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摘要
论文是国家自然科学基金资助项目"视觉理论在公路隧道照明节能中的应用研究"(批准号:50878217)、"基于人眼适应的公路隧道入口段亮度研究"(批准号:50908240)和"公路隧道照明察觉对比设计方法研究"(批准号:51278507)的研究分课题,旨在设计之初就能获知隧道洞外亮度及色温取值及其变化规律,为隧道照明设计提供更为详尽和可靠的基准数据,优化隧道各加强段的照明及控制,节约照明设备初期投资以及后续运营能耗,实现隧道照明节能。隧道洞外光度及色度是隧道洞外光环境的两个方面,在此前的研究中,国内外学者主要集中在洞外的光度方面,即一直比较关注隧道洞内外亮度变化的适应关系;而对色度方面的研究较为缺乏,尚未考虑隧道洞内外色温变化的适应关系。因此,本文首次引入洞外色温的概念,在太阳辐射、大气科学等相关理论及研究成果的基础上,提出了基于辐射度学的隧道洞外亮度及色温研究方法,并以此来研究其动态变化的规律。为隧道照明设计标准的完善和隧道照明设计的实践提供理论依据。论文第二章主要梳理和界定了隧道洞外亮度L20(S)和隧道洞外色温TC20(S)的概念及其确定方法,并梳理了与之相关的太阳辐射、色度学等方面的理论知识,论证了开展隧道洞外色温基础研究的重要意义,提出采用明视觉10°视场的光谱光视效率函数和CIE1964标准色度学系统进行隧道洞外亮度和色温研究更为合适,为后续研究明确了方向及理论依据。论文第三章通过现场调研、理论分析及隧道标准研究,分析和明确了影响隧道洞外亮度及色温的3个主要因素,即:1)20°视场范围内隧道洞外景物的类型及面积百分比;2)入射天然光的光谱功率分布;3)洞外景物表面的光谱反射率。并通过对这3个影响因素的深入剖析,确定了隧道洞外各景物表面所接受太阳总光谱辐射照度的理论计算模型,实测了四类主要典型景物和材料的光谱反射特征。论文第四章正式提出了基于辐射度学的隧道洞外亮度及色温理论研究方法。从辐射度学理论出发,利用大气传递系数法先建立太阳光谱辐射照度理论模型,再根据景物光谱反射率求解出景物的光谱辐射亮度,通过"辐射→光度"和"辐射→色度"的转换计算出隧道洞外亮度及色温,从而建立出一整套基于辐射度学的隧道洞外亮度及色温理论模型。同时,以重庆、拉萨及乌鲁木齐3个典型地区不同状态下的典型隧道为例,进行洞外亮度及色温的理论计算,并对不同状态下的计算结果进行了分析总结。论文第五章根据上述理论模型,分别对重庆、拉萨和乌鲁木齐3个典型地区南北东西4个典型洞口朝向的隧道,进行全天各时段及全年各月典型日的隧道洞外亮度及色温模拟计算。根据模拟结果,分析总结了隧道洞外亮度及色温的特点,并研究其日变化和年变化的规律。论文第六章对重庆市两条不同洞口朝向的隧道,进行了隧道洞外亮度及相关指标全天候(间隔1h)的现场实测,并根据实测隧道的现场情况及测试内容修正了理论模型,通过将修正后的理论模型计算结果与实测结果对比分析,验证了理论模型建立总体思路的正确性,明确了隧道洞外亮度及色温理论模型的适用范围,为该模型的合理使用和评价提供了科学依据。在3项国家自然科学基金资助项目的研究框架内,论文的主要创新点如下:1)首次提出了隧道洞外色温的概念及其确定方法,对隧道洞外光环境研究进行了补充,为今后隧道洞内外色适应方面的研究提供技术支撑。2)创新性地提出了基于辐射度学的隧道洞外亮度及色温研究方法,直接从光度学及色度学的本质出发,建立隧道洞外景物光谱辐射模型,通过"辐射→光度"和"辐射→色度"的转换来研究隧道洞外亮度及色温。并利用VBA编程建立具体的数值计算模型。3)采用CIE明视觉10°视场的光谱光视效率函数V10(λ)和CIE 1964标准色度学系统,理论研究了3个典型地区4个洞口朝向下,隧道洞外亮度及色温的日变化及年变化规律。
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