一种隧道入口遮阳棚渐变光环境设计方法与流程

本发明属于公路隧道交通安全设施领域，特别涉及一种隧道入口遮阳棚渐变光环境设计方法。

背景技术：

随着我国公路隧道建设的发展，隧道入口处行车安全问题越来越引起人们的重视。研究表明，隧道入口内外光照度差异大，是隧道入口发生交通事故的主要原因。因此，在隧道入口处设置一定长度的减光构件，实现隧道洞口内外的照度差合理过渡非常必要。

目前国内关于隧道入口减光构件的研究主要有两个方向：一种是通过改变梁肋板间距来改变透光率的遮光棚；另一种是顶部采用同一种材料遮挡的遮阳棚。分析两种不同的减光构件可知，遮光棚虽然在一定的程度上缓解了隧道入口的交通事故，但晴天遮光棚下的眩光、路面上出现黑白相间的阴影等会对驾驶员的视觉产生一定的影响，不能有效地保证行车安全；同时钢筋混凝土拱形结构的变间距肋板型遮光棚施工工艺繁琐、进度慢，对其他施工行为干扰大。而国内现有的隧道入口遮阳棚设计选用的遮挡材料的透光率单一，虽然降低了外界环境与隧道洞内的亮度差，但这种单次亮度降低依旧不能消除隧道入口的“黑洞效应”，与驾驶员适应亮度差的视觉特性吻合性较低，其方法的科学性不足，改善隧道入口的行车安全收效不大。

因此，在上述相关实践的基础上，研究一种光环境渐变的公路隧道入口遮阳棚的设计方法，通过确定遮阳棚的长度以及在不同位置使用多种透光率遮光板的组合，实现遮阳棚整体透光率的变化沿着行车方向由大到小，把洞口亮度剧变通过设置遮阳棚合理降低到驾驶员的视觉变化能适应的范围内，对于降低隧道入口交通事故发生率具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隧道入口遮阳棚渐变光环境设计方法，以克服现有遮光棚设计方法的不足，以更加有效地保证隧道入口的行车安全。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种隧道入口遮阳棚渐变光环境设计方法，包括以下步骤：

步骤一：确定遮阳棚的长度L_c：

其中，v为设计车速；

t为驾驶员隧道入口处暗适应时间；

步骤二：根据隧道洞口断面形状尺寸和初步确定的遮阳棚长度Lc，在CAD中构建隧道和遮阳棚模型；

步骤三：将隧道和遮阳棚模型导入Ecotect Analysis软件中进行光环境仿真，通过确定不同透光率遮光板的组合使遮阳棚内光环境渐变满足隧道入口驾驶员视觉暗适应需求，并修正遮阳棚总长度。

进一步的，驾驶员隧道入口处暗适应时间t的计算过程如下：

隧道所处地区全年太阳光照强度最大值L_max，该隧道驾驶员视场中的平均亮度L(S)，该隧道的入口段亮度折减系数为k，得出隧道入口段亮度L_th1：

L_th1＝k×L(S) (2)

驾驶员在隧道入口处的暗适应时间

其中L_in为隧道加强照明段光照强度实测值；若无实测值，用L_th1代替。

进一步的，对于已建隧道，驾驶员视场中的平均亮度L(S)和隧道入口段亮度L_th1均利用亮度计观测得到；对于未建隧道，利用路面平均亮度与平均照度的换算率K，通过洞外、洞内照度进行换算，换算公式如下：

E_out＝K·L(S)

E_in＝K·L_th1 (4)

式中：E_out—隧道洞外平均照度，单位为lux；

E_in—隧道洞内平均照度，单位为lux；

K—路面平均亮度与平均照度换算系数，lux/(cd·m^-2)；

平均亮度与平均照度间的换算系数K通过实测确定；无实测条件时，黑色沥青路面取15lux/(cd·m^-2)，水泥混凝土路面取10lux/(cd·m^-2)。

进一步的，所述遮阳棚模型断面轮廓大于隧道洞口，且遮阳棚底部钢拱架不侵入路面行车道。

进一步的，在Ecotect Analysis中选择隧道所处地区经度、纬度，仿真日期以及洞口方向这几个参数，并输入仿真的太阳光照强度值L_max；遮阳棚模型沿行车方向每2m设置一道钢拱架，遮光板的规格为2m×2m，在两钢拱架间沿钢拱架圆弧外边缘铺设；通过Ecotect Analysis改变透光率参数；预设透光率70％、60％和50％遮光板沿车辆进入隧道方向所占环数分别为n₁、n₂、n₃，根据3种基础遮光板透光率降低的数值，令n₁:n₂:n₃＝3:2:5，且满足2×(n₁+n₂+n₃)＝L_c。

进一步的，从最靠近隧道入口处的一环开始调节，先将两钢拱架间最顶端一块遮光板设置为不透明，运行软件进行光环境仿真，输出遮阳棚最后一环内路面照度值以及隧道洞口处照度值，取遮阳棚最后一环内路面光照强度L₁和隧道洞口内路面光照强度L₀,，代入公式(3)中计算出驾驶员由光照强度L₁过渡到L₀所需暗适应时间t₁，令t₀为车辆以设计速度行驶过一环遮光板的时间，若t₁>t₀，则此段光照强度突变较大，驾驶员难以适应，需在已设置不透光板的两端各添加一块不透光板，然后重复以上计算直至t₁<t₀，则此时的不透光板和透光板的组合满足设计要求；然后对每环遮光板的组合重复以上过程，直至当外界光照强度L_max与第n环遮阳棚内路面的光照强度L_n代入公式(3)满足t_n<t₀，则第n环为遮阳棚最后一段，遮阳棚最终设计总长度L_z＝2×n。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明先通过暗适应曲线公式初步确定遮阳棚的长度，再运用Ecotect Analysis光环境仿真功能结合多种透光率遮光板组合方法来确定遮阳棚整体光环境渐变，并修正遮阳棚长度，方法操作简单、结果可靠准确，并且使遮阳棚内光照强度变化曲线更加平滑，有效地保证隧道入口的行车安全。

附图说明

图1为遮阳棚钢拱架示意图；

图2为遮阳棚整体侧视图；

图3为遮阳棚整体俯视图；

图4为遮阳棚遮光板组合图；

其中：1、遮阳棚遮光板；2、遮阳棚钢拱架。

具体实施方式

以下结和附图对本发明进一步说明：

一种隧道入口遮阳棚渐变光环境设计方法，包括以下步骤：

步骤一：确定遮阳棚的长度L_c：

其中，v为设计车速；

t为驾驶员隧道入口处暗适应时间；

驾驶员隧道入口处暗适应时间t的计算过程如下：

隧道所处地区全年太阳光照强度最大值L_max，该隧道驾驶员视场中的平均亮度L(S)，该隧道的入口段亮度折减系数为k，得出隧道入口段亮度L_th1：

L_th1＝k×L(S) (2)

驾驶员在隧道入口处的暗适应时间

其中L_in为隧道加强照明段光照强度实测值；若无实测值，用L_th1代替。

对于已建隧道，驾驶员视场中的平均亮度L(S)和隧道入口段亮度L_th1均利用亮度计观测得到；对于未建隧道，利用路面平均亮度与平均照度的换算率K，通过洞外、洞内照度进行换算，换算公式如下：

E_out＝K·L(S)

E_in＝K·L_th1 (4)

式中：E_out—隧道洞外平均照度，单位为lux；

E_in—隧道洞内平均照度，单位为lux；

K—路面平均亮度与平均照度换算系数，lux/(cd·m^-2)；

平均亮度与平均照度间的换算系数K通过实测确定；无实测条件时，黑色沥青路面取15lux/(cd·m^-2)，水泥混凝土路面取10lux/(cd·m^-2)。

步骤二：根据隧道洞口断面形状尺寸和初步确定的遮阳棚长度Lc，在CAD中构建隧道和遮阳棚模型；所述遮阳棚模型断面轮廓大于隧道洞口，且遮阳棚底部钢拱架不侵入路面行车道。

步骤三：将隧道和遮阳棚模型导入Ecotect Analysis软件中进行光环境仿真，通过确定不同透光率遮光板的组合使遮阳棚内光环境渐变满足隧道入口驾驶员视觉暗适应需求，并修正遮阳棚总长度。

在Ecotect Analysis中选择隧道所处地区经度、纬度，仿真日期以及洞口方向这几个参数，并输入仿真的太阳光照强度值L_max；遮阳棚模型沿行车方向每2m设置一道钢拱架2，遮光板1的规格为2m×2m，在两钢拱架2间沿钢拱架圆弧外边缘铺设；通过Ecotect Analysis改变透光率参数；预设透光率70％、60％和50％遮光板1沿车辆进入隧道方向所占环数分别为n₁、n₂、n₃，根据3种基础遮光板透光率降低的数值，令n₁:n₂:n₃＝3:2:5，且满足2×(n₁+n₂+n₃)＝L_c。

从最靠近隧道入口处的一环开始调节，先将两钢拱架间最顶端一块遮光板设置为不透明，运行软件进行光环境仿真，输出遮阳棚最后一环内路面照度值以及隧道洞口处照度值，取遮阳棚最后一环内路面光照强度L₁和隧道洞口内路面光照强度L₀,，代入公式(3)中计算出驾驶员由光照强度L₁过渡到L₀所需暗适应时间t₁，令t₀为车辆以设计速度行驶过一环遮光板的时间，若t₁>t₀，则此段光照强度突变较大，驾驶员难以适应，需在已设置不透光板的两端各添加一块不透光板，然后重复以上计算直至t₁<t₀，则此时的不透光板和透光板的组合满足设计要求；然后对每环遮光板的组合重复以上过程，直至当外界光照强度L_max与第n环遮阳棚内路面的光照强度L_n代入公式(3)满足t_n<t₀，则第n环为遮阳棚最后一段，遮阳棚最终设计总长度L_z＝2×n。