾驶员的适应亮度。Augdal^[15]在Adrian^[14]的基础上提出了更简单、更精确的计算等效光幕亮度积分式的方法。Adrian和Augdal在用解析算法计算过程中都忽略了某些计算项，造成结果存在一定的误差，为了减小误差，胡英奎等^[16]提出采用数值算法确定各圆环边界对应的视角，并给出了基于数值算法计算得到的各圆环边界视角的精确值。胡英奎等^[17]提出基于等效光幕亮度理论确定隧道入口段亮度比用k值法更合理，将逐渐在公路隧道照明设计中被广泛采用。

已有研究主要集中在洞外亮度指标L₂₀和L_seq的确定方法及其合理性的讨论上，未见有对驾驶员接近隧道过程中适应亮度变化过程的研究。为了解驾驶员接近隧道过程中适应亮度的变化过程，笔者借用等效光幕亮度的概念，通过实测获得驾驶员在洞外不同位置处的适应亮度，进而分析驾驶员驾车接近隧道过程中适应亮度的变化规律。

CIE 88:2004中的等效光幕亮度L_seq是指在车内测量得到的适应亮度，即考虑了汽车挡风玻璃影响的适应亮度。由于汽车挡风玻璃的影响较小，且对于既定的汽车，其影响是恒定的，笔者仅借用等效光幕亮度的概念，但不考虑汽车挡风玻璃的影响，即研究在汽车外测量得到的适应亮度。

为了获得驾驶员驾车接近隧道过程中适应亮度的变化规律，笔者在福建省境内永武(永安—武平)高速公路上的龙井隧道、黄山岭隧道、石背角隧道和溪背山隧道对距隧道一个停车视距内不同位置处的适应亮度进行实测。

所测试的4座隧道都位于福建省西南部龙岩市境内的永武高速公路上。测试时间8月份是当地日照最强的季节，测试的3天均为晴间多云天气。为了获得不同的洞外亮度，每天的测试分早晨(7:00—9:00)、中午(11:00—13:00)和傍晚(16:00—18:00)3个时段进行。

测试隧道为永武高速公路的龙井隧道、黄山岭隧道、石背角隧道和溪背山隧道。4座隧道的几何尺寸相同，均为高7 m、宽7.2 m，测试隧道的朝向见表 1，外观见图 1。

表1(Table 1)

表1 测试座隧道的朝向Table 1 Orientation of tunnels tested 隧道名称 洞口朝向 龙井隧道 西偏北25° 黄山岭隧道 南偏西40° 石背角隧道 西偏南15° 溪背山隧道 南偏东10°

表1 测试座隧道的朝向 Table 1 Orientation of tunnels tested

图1(Figure 1)

图1 被测隧道的外观 Fig. 1 Photos of tunnels tested

采用LM-3瞄点式亮度计测量路面亮度和洞外景物亮度。LM-3瞄点式亮度计的主要技术参数见表 2。

表2(Table 2)

表2 LM-3瞄点式亮度计技术参数Table 2 Parameters of LM-3 luminance measure apparatus 镜头焦距/mm 观察视野角/(°) 测量视野角/(°) 测量距离/m 亮度测量精度/% 亮度测量范围/(cd·m-2) 85 8 1、0.3、0.1、0.03 0.4～∞ ±3(示值) 0.001～4 000 000

表2 LM-3瞄点式亮度计技术参数 Table 2 Parameters of LM-3 luminance measure apparatus

数码相机在隧道外对隧道洞口拍照，记录隧道外驾驶员视野中的景物组成。选用Canon EOS 50D数码相机对隧道洞口拍照，与Canon EOS 50D数码相机搭配使用的镜头为Canon EF 17~40 mm f/4L USM。

涉及的隧道洞外景物主要包括洞外路面、植被、天空、洞口、裸露的岩石、混凝土护壁等。由于洞外景物亮度的均匀性较差，不同位置同种景物的亮度差别明显，洞外亮度的测量采用LM-3瞄点式亮度计的最大视野角，即2°视野角，且取至少3个不同位置的同种景物亮度的平均值作为该景物亮度的测量值。测量洞外亮度时，亮度计放置在距洞口一个停车视距(测试隧道的设计行车速度均为80 km/h，按照JTJ 026.1—1999的相关规定，不考虑道路的坡度，停车视距取100 m)处的行车道中心线上，测量得到的各隧道在各测试时段的洞外景物亮度值见表 3。

表3(Table 3)

表3 各隧道洞外景物亮度值Table 3 Environment luminance of tested tunnels cd/m2 隧道名 测试时段 洞口 路面 植物 岩壁 护栏 混凝土 天空 龙井隧道 8月18日中午 260 3 530 1 500 3 760 4 024 14 253 黄山岭隧道 8月19日早晨 30 120 61 114 166 208 905 黄山岭隧道 8月20日中午 346 2 388 932 1 750 2 880 3 130 9 063 黄山岭隧道 8月20日傍晚 159 1 671 619 2 391 2 760 4 641 9 316 石背角隧道 8月19日中午 307 12 373 1 610 357 12 373 13 226 石背角隧道 8月19日傍晚 60 2 145 440 358 2 145 6 485 石背角隧道 8月20日早晨 239 3 206 616 309 3 206 9 975 溪背山隧道 8月19日中午 140 1 521 1 316 2 607 6 244 6 244 11 531 溪背山隧道 8月19日傍晚 22 116 110 295 405 405 1 226

表3 各隧道洞外景物亮度值 Table 3 Environment luminance of tested tunnels

由于天然光环境变化较快，隧道洞外景物亮度的变化也较快，而洞外景物亮度的测量需要耗费一定的时间，这造成在测量过程中难以随时记录隧道洞外景物的实时亮度。为了方便测量，对于一个隧道的一个测试时段仅测量一次洞外亮度，该时段的洞外亮度都以该次测量得到的洞外景物亮度为基础计算得到。

在计算驾驶员在隧道洞外的适应亮度时，除了需要洞外景物亮度参数，还需要洞外景物的组成及各景物所处的位置(相对驾驶员的眼睛)。为了记录洞外景物的组成，在进行实测时，在距离隧道洞口10~100 m范围内每隔10 m处用数码相机对隧道洞口拍照。拍照时，数码相机位于路面中心，相机镜头距路面的高度为1.5 m，相机镜头对准隧道口的中心位置。为了保证足够的视野范围，使用镜头的广角端，选择合适的光圈、快门速度等曝光参数后对隧道洞口及其周围景物拍照，之后将所拍照片传输至计算机以备后期数据处理使用。

为了研究的方便，也为了研究成果在隧道照明设计中应用的方便，仅借用等效光幕亮度L_seq的概念来表达驾驶员在隧道外的适应亮度，并采用等效光幕亮度L_seq的计算方法，但测量计算等效光幕亮度L_seq时未考虑汽车挡风玻璃透射比和亮度的影响。用在距隧道洞口一个停车视距处测量得到的隧道洞外景物亮度计算等效光幕亮度L_seq，在此过程中已经考虑了大气透射比对等效光幕亮度L_seq的影响。由于测量计算过程中未考虑汽车挡风玻璃透射比和亮度的影响，下文中提到的适应亮度实际上是驾驶员在汽车外的适应亮度。

将计算等效光幕亮度L_seq所需的极坐标圆环图叠加在所拍隧道照片上，即可计算出极坐标图中各扇区各种景物所占比例。根据表 3所列各种洞外景物亮度，利用文献[16]所述方法即可计算出各测试时段各隧道在距洞口不同位置处的适应亮度。根据驾驶员在距隧道洞口不同位置处的适应亮度，按照式(1)可以计算得到驾驶员接近隧道过程中适应亮度下降的速率。

式中：v_L为驾驶员接近隧道过程中适应亮度下降的速率，cd/m²/m；L_i为驾驶员在位置i处的适应亮度，cd/m²；L_i+1为驾驶员在位置i+1处的适应亮度，cd/m²；d为位置i到位置i+1之间的距离，本测试为10 m。

测试隧道在各测试时段驾驶员在距离隧道10~100 m范围内每隔10 m处的适应亮度及适应亮度下降的速率见图 2~图 5，为了方便表达，图中驾驶员适应亮度下降的速率为其绝对值。

图2(Figure 2)

图2 龙井隧道适应亮度与到洞口距离之间的关系 Fig. 2 Adaption luminance on different location of Longjing Tunnel

图3(Figure 3)

图3 黄山岭隧道适应亮度与到洞口距离之间的关系 Fig. 3 Adaption luminance on different location of Huangshanling Tunnel

图4(Figure 4)

图4 石背角隧道适应亮度与到洞口距离之间的关系 Fig. 4 Adaption luminance on different location of Shibeijiao Tunnel

图5(Figure 5)

图5 溪背山隧道适应亮度与到洞口距离之间的关系 Fig. 5 Adaption luminance on different location of Xibeishan Tunnel

对比图 2~图 5可以看出，在驾驶员从距隧道口100 m处开始接近隧道的过程中，其适应亮度的变化存在如下规律：

1)在不同测试时段接近同一隧道过程中，驾驶员的适应亮度变化规律基本相似。这是因为，同一隧道在不同测试时段其洞外景物的组成是相同的，只是在不同测试时段同一种洞外景物的亮度不同，但同一种洞外景物的反射比基本固定，其在不同测试时段的亮度都与当时的日照情况相关，这使得驾驶员在不同测试时段接近同一隧道过程中的适应亮度变化规律基本相同，在不同测试时段只是适应亮度的水平不同。

2)在接近隧道的过程中，驾驶员的适应亮度逐渐降低。这是因为，在驾驶员接近隧道的过程中，其视野内的景物变化趋势总体上来看是亮度较高的天空、植被、路面等景物在视野内所占比例逐渐变小，隧道洞口等亮度较低的景物在视野内所占比例逐渐变大，从而使驾驶员的适应亮度逐渐减小。

3)接近不同隧道的过程中，驾驶员适应亮度的变化过程不完全相同。虽然在接近隧道过程中驾驶员的的适应亮度都呈下降趋势，但其下降过程并不完全相同。这是因为，对于不同隧道而言，驾驶员视野内洞外景物的组成不完全相同，驾驶员在接近隧道过程中，其视野内景物的变化过程也不同，而驾驶员视野内景物的变化过程决定了其适应亮度的变化过程。

4)驾驶员在接近隧道的过程中，其适应亮度的降低不是线性的。这是因为，隧道洞外的景物组成比较复杂，隧道洞外各种景物的亮度各不相同，驾驶员在接近隧道的过程中，各种景物在驾驶员视野中所占比例不是线性变化的，从而使得驾驶员在接近隧道过程中适应亮度也呈非线性变化。

5)从驾驶员距隧道洞口20~30 m开始，适应亮度下降的速率增加。这是因为，驾驶员接近隧道过程中，从距隧道20~30 m开始，隧道洞口在驾驶员视野中所占的比例快速增加，而亮度远高于洞口亮度的其他景物在驾驶员视野中所占比例快速减少，且隧道洞口处于驾驶员视野的中心，对驾驶员适应亮度的影响较大，这就使得从距隧道口20~30 m开始，驾驶员的适应亮度下降的速率增加。这也是隧道洞口附近交通事故发生频率较高的原因之一。

驾驶员适应亮度的变化过程直接影响驾驶安全，如果亮度变化太快造成驾驶员来不及适应，就会使驾驶员难以发现路面上的障碍物从而造成交通事故。为了保证交通安全，在进行隧道设计时，需要控制驾驶员接近隧道过程中适应亮度下降的速率，必要时，采取适当措施以防驾驶员接近隧道过程中适应亮度降低过快。在隧道洞口附近，驾驶员适应亮度的快速降低已被证实容易引发交通事故，可以采用适当的隧道洞口构造形式或辅助照明措施，以控制驾驶员适应亮度降低的速率。另外，驾驶员在驾车接近隧道过程中主动降低车速，也能减小驾驶员适应亮度降低的速率，有效减小交通事故发生的几率。

通过在4座隧道对驾驶员在距隧道洞口不同位置处适应亮度的实测，得到了驾驶员接近隧道过程中适应亮度的变化规律。结果表明：驾驶员在不同测试时段接近同一隧道过程中，其适应亮度变化规律基本相似；驾驶员在接近隧道的过程中，适应亮度逐渐降低，但其适应亮度的降低不是线性的，从驾驶员距隧道洞口20~30 m开始，适应亮度下降的速率增加。在进行隧道照明设计时，应充分考虑驾驶员适应亮度的变化过程，才能在保证行车安全的前提下实现隧道照明节能。