初醒悟

(上海廣茂達(dá)光藝科技股份有限公司，上海 200233)

1 引言

以往，在某些大型立交橋的匝道照明和城市景觀橋梁照明工程中，人們曾嘗試以側(cè)壁燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的立桿式道路照明的路燈。如上海浦東機(jī)場立交匝道 (高壓鈉燈)、蘇州官瀆里立交橋 (高壓鈉燈)、無錫蓉湖大橋 (金鹵燈)、昆山玉峰大橋 (熒光燈)等。這種照明方式，在降低安裝及維護(hù)成本、提升視覺感受等方面，收到了很好的預(yù)期效果。

但是，這種照明方式也有一系列的問題有待解決。最突出的問題是眩光的控制，特別是以高壓鈉燈和金鹵燈作為光源的側(cè)壁燈。還有就是這種照明方式很難滿足總體均勻度、縱向均勻度等道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

近年，LED作為高效、低耗的新興光源發(fā)展十分迅猛。諸多路燈廠家紛紛進(jìn)行LED取代高壓鈉燈方面的研究和探索。而LED也可以作為側(cè)壁燈的光源用于道路照明，并很好地解決以上問題。

本文的目的是探求一種適合于低高度道路照明質(zhì)量的綜合評價(jià)體系。

2 道路照明的目的

駕駛員的行車行為是一個(gè)復(fù)雜的人—機(jī)交互過程，在這個(gè)過程中駕駛員必須連續(xù)地采集大量信息:方位、線型、路況、周圍車輛、環(huán)境和行人等，并且需要對這些龐大的信息進(jìn)行快速處理，及時(shí)做出正確判斷和采取措施。為了對行車時(shí)信息作出快速篩選、判斷和操作，應(yīng)提高道路照明質(zhì)量，尤其是減少光幕亮度，即減小失能眩光對道路照明安全的影響程度，保證交通安全［4］。

道路照明的目的，主要是夜間為機(jī)動車駕駛員提供良好的視覺條件。包括及時(shí)察覺路面障礙物的存在，了解障礙物的形體輪廓極其移動情況或趨勢，隨時(shí)掌握道路極其設(shè)施的情況，以及在駕駛過程中保持一定的舒適感［1］。

駕駛員辨別路面的物體 (或障礙)是靠物體與路面亮度的差異來完成的。當(dāng)物體亮度高于路面亮度時(shí)是正對比;當(dāng)物體亮度低于路面亮度時(shí)是負(fù)對比。在道路照明中主要使用的是負(fù)對比［1］。

3 低高度道路照明質(zhì)量綜合評價(jià)體系

《城市道路照明設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)》對道路照明質(zhì)量的要求主要包括:視功能方面的評價(jià)指標(biāo)，包括路面平均亮度Lav(或路面平均照度Eav)、路面亮度總均勻度U0(或路面照度總均勻度E0)、閾值增量TI等。視舒適方面的評價(jià)指標(biāo)，包括路面亮度縱向均勻度UL、眩光值等。其他指標(biāo)還包括像環(huán)境比SR、視覺誘導(dǎo)性、照明功率密度等。

3.1 路面平均亮度的測量及計(jì)算公式

測量方式:觀測點(diǎn)位于距離右側(cè)路緣石邊緣1/4路寬處，縱向位置距測量區(qū)域邊界60米，觀測點(diǎn)高度1.5米。以靜態(tài)路面亮度近似地代替動態(tài)路面亮度 (見圖1)。

注意:因?yàn)橥敢暶娣e相等的測點(diǎn)布置，在實(shí)際的路面上距離并不相等。近處的測點(diǎn)多，遠(yuǎn)處的測點(diǎn)少，如圖所示。應(yīng)先行根據(jù)亮度計(jì)里的測量區(qū)域梯形視場，用目標(biāo)小、深色不反光，但可容易在亮度計(jì)鏡頭中發(fā)現(xiàn)的材料，做好測點(diǎn)標(biāo)記 (見圖2)。

路面平均亮度按下式計(jì)算:

式中 Lav——路面平均亮度 (cd/m2);

n——測量點(diǎn)數(shù);

Li——在第i個(gè)測點(diǎn)上測得的亮度值。

路面平均亮度Lav也可用專用的成像亮度計(jì)直接測得。

3.2 路面亮度縱向均勻度的測量及計(jì)算公式

測量方式:觀測點(diǎn)位于每條車道的中心線上，縱向位置距測量區(qū)域邊界60米，觀測點(diǎn)高度1.5米，對該車道中心線上的測點(diǎn)進(jìn)行亮度測量，至少測5個(gè)不重疊的測點(diǎn)。然后分別找出最小值和最大值，縱向均勻度按下式計(jì)算:

圖1 路面平均亮度測量平面圖

圖2 路面平均亮度測點(diǎn)布置示意圖

求出每條車道的UL后，再對它們進(jìn)行比較，找出其中最小者，即為整個(gè)路面的亮度縱向均勻度(見圖3)。

圖3 路面亮度縱向均勻度測量方式示意圖

3.3 路面平均照度的測量及計(jì)算公式

測量方式:照度計(jì)探頭水平置于路面各個(gè)測點(diǎn)上，分別讀數(shù)并記錄。

測點(diǎn)網(wǎng)格 (見圖4):

圖4 路面平均照度測點(diǎn)網(wǎng)格示意圖 (中心法布點(diǎn))

中心法布點(diǎn)平均照度計(jì)算公式:

式中 Eav——平均照度 (lx);

M——道路路段縱方向上劃分的網(wǎng)格數(shù);

N——道路路段橫方向上劃分的網(wǎng)格數(shù);

Ei——在第i個(gè)測點(diǎn)上測得的照度值 (lx)。

3.4 閾值增量TI的計(jì)算公式

閾值增量是失能眩光的度量。表示為存在眩光源時(shí)，為了達(dá)到同樣看清物體的目的，在物體及其背景之間的亮度對比所需要增加的百分比。［2］

閾值增量是將平均路面亮度作為背景亮度。當(dāng)背景亮度范圍為0.05cd/m2＜Lb＜5cd/m2時(shí)，TI的計(jì)算公式近似為［1］:

式中 TI——閾值增量 (%);

Lv——等效光幕亮度 (cd/m2)，假定觀察者總是以與水平線成1°角注視與路軸平行的正前方 (即一直注視其前方90米路面上的一點(diǎn));

Lav——路面平均亮度 (cd/m2)。

由上述公式，算得的TI與 Lv及 Lav之間的關(guān)系表如表1。

很明顯，當(dāng)路面平均亮度Lav為定值時(shí)，TI與Lv成正比。即，Lv越大，TI也就越大。將以上數(shù)據(jù)化成圖5時(shí)，可以清晰地看出這一點(diǎn)。

高等級道路路面平均亮度 Lav通常是1.0～2.0cd/m2，而閾值增量TI要求在10%以下，所以Lav為 1.0cd/m2時(shí)，等效光幕亮度 Lv不應(yīng)大于0.15cd/m2。Lav為1.5cd/m2時(shí)，等效光幕亮度Lv不應(yīng)大于0.20cd/m2。Lav為2.0cd/m2時(shí)，等效光幕亮度 Lv不應(yīng)大于0.25cd/m2。

表1 閾值增量TI與Lv及L av之間的關(guān)系表 %

圖5 閾值增量與Lv及Lav之間的關(guān)系圖

等效光幕亮度Lv的計(jì)算公式:

式中 EVi—— 第 i盞燈具在觀察者眼中的垂直照度(lx);

θi——第i盞燈具發(fā)光中心與觀察者視線之間的夾角(度)。(1.5°＜ θ＜ 60°)

Lv——對所有與視看目標(biāo)夾角成1.5度 ～60度的燈具的10Eeye/θ2求和，在燈具排布，即所有角度 θ一定的情形下，Eeye越小越好。

低高度道路照明的眩光評價(jià)會遇到一個(gè)新問題:那就是并不像常規(guī)路燈那樣因?yàn)檐図斦趽醵荒芸匆娕c視線成20°角以內(nèi)的遠(yuǎn)處燈具亮點(diǎn)，而是能看見與視線左右各成90°的180°內(nèi)的所有亮點(diǎn)。這就使得駕駛員在試圖通過反光鏡觀察后部車輛狀況時(shí)產(chǎn)生較大眩光。因?yàn)榇藭r(shí)視看目標(biāo)是車輛的反光鏡，它與眩光源間的夾角θ很小，這導(dǎo)致等效光幕亮度Lv非常之大。而此時(shí)的背景亮度Lb一般都小于路面平均亮度Lav，于是眩光會比較嚴(yán)重。這也是低高度道路照明問題的關(guān)鍵之所在。

所以，必須設(shè)法將燈具在人眼高度上的垂直照度降至最低，才能有效地控制低高度道路照明燈具的眩光 (見圖6)。

圖6 低高度道路照明情形下駕駛員的視線示意圖

閾值增量TI也可用專用的成像亮度計(jì)直接測得。

3.5 低高度道路照明質(zhì)量綜合評價(jià)指標(biāo)

采用主、客觀綜合評分的評價(jià)方法。評分表如表2。

附注:

(1)以上技術(shù)指標(biāo)主要參照我國 CJJ45—2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表3.3.1，機(jī)動車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)值中的I級道路，即快速路與主干路中的低檔值。

(2)燈具應(yīng)為截光型燈具。

(3)維護(hù)系數(shù)取0.7。(參考 CJJ45－2006中附錄B。要求燈具防護(hù)等級＞IP54)

路面平均亮度 Lav初裝值最佳為:1.5/0.7=2.14 cd/m2。

路面平均照度Eav初裝值最佳為:20/0.7=28.6 lx。

表2 低高度道路照明質(zhì)量綜合評價(jià)表

3.6 綜合評價(jià)指數(shù)計(jì)算

低高度道路照明質(zhì)量綜合評價(jià)指數(shù) (Overall Evaluation Number)按下式計(jì)算確定:

其中，C1～C9為根據(jù)各分項(xiàng)重要性所定義的權(quán)重系數(shù)。

權(quán)重系數(shù)取值建議:C1=3.0;C2=1.0;C3=2.0;C4=3.0;C5=1.0;C6=－3.0;C7=－2.0;C8=3.0;C9=0.5。

前三項(xiàng)亮度評價(jià)指標(biāo)和第四、五項(xiàng)照度評價(jià)指標(biāo)，二者取其一即可。當(dāng)有條件測量亮度指標(biāo)時(shí)，優(yōu)先以亮度指標(biāo)做評價(jià)。不做評價(jià)時(shí)，相應(yīng)系數(shù)取零。

高速公路等無人行道情形，SR不做要求。C9=0.0。

3.7 眩光主觀評價(jià)值GSEV調(diào)查及打分方式

調(diào)查對象:人數(shù)不少于10人，男女各半，年齡20～50歲。身體健康，視力正常，身高1.6～1.8米，職業(yè)以司機(jī)為佳。

調(diào)查方式:60米之外正常駕駛機(jī)動車或60米之外站立靜態(tài)。

調(diào)查卡片式樣如下:

編號□ 性別□ 年齡□ 職業(yè)□ 駕齡□身高□ 視力□ 健康狀況□

表3 眩光主觀評價(jià)表

4 閃爍頻率對視覺舒適度的影響

不同于常規(guī)路燈30米左右的燈桿間隔，低高度道路照明燈具間隔通常很近。這就會產(chǎn)生一個(gè)新問題:由于同一高度、亮度相近的成排燈具亮點(diǎn)依次進(jìn)入人的眼睛，某些不適合的燈具間距，會造成令人不舒適的頻閃效應(yīng)。特別是當(dāng)駕駛員試圖觀察反光鏡時(shí)，頻閃效應(yīng)更為明顯。

每秒鐘出現(xiàn)在人眼中光點(diǎn)的數(shù)量，即是閃爍頻率f，單位為赫茲 (Hz)。它主要取決于兩個(gè)因素:燈具間距S(spacing，單位為米)和行車速度V(velocity，單位為米/秒)。三者之間的關(guān)系是:f=V/S。

那么，人眼感受的臨界閃爍頻率是多少呢?物理學(xué)中，閃爍的光在主觀上引起的感覺介于閃爍和穩(wěn)定之間時(shí)的頻率叫做臨界閃爍頻率 (critical flickcr frequency)，或臨界融合頻率 (critical fusion frequency)，簡寫為CFF。發(fā)光體的特性 (強(qiáng)度、波長、大小、位置及背景等)對臨界閃爍頻率有影響。觀察者的特點(diǎn)，以及更為復(fù)雜的生理和心理因素對臨界閃爍頻率也起作用。此外，觀察者瞳孔的大小、年齡、藥物與酒精的作用、疲勞等等對臨界閃爍頻率都有影響。

研究表明，當(dāng)閃爍頻率由低上升到1Hz左右時(shí)，人眼開始不適應(yīng)。當(dāng)閃爍頻率達(dá)到10Hz時(shí)，人眼感覺最不舒服。目前還不能解釋為什么人眼對10Hz的閃爍特別敏感。有人試圖用人的腦電圖節(jié)律有類似的頻率來解釋，但這一理論目前還沒有被公認(rèn)。閃爍頻率繼續(xù)升高，當(dāng)其超過46Hz時(shí)，人眼就基本感覺不到閃爍了。

以高速公路為例，我國《道路交通安全法實(shí)施條例》第七十八條規(guī)定:高速公路應(yīng)當(dāng)標(biāo)明車道的行駛速度，最高車速不得超過每小時(shí)120公里，最低車速不得低于每小時(shí)60公里。亦即Vmax=33.3米/秒;Vmin=16.7 米/秒。

對應(yīng)閃爍頻率f=10Hz，當(dāng)燈具布置間距S在1.67米～3.33米間時(shí)，人眼感覺最不舒服。若考慮避開5～20Hz的閃爍頻率，則應(yīng)避免燈具布置間距S在0.83米～6.66米間。更嚴(yán)格地避開2.5～40Hz的閃爍頻率，則應(yīng)避免燈具布置間距S在0.42米～13.32米間。

JTJ 026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.2中規(guī)定，燈具布置應(yīng)滿足閃爍頻率低于2.5Hz或高于15Hz。

5 小結(jié)

本文提出的低高度道路照明質(zhì)量綜合評價(jià)體系，是對該領(lǐng)域的有益的探索。下一步研究的方向是在實(shí)踐中檢驗(yàn)這套體系的科學(xué)性和完備性。

［1］李鐵楠編著．城市道路照明設(shè)計(jì)．機(jī)械工業(yè)出版社．2007．

［2］CJJ 45—2006.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)．中國建筑工業(yè)出版社．2006．

［3］徐萬剛，袁景玉．低高度平光道路照明新技術(shù)．照明2009.7．

［4］楊春宇，劉錫成．失能眩光對道路照明安全影響的研究．照明工程學(xué)報(bào)，2007.4．

［5］RAMI，Jean-Paul．A Driving Simulator for Road Lighting Using Fixed Low Mounting Height Luminaires．CIE 26thSession-Beijing 2007．

［6］J.R.柯頓，A.M.馬斯登主編．陳大華等譯．光源與照明 (第四版)．復(fù)旦大學(xué)出版社．2001.4