CN110553176B - 一种高速公路四车道超宽断面隧道led照明灯具横向配光方法 - Google Patents

一种高速公路四车道超宽断面隧道led照明灯具横向配光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速公路四车道超宽断面隧道LED照明灯具横向配光方法，适用于采用对称布设方式的隧道LED照明灯具，涉及路面水平照度、灯具养护系数、隧道横断面尺寸及有大型车在第一车道运行等灯具横向(灯具C0/180配光剖面)配光影响因素。根据隧道横断面尺寸确定隧道横向照明区域，合理的确定灯具安装位置并划分隧道横向照明区域，建立直角坐标系，确定灯具在横向照明区域各点的水平照度贡献值和灯具的养护系数，利用光度学的理论知识，建立灯具横向各点的发光强度计算式，得到灯具横向各点的发光强度值。本发明的方法是在考虑了隧道特殊超宽横断面尺寸和有大型车辆运行条件下的一种特殊配光方法，满足交通安全对隧道照明的要求。

Description

一种高速公路四车道超宽断面隧道LED照明灯具横向配光 方法
技术领域
本发明涉及一种高速公路四车道超宽断面隧道LED照明灯具横向配光方法，属于公路隧道照明技术领域。
背景技术
在高速公路新建和改扩建项目中四车道超宽断面隧道越来越多，目前隧道照明设计领域还没有专门针对这种特殊大断面尺寸的隧道照明设置技术，现有已运营的高速公路四车道超宽断面隧道均采用传统两车道隧道照明灯具进行设计，这样的设计会使隧道路面照明亮度和均匀性差，导致高速公路四车道超宽断面隧道照明光环境质量达不到《公路隧道照明设计细则》的要求，严重影响安全、舒适、稳定的驾驶视认。
此外，在高速公路四车道超宽断面隧道中运行的大客、货车等大型车辆占比高的情况下，采用传统两侧布灯方式会存在内侧车道被右侧车道大车遮挡的情况，导致相邻车道遮挡区域的亮度下降，从而使隧道路面存在明暗相间的隧道照明环境，在引起隧道路面亮度及均匀度不满足要求的同时会使驾驶员的眼睛出现频繁的明、暗适应现象，引起视觉疲劳及视觉障碍，影响内侧车道车辆安全驾驶视认，增加行车风险。
发明内容
考虑到现有高速公路四车道超宽断面隧道照明皆选择传统两车道隧道照明灯具进行设计，所采用的照明灯具未因隧道横断面尺寸的变化进行特殊配光设计，使得现有高速公路四车道超宽断面隧道照明光环境存在不同程度的照明质量不达标的现象，从而使得隧道照明光环境质量不满足安全驾驶视认的需求。本发明的目的在于针对高速公路四车道超宽断面隧道照明区域特点及运营环境特征，依据光度学的理论知识，提出一种高速公路四车道超宽断面隧道LED照明灯具横向配光方法，以期使高速公路四车道超宽断面隧道照明光环境满足安全、舒适和稳定的驾驶视认需求。
考虑到隧道照明区域包括隧道整个路面、检修道和隧道两侧墙面2m高的范围，各照明区域的照度关系为：检修道和隧道两侧墙面的平均照度按隧道路面平均照度的60％进行取值。本发明专利隧道各照明区域以照度完全均匀为基础，隧道照明区域Ⅰ和区域Ⅱ行车道各点的照度相等，照明区域Ⅲ各点的照度值取照明区域Ⅰ和区域Ⅱ的0.6倍值，并以此按照光度学中照度的相加性原理及照度与距离平方成反比定律来反推灯具横向配光剖面各照射方向的发光强度，进而得到照明灯具横向配光剖面的配光值；
本发明专利的配光方法适用于高速公路四车道超宽断面隧道采用对称布设方式的灯具，灯具安装高度为5.4m；为避免隧道行车道右侧第一车道有大型车行驶时遮挡同侧照明光源照向相邻第二车道的灯光，灯具横向安装位置在路面上的垂直投影与车行道中心线的距离应该小于等于4.5m，本发明取4.5m。
本发明专利一种高速公路四车道超宽断面隧道LED照明灯具横向配光方法，具体步骤为：
步骤一：根据隧道照明区域确定计算区域和坐标系
根据《公路工程技术规范》和《公路隧道设计细则》的规定，高速公路四车道超宽断面隧道建筑限界横断面如图2所示，各主要组成部分宽度：W＝15m，H＝5m，LL＝LR＝0.75m，J＝0.75m，其余部分宽度与标准、细则要求一致；根据《公路隧道照明设计细则》要求，确定隧道LED照明灯具横向配光计算区域包括隧道整个路面、检修道和隧道两侧墙面2m高的范围，包括图3中的区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；以隧道横向为X轴、高度方向为Y轴、以灯具A1在隧道路面的垂直投影点为原点，建立平面直角坐标系(坐标系单位：m)，如图3所示；
步骤二：依据光度学中点光源在某方向垂直于该方向的面元上产生的照度与点光源在该方向的发光强度成正比，与光源到面元距离的平方成反比定律以及照度的余弦法则，确定灯具在隧道内照明区域某计算点处产生的水平照度与灯具在该计算点方向的光强值关系：
Figure BDA0002138440590000021
故
Figure BDA0002138440590000022
式中：Ip为灯具在点P方向产生的光强值，单位为cd，Ep为灯具在路面点p处产生的水平照度，单位为lx，M为灯具的养护系数，θ为点p所在平面的法线与灯具在点p方向的光线之间的夹角；
步骤三：确定灯具A1在隧道照明区域Ⅰ的点(x1，y1)、照明区域Ⅱ的点(x2，y2)和照明区域Ⅲ的点(x3，y3)处分别产生的发光强度Iθ1、Iθ2和Iθ3
(1)对于照明区域Ⅰ
灯具在点(x1，y1)处的光线与垂直向下方向的夹角θ1的余弦值、θ1值及灯具到点(x1，y1)距离l1的平方，其中y1＝0，0≤x1≤9m
Figure BDA0002138440590000031
Figure BDA0002138440590000032
Figure BDA0002138440590000033
灯具在点(x1，y1)方向产生的发光强度Iθ1，其中y1＝0，0≤x1≤9m
Figure BDA0002138440590000034
(2)对于照明区域Ⅱ
灯具在点(x2，y2)处的光线与垂直向下方向的夹角θ2的余弦值、θ2值及灯具到点(x2，y2)距离l2的平方，其中y2＝0，-3.75m≤x2＜0
Figure BDA0002138440590000035
Figure BDA0002138440590000036
Figure BDA0002138440590000037
灯具在点(x2，y2)方向产生的发光强度Iθ2，其中y2＝0，-3.75m≤x2＜0
Figure BDA0002138440590000038
(3)对于照明区域Ⅲ
a.灯具在点(x3，y3)处的光线与垂直向下方向的夹角θ3的余弦值、θ3值及灯具到点(x3，y3)的距离l3的平方，其中y3＝0，-4.5m≤x3＜-3.75m
Figure BDA0002138440590000039
Figure BDA0002138440590000041
Figure BDA0002138440590000042
灯具在点(x3，y3)方向产生的发光强度Iθ3，其中y3＝0，-4.5m≤x3＜-3.75m
Figure BDA0002138440590000043
b.灯具在点(x3，y3)处的光线与水平方向的夹角
Figure BDA0002138440590000044
的余弦值、θ3值及灯具到点(x3，y3)距离l3的平方，其中0＜y3≤2m，x3＝-4.5m
Figure BDA0002138440590000045
Figure BDA0002138440590000046
Figure BDA0002138440590000047
灯具在点(x3，y3)方向产生的发光强度Iθ3，其中0＜y3≤2m，x3＝-4.5m
Figure BDA0002138440590000048
其中，h为灯具距离地面的安装高度；E0为照明区域计算点处的照度值，其数值等于《公路隧道照明设计细则》要求的隧道路面平均亮度乘上平均亮度与平均照度间的换算系数，《公路隧道照明设计细则》规定换算系数宜实测确定，无实测条件时，黑色沥青路面可取15lx/(cd*m-2)，水泥混凝土路面可取10lx/(cd*m-2)；M为灯具的养护系数，《公路隧道照明设计细则》规定公路隧道照明设计应考虑运营期灯具受污状况和养护情况，养护系数M值宜取0.7，纵坡大于2％且大型车比例大于50％的特长隧道养护系数M值宜取0.6；(h＝5.4m)。
步骤四：根据《公路隧道照明设计细则》规定，得到某条高速公路四车道超宽断面隧道照明设计要求达到的路面平均亮度，并通过换算得到照度E0，灯具的养护系数为M，根据以上LED照明灯具横断面各点发光强度计算式，得到LED照明灯具横向配光值如表1、2、3所示：
表1隧道照明区域Ⅰ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure BDA0002138440590000051
表2隧道照明区域Ⅱ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure BDA0002138440590000052
表3隧道照明区域Ⅲ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure BDA0002138440590000053
Figure BDA0002138440590000061
照明灯具的横向指灯具的C0/180配光剖面方向；
灯具安装后其C0/180配光剖面方向与隧道路面纵断面方向垂直(即灯具的安装不沿行车方向旋转)；
在计算灯具照射照明区域Ⅲ的检修道部分的发光强度时，考虑到检修道高度对隧道照明质量指标几乎没有影响，故从计算简化的角度忽略了检修道的高度，即计算中假设检修道的高度为0；
灯具A1对照明区域Ⅰ贡献的水平照度值与坐标X值成线性递减的关系，并在灯具A2在路面的垂直投影点处为0。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图。
图2为高速公路四车道超宽断面隧道横断面建筑限界图，作为本发明的灯具横向配光照明对象。
图3为以隧道横向为X轴、高度方向为Y轴、以灯具A1在隧道路面的垂直投影点为原点，建立的平面直角坐标系(坐标系单位：m)；同时也是隧道照明区域划分图。
图4为本发明的灯具横向配光照明效果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，以下结合附图对本发明做进一步的描述，显然所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当在本发明保护的范围之内。
一种高速公路四车道超宽断面隧道LED照明灯具横向配光方法，具体步骤为：
步骤一：根据隧道照明区域确定计算区域和坐标系
根据《公路工程技术规范》和《公路隧道设计细则》的规定，高速公路四车道超宽断面隧道建筑限界横断面如图2所示，各主要组成部分宽度：W＝15m，H＝5m，LL＝LR＝0.75m，J＝0.75m，其余部分宽度与标准、细则要求一致；根据《公路隧道照明设计细则》要求，确定隧道LED照明灯具横向配光计算区域包括隧道整个路面、检修道和隧道两侧墙面2m高的范围，包括图3中的区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；以隧道横向为X轴、高度方向为Y轴、以灯具A1在隧道路面的垂直投影点为原点，建立平面直角坐标系(坐标系单位：m)，如图3所示；
步骤二：依据光度学中点光源在某方向垂直于该方向的面元上产生的照度与点光源在该方向的发光强度成正比，与光源到面元距离的平方成反比定律以及照度的余弦法则，确定灯具在隧道内照明区域某计算点处产生的水平照度与灯具在该计算点方向的光强值关系：
Figure BDA0002138440590000071
故
Figure BDA0002138440590000072
式中：Ip为灯具在点P方向产生的光强值，单位为cd，Ep为灯具在路面点p处产生的水平照度，单位为lx，M为灯具的养护系数，θ为点p所在平面的法线与灯具在点p方向的光线之间的夹角；
步骤三：确定灯具A1在隧道照明区域Ⅰ的点(x1，y1)、照明区域Ⅱ的点(x2，y2)和照明区域Ⅲ的点(x3，y3)处分别产生的发光强度Iθ1、Iθ2和Iθ3
(1)对于照明区域Ⅰ
灯具在点(x1，y1)处的光线与垂直向下方向的夹角θ1的余弦值、θ1值及灯具到点(x1，y1)距离l1的平方，其中y1＝0，0≤x1≤9m
Figure BDA0002138440590000073
Figure BDA0002138440590000074
Figure BDA0002138440590000075
灯具在点(x1，y1)方向产生的发光强度Iθ1，其中y1＝0，0≤x1≤9m
Figure BDA0002138440590000081
(2)对于照明区域Ⅱ
灯具在点(x2，y2)处的光线与垂直向下方向的夹角θ2的余弦值、θ2值及灯具到点(x2，y2)距离l2的平方，其中y2＝0，-3.75m≤x2＜0
Figure BDA0002138440590000082
Figure BDA0002138440590000083
Figure BDA0002138440590000084
灯具在点(x2，y2)方向产生的发光强度Iθ2，其中y2＝0，-3.75m≤x2＜0
Figure BDA0002138440590000085
(3)对于照明区域Ⅲ
a.灯具在点(x3，y3)处的光线与垂直向下方向的夹角θ3的余弦值、θ3值及灯具到点(x3，y3)的距离l3的平方，其中y3＝0，-4.5m≤x3＜-3.75m
Figure BDA0002138440590000086
Figure BDA0002138440590000087
Figure BDA0002138440590000088
灯具在点(x3，y3)方向产生的发光强度Iθ3，其中y3＝0，-4.5m≤x3＜-3.75m
Figure BDA0002138440590000089
b.灯具在点(x3，y3)处的光线与水平方向的夹角
Figure BDA00021384405900000810
的余弦值、θ3值及灯具到点(x3，y3)距离l3的平方，其中0＜y3＜2m，x3＝-4.5m
Figure BDA0002138440590000091
Figure BDA0002138440590000092
灯具在点(x3，y3)方向产生的发光强度Iθ3，其中0＜y3≤2m，x3＝-4.5m
Figure BDA0002138440590000093
其中，h为灯具距离地面的安装高度(h＝5.4m)；E0为照明区域计算点处的照度值，其数值等于《公路隧道照明设计细则》要求的隧道路面平均亮度乘上平均亮度与平均照度间的换算系数，《公路隧道照明设计细则》规定换算系数宜实测确定，无实测条件时，黑色沥青路面可取15lx/(cd*m-2)，水泥混凝土路面可取10lx/(cd*m-2)；M为灯具的养护系数，《公路隧道照明设计细则》规定公路隧道照明设计应考虑运营期灯具受污状况和养护情况，养护系数M值宜取0.7，纵坡大于2％且大型车比例大于50％的特长隧道养护系数M值宜取0.6；
步骤四：如果有一条设计速度V＝100Km/h的高速公路四车道超宽断面隧道、它的单车道交通辆N≥1200veh/(h·ln)，按照《公路隧道照明设计细则》规定，该隧道中间段路面亮度可取Lin＝3.5cd/m2，采用《公路隧道照明设计细则》中推荐的平均亮度与平均照度间的换算系数为15lx/(cd/m-2)，则平均照度E0＝52.5lx/m2，灯具的养护系数M取0.7。根据以上LED照明灯具横断面各点发光强度计算式，得到LED照明灯具横向配光值如表4、5、6所示：
表4隧道照明区域Ⅰ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure BDA0002138440590000094
Figure BDA0002138440590000101
表5隧道照明区域Ⅱ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure BDA0002138440590000102
表6隧道照明区域Ⅲ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure BDA0002138440590000103

Claims (1)

1.一种高速公路四车道超宽断面隧道LED照明灯具横向配光方法，其特征为：具体步骤为：
步骤一：根据隧道照明区域确定计算区域和坐标系
根据《公路工程技术规范》和《公路隧道设计细则》的规定，高速公路四车道超宽断面隧道建筑限界横断面各主要组成部分宽度：行车道宽度W＝15m，隧道建筑限界高度H＝5m，左侧向宽度LL与右侧向宽度LR均等于0.75m，检修道宽度J＝0.75m；根据《公路隧道照明设计细则》要求，确定隧道LED照明灯具横向配光计算区域包括隧道整个路面、检修道和隧道两侧墙面2m高的范围，包括区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，照明区域Ⅰ由灯具A1和灯具A2共同照射，照度值由灯具A1和灯具A2共同提供；区域Ⅱ和区域Ⅲ的照度值由灯具A1和灯具A2分别提供；以隧道横向为X轴、高度方向为Y轴、以灯具A1在隧道路面的垂直投影点为原点，建立平面直角坐标系，坐标系单位为m；
步骤二：依据光度学中点光源在某方向垂直于该方向的面元上产生的照度与点光源在该方向的发光强度成正比，与光源到面元距离的平方成反比定律以及照度的余弦法则，确定灯具在隧道内照明区域某计算点处产生的水平照度与灯具在该计算点方向的光强值关系：
Figure FDA0003488905500000011
故
Figure FDA0003488905500000012
式中：Ip为灯具在点P方向产生的光强值，单位为cd，Ep为灯具在路面点p处产生的水平照度，单位为lx，M为灯具的养护系数，θ为点p所在平面的法线与灯具在点p方向的光线之间的夹角；
步骤三：确定灯具A1在隧道照明区域Ⅰ的点(x1，y1)、照明区域Ⅱ的点(x2，y2)和照明区域Ⅲ的点(x3，y3)处分别产生的发光强度Iθ1、Iθ2和Iθ3
(1)对于照明区域Ⅰ
灯具在点(x1，y1)处的光线与垂直向下方向的夹角θ1的余弦值、θ1值及灯具到点(x1，y1)距离l1的平方，其中y1＝0，0≤x1≤9m
Figure FDA0003488905500000013
Figure FDA0003488905500000021
Figure FDA0003488905500000022
灯具在点(x1，y1)方向产生的发光强度Iθ1，其中y1＝0，0≤x1≤9m
Figure FDA0003488905500000023
(2)对于照明区域Ⅱ
灯具在点(x2，y2)处的光线与垂直向下方向的夹角θ2的余弦值、θ2值及灯具到点(x2，y2)距离l2的平方，其中y2＝0，-3.75m≤x2<0
Figure FDA0003488905500000024
Figure FDA0003488905500000025
Figure FDA0003488905500000026
灯具在点(x2，y2)方向产生的发光强度Iθ2，其中y2＝0，-3.75m≤x2<0
Figure FDA0003488905500000027
(3)对于照明区域Ⅲ
a.灯具在点(x3，y3)处的光线与垂直向下方向的夹角θ3的余弦值、θ3值及灯具到点(x3，y3)的距离l3的平方，其中y3＝0，-4.5m≤x3<-3.75m
Figure FDA0003488905500000028
Figure FDA0003488905500000029
Figure FDA00034889055000000210
灯具在点(x3，y3)方向产生的发光强度Iθ3，其中y3＝0，-4.5m≤x3<-3.75m
Figure FDA00034889055000000211
b.灯具在点(x3，y3)处的光线与水平方向的夹角
Figure FDA00034889055000000212
的余弦值、θ3值及灯具到点(x3，y3)距离l3的平方，其中0<y3≤2m，x3＝-4.5m
Figure FDA00034889055000000213
Figure FDA0003488905500000031
Figure FDA0003488905500000032
灯具在点(x3，y3)方向产生的发光强度Iθ3，其中0<y3≤2m，x3＝-4.5m
Figure FDA0003488905500000033
其中，h为灯具距离地面的安装高度；
步骤四：根据《公路隧道照明设计细则》规定，得到某条高速公路四车道超宽断面隧道照明设计要求达到的路面平均亮度，并通过换算得到照度E0，灯具的养护系数为M，根据以上LED照明灯具横断面各点发光强度计算式，得到LED照明灯具横向配光值；
表1隧道照明区域Ⅰ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure FDA0003488905500000034
表2隧道照明区域Ⅱ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure FDA0003488905500000035
Figure FDA0003488905500000041
表3隧道照明区域Ⅲ各点所对应的灯具横向发光强度
Figure FDA0003488905500000042
。
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