公路隧道照明察觉对比设计方法中的大气透射比τatm取值研究

2015-11-18潘贝贝

灯与照明 2015年2期

潘贝贝，翁季

(重庆大学建筑城规学院;山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

0 引言

隧道入口段是整条隧道的起点，入口段亮度是隧道照明设计的计算基础，对于CIE 推荐的三种用于计算隧道入口段亮度的方法，即k值法、SRN 主观评价法和察觉对比设计方法而言，察觉对比法最能真实反映驾驶员在接近隧道时的视看环境，以及全面地考虑影响驾驶员察觉能力的各种因素，目前最适用于隧道入口段亮度计算。

CIE 于2004年v推荐的利用察觉对比法计算公路隧道入口段亮度的公式为

式中:Cm——目标物的最小察觉对比度;

ρo——漫反射表面的小目标光反射比，取为0.20;

qc——对比显示系数，即测点处的路面亮度Lb与小目标中心点垂直面照度Ev的比值;

Latm(R)——汽车前方1 个停车距的近地面大气散射光亮度，cd/m2;

τatm(R)——汽车前方1 个停车距的近地面大气透射比;

Lws——汽车前挡风玻璃透射光亮度，cd/m2;

τws——汽车前挡风玻璃光透射比;

Lseq——由驾驶员眼睛扫视前方景物亮度产生的等效光幕亮度，cd/m2。

作为察觉对比公式中的一项重要参数，一个停车视距的近地面大气透射比τatm(R)对隧道入口段亮度的计算结果有着重要影响，针对这一参数取值，CIE 88—2004 标准的建议值为1.0。然而，大气透射比τatm属于大气光学物理量，其值会随着大气状况、天气条件、地理环境等因素的变化而变化。作者认为，CIE所给出的τatm(R)推荐值1.0 虽然具有一定参考价值，但是这一取值的严谨性、科学性以及地域适宜性都值得商榷。因此，为了提高察觉对比方法在实际运用中的普适性和精确性，针对一个停车视距的大气透射比τatm(R)的合理取值进行研究是极其必要的。

针对隧道照明设计来说，《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)曾对不同设计速度下的照明停车视距取值作出规定，若隧道照明的设计速度为80 km/h，其对应的一个停车视距的长度不超过100 m。为了便于研究讨论，文中的τatm(R)设定为汽车前方100 m 近地面水平传输路径上的可见光大气透射比，即τatm(0.1)。

1 大气透射比τatm计算方法的确定

通过对相关理论的分析与总结，笔者将大气透射比的现有测定方法归纳为四种，即能见度计算法、大气辐射传输软件计算法、透射式能见度直接测定法以及大气视觉理论计算法。

1.1 能见度计算法

能见度计算法即利用散射式能见度仪测得的实时能见度数据，根据Koschmieder 定律得到大气消光系数，再由Bouguer-Lamber 定律计算大气透射比数值。这种方法在理论上是可行的，但是散射式能见度仪在研制开发阶段，一般采用是Koschmieder 定律的修正公式，而此公式信息又无从得知，导致大气消光系数的计算数据存在一定误差，大大降低了这种计算方法在实际运用中的可操作性。

1.2 大气辐射传输软件计算法

软件计算法是利用国际上已建立的大气光谱参数数据库，通过专业大气传输软件可实现对大气透射比的高精度测量。这一方法虽然快速精确，但是需要设置大量的气象参数，因大气始终处于运动变化的状态，这些数据繁琐复杂又很难测量，增加了这一方法的实施难度。而且这种方法专业性较强，最终产生的数据量十分庞大，本研究毕竟不同于气象观测领域的专项研究，不需要如此精准、庞杂的数据结果，因此该方法对本研究的适用性有待商榷。

1.3 透射式能见度仪直接测定法

透射式能见度仪是基于透射比定义研发的一种能见度测量仪器，即通过对基线方向上大气透射比的直接测量获得这一参数的实时数据，根据Bouguer-Lamber 定律及Koschmieder 定律计算得到大气能见度。该仪器可实现对一定路程的大气透射比的实时测量，因而透射式能见度仪直接测定法是一种最为简便、有效且最具说服力的测量方法。但是，该仪器造价极为昂贵，高达数百万元，且安装及维护难度大，致使这一方法的可行性大打折扣。

1.4 大气视觉理论计算法

大气视觉理论以人眼的视觉理论为基础，综合考虑了大气对光辐射的衰减和增强效应，很好地阐述了目标物光辐射在到达人眼之前与大气发生了何种作用。在这里，特别指出的是，在到达人眼之前，目标物所发出的可见光始终沿近地面水平方向传输。其计算模型可利用亮度这一光学参数来表达。

式中:Lo，p——目标光辐射经过厚度为R 的大气层之后，人眼所察觉到的目标物亮度，cd/m2;

Lo——目标光辐射经过大气层之前的固有亮度，cd/m2;

Latm(∞)——天空背景亮度，在观测条件不变的情况下，此为恒定值，cd/m2;

τRatm——水平传输距离为R 时，可见光近地面大气透射比。

关于亮度测量，光学领域存在多种类型的仪器设备能够完成相应的测量工作，如简易型亮度计、成像式亮度计和高准确亮度计等，且这些测量仪器的普遍性和适用性都很强。较之其他三种计算方法，大气视觉理论计算法的可操作性更强。因而，式(2)可作为计算大气透射比τatm的重要公式。

文章研究对象是对于可见光而言的近地面水平大气透射比τatm，这一参数依据自身定义，其大气传输路径为1 km。而研究的最终目的是要落实一个停车视距的大气透射比τatm(0.1)数值，也就是完成短距离上近地面大气透射比的测量工作。以上四种测定方法各有利弊，经过综合分析，笔者认为大气视觉理论计算法比较适合近地面大气透射比的测量。

2 重庆地区大气透射比τatm的测定

我国幅员辽阔，气候类型多样，地理环境悬殊，这必然会造成各地区的大气透射比变化规律及数值大小的千差万别。本研究不可能面面俱到，在此以重庆地区为例研究大气透射比取值，同时建立可行性强、普适性高的研究方案。

2.1 实验原理

由于本实验是在天然光环境下进行的，实验天气的合理选择对研究重庆地区大气透射比τatm极其重要。由相关理论可知，大气透射比与大气能见度具有直接的相关性。因此，在实验天气的选择上，笔者主要从能见度角度出发，兼顾考虑天空状况的稳定性，确定了六种实验天气类型，即高能见度晴天空、高能见度阴天空、中能见度晴天空、中能见度阴天空、低能见度晴天空和低能见度阴天空。

本实验是基于大气视觉理论进行的，利用A1 号白板(表面均匀喷涂BaSO4材料)、LM-3 亮度仪、XYI-III照度计等实验器材，对大气透射比τatm进行测定。实验之初，对LM-3 亮度仪及XYI-III 照度计进行精度校正，并利用漫反射表面反射系数测定公式ρ=πL/E对A1 号白板的反射系数进行精确测定，得到其值为0.91。其后，在适宜的室外环境下，利用XYI-III照度计所测得的A1 号白板表面垂直照度Ev求得其固有亮度Lo，利用LM-3 亮度仪测定A1 号白板在不同观测距离下的观测亮度Lo，p;在已知固有亮度Lo、观测亮度Lo，p、观测距离R 的情况下，结合大气透射比计算公式(2)，通过数据处理软件对所得实验数据进行拟合，求得不同实验条件下的τatm和τatm(0.1)数值。

2.2 实验过程

测定工作是以重庆大学B 校区田径场为实验场地，每次测试选择在当日接近中午时分进行，时间控制在11 ∶00—11 ∶30 之间。具体实验步骤如下:

(1)在实验场地沿田径场的长边方向布置测点，将LM-3 亮度仪置于西北0 m 处，在0～120 m 的范围内以间隔10 m 的距离布置一个测点，分别为10 m、20 m、30 m……100 m、110 m、120 m(图1)。

(2)将一部照度计水平放置于空旷地面上，用于测定太阳辐射的水平照度Eh，另一部照度计固定于A1 号白板上，用于测定A1 号白板的垂直照度Ev。

(3)首先将A1 号白板置于120 m 处，读取此时白板的垂直照度Ev、观测亮度Lo，p以及太阳辐射的水平照度Eh(一定要确保各数据读取地同时性)，并将数据记录下来。

图1 实验测点布置

(4)保持亮度仪位置不变，将白板位置移至110 m处，依照步骤4 再次进行测试，记录相关实验数据。

(5)将白板依次置于100 m、90 m…10 m 处，以相同的步骤进行测试，并记录测试结果(图2)。

图2 实验测试现场

(6)本组测试结束后，将白板再次放置在10 m、20 m、30 m……120 m 测点处，依照以上步骤进行测试，记录第二组测试结果。

(7)测试完毕后，将白板重新放置在120 m、110 m……10 m 测点处，以相同的步骤进行测试，记录第三组测试结果。

(8)整理实验数据，每个测点的测试距离R、观测亮度Lo，p可直接获取，固有亮度Lo则需根据漫反射表面反射系数测定公式ρ=πL/E，由垂直照度Ev计算得到。

(9)结合公式(2)，将相关数据通过1stOpt5.0 及Origin8.5软件进行拟合，得出当时天气条件下的τatm及τatm(0.1)。

2.3 结果

每次实验对10 m～120 m 这12 个测点均进行了三次测试，也就是说每种天气状况拥有三组实验数据。以高能见度晴天条件下的测试数据(见表1)为例，对数据处理方法进行介绍。

表1 高能见度晴天条件下测试数据

在对以上数据进行拟合时，首先结合公式(2)并利用1stOpt5.0 软件对前两组数据进行多元非线性拟合，得出τatm、Latm(∞)的拟合数值分别为0.783 和3 057.4。将其代入式(2)中，便得到固有亮度Lo和观测亮度Lo，p的函数表达式，即Lo，p=3 057.4-(3 057.4-Lo)×0.783^R。然后，利用各天气状况下的第三组数据验证τatm和Latm(∞)拟合值的准确性。具体方法是，将第三组数据中的Lo及R 数值代入上述与之对应的函数关系式中，得到Lo，p计算值。利用Origin8.5软件对Lo，p计算值与Lo，p实测值进行比较(见图3)，并求出二者之间的误差率在0.05%～0.20%之间，由此可见，前两组数据拟合得到的τatm和Latm(∞)数值具有一定的合理性与准确性。

图3 高能见度晴天空Lo，p计算值与实测值之间的比较分析

利用上述方法，作者依次对其他五种天气条件下的测试数据进行了拟合处理，得到τatm和Latm(∞)拟合值，并且利用第三组数据对拟合值的精确性进行了验证，误差均在合理范围内。根据公式可以求得100 m 传输路径上的大气透射比τatm(0.1)，本实验测试结果见表2。

表2 大气透射比τatm测试结果

2.4 τatm(0.1)计算值与CIE 标准推荐值的比较与分析

CIE 88—2004 曾对察觉对比公式中的τatm(0.1)作出一定推荐，即在没有当地大气光学数据的情况下，τatm(0.1)可取为1.0。显然这一推荐值与上述取值范围存在一定差别，现对τatm(0.1)计算值与CIE 88—2004 文件的推荐值进行如下比较与分析。

(1)在此次大气透射比τatm实验中，，不同的大气能见度条件下，τatm(0.1)大小存在差异。而CIE 88—2004 对推荐值1.0 的运用并未给出严格的限定条件，没有明确说明在什么样的天气条件或光学环境下，τatm(0.1)取1.0。

(2)从重庆地区来说，高能见度天气的τatm(0.1)计算值与CIE 推荐值1.0 十分接近，误差小于3.4%;中能见度天气的τatm(0.1)取值与推荐值1.0 略有差异，误差在3.4%～13.7%;低能见度天气的τatm(0.1)大小与推荐值1.0 的误差要大于13.7%(表3)。

表3 τatm(0.1)计算值与CIE 推荐值之间的误差率

(3)在重庆地区，不同测试天气下τatm(0.1)的不同取值，必然会导致察觉对比设计方法计算结果数值上的波动，与τatm(0.1)直接取为1.0 的情况相比，其对隧道照明设计的影响更为复杂。

如果测试天气为高能见度时，τatm(0.1)计算值接近于1.0，但并不能说明此时的τatm(0.1)可取作1.0。而在中、低能见度条件下，τatm(0.1)计算值与推荐值1.0 相差悬殊，显然，τatm(0.1)也不能直接套用1.0 这一数值。因此，无论处于何种天气条件下，τatm(0.1)取值直接照搬CIE 推荐值，既不科学也不精确。