道路照明質(zhì)量與可見度水平研究

翁 季，陳仲林

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400045)

0 引言

在道路照明中，為了減少夜間交通事故，僅有路面亮度是不充分的，而必須使目標(biāo)物亮度和背景亮度的差別高于一個(gè)確定的最小值。因此，宜采用可見度水平評價(jià)道路照明效果。這是在提高駕駛員安全性方面的一個(gè)新穎的道路照明設(shè)計(jì)思路。可見度常采用可見度水平表示，它表示了目標(biāo)和背景的亮度差大于其閾限狀態(tài)時(shí)亮度差的倍數(shù)。

式中

為了便于計(jì)算，采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)(RP-8-00)小目標(biāo)可見度(STV)的計(jì)算模型來確定道路照明的可見度水平。通過小目標(biāo)的建立和一系列對道路照明環(huán)境的假設(shè)，將道路計(jì)算點(diǎn)的可見度水平進(jìn)行加權(quán)平均便得到STV。而STV的值便可以較好地反映某條道路的可見度水平。

道路照明的首要目的是在夜間提供快速、安全和舒適的可見度，達(dá)到交通安全、減少交通事故，提高交通運(yùn)輸效率。采用小目標(biāo)可見度設(shè)計(jì)方法進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)是直接的、也是有效的，隨著研究的深入，以小目標(biāo)可見度(STV)模型計(jì)算可見度水平已形成了較為成熟的方法，用于實(shí)際的道路照明設(shè)計(jì)已成為可能。在與道路照明亮度設(shè)計(jì)理論比較發(fā)現(xiàn)，小目標(biāo)可見度設(shè)計(jì)方法在節(jié)約能源和成本方面有很大的潛力，這為夜間交通安全化和能源使用最佳化兩方面提供了一個(gè)新穎的設(shè)計(jì)思路。更能達(dá)到道路照明可持續(xù)發(fā)展的要求。

1 可見度的設(shè)計(jì)方法

雖然影響可見度水平的主要因素有目標(biāo)物的對比度、緊鄰的背景亮度、鄰近環(huán)境的適應(yīng)水平和失能眩光，但具體到道路照明設(shè)計(jì)中，歸根結(jié)底是照明光源、照明系統(tǒng)和道路系統(tǒng)的幾何關(guān)系相互影響的結(jié)果。為避免其他的不確定因素，在研究可見度的設(shè)計(jì)方法時(shí)，筆者考慮固定道路照明光源為道路和人行道提供照明。在這種情況下，滿足道路照明路面亮度或小目標(biāo)可見度的設(shè)計(jì)程序?yàn)椋紫雀鶕?jù)道路系統(tǒng)的分類或等級選擇適宜的亮度和可見度標(biāo)準(zhǔn)，，然后試選光源和燈具，初步確定燈具的排列和間距等幾何關(guān)系，然后按照路面亮度標(biāo)準(zhǔn)和STV分別算值。最后從路面亮度或小目標(biāo)可見度(STV)方面評價(jià)照明系統(tǒng)，并通過調(diào)整以達(dá)到滿意的路面亮度或小目標(biāo)可見度。應(yīng)注意的是，可見度和路面亮度標(biāo)準(zhǔn)確定的都是最小值，設(shè)計(jì)值必須達(dá)到或超過它們，否則就必須修改設(shè)計(jì)來達(dá)到要求。另一方面，為了降低費(fèi)用和節(jié)約能源，如果設(shè)計(jì)值超過可見度和路面亮度較多也要修改設(shè)計(jì)，或者設(shè)計(jì)者根據(jù)能耗或其他相關(guān)考慮來確定該設(shè)計(jì)。

粗略地看，似乎可見度的設(shè)計(jì)程序與路面亮度的設(shè)計(jì)程序并無多大的區(qū)別，但比較路面亮度的計(jì)算方程組和可見度計(jì)算模型可以看出這兩種設(shè)計(jì)方法會在相同的設(shè)計(jì)中產(chǎn)生完全不同的評價(jià)，為了提高一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可能會降低另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。為了使小目標(biāo)可見度和路面平均亮度達(dá)到道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中小目標(biāo)可見度的推薦值要求，應(yīng)對燈具的安裝高度、燈具間距、燈具的配光情況、燈具的布置方式、光源功率等一項(xiàng)或幾項(xiàng)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，重復(fù)計(jì)算。由于小目標(biāo)可見度數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，將導(dǎo)致計(jì)算工作量很大，所以均應(yīng)采用程序計(jì)算。

2 可見度水平與道路照明質(zhì)量研究

無論影響可見度水平的因素有多少，在道路照明設(shè)計(jì)中，最終必須依靠照明光源、照明系統(tǒng)的幾何關(guān)系來產(chǎn)生適宜的可見度水平。在僅考慮固定照明方式的前提下，只能通過改變照明光源以及照明系統(tǒng)幾何特性來改變可見度水平，提高道路照明質(zhì)量。光源以及照明系統(tǒng)幾何特性的改變引起可見度的增減是有一定的規(guī)律的，筆者以一條假設(shè)的道路作為可見度的計(jì)算基礎(chǔ)模型，從光源以及照明系統(tǒng)幾何特性的角度理論上分析引起可見度的增減的規(guī)律。

從式(1)中看出，單個(gè)目標(biāo)的可見度水平是與目標(biāo)物的背景亮度Lb、目標(biāo)亮度和背景亮度組成的對比度C、等效光幕亮度Lv三個(gè)值合成的四個(gè)指標(biāo)的函數(shù)。三個(gè)值發(fā)生變化將導(dǎo)致可見度水平的增減，但是，三個(gè)值對可見度水平的貢獻(xiàn)是不一樣的，所以，當(dāng)光源以及照明系統(tǒng)幾何特性發(fā)生改變時(shí)，這三個(gè)值會不成比例地相應(yīng)改變，對可見度貢獻(xiàn)大的那個(gè)值將決定可見度水平的增減。

2.1 增加光源光輸出對可見度的影響

計(jì)算基礎(chǔ)模型假設(shè)道路為平直、均勻的單車道，車道寬5 m，路面材料為CIE規(guī)定的R3路面，光源選用Ge1773038型高壓鈉燈的配光IES文件，燈桿高度為10 m，間距30 m，懸挑1 m，觀察者年齡為60歲，通過程序計(jì)算符合可見度模型的20個(gè)點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)。當(dāng)增大光源光輸出，假定燈具的配光分布沒有發(fā)生變化時(shí)，目標(biāo)亮度、背景亮度、光幕亮度、適應(yīng)亮度、路面亮度均隨光輸出增加而成倍增加，光幕亮度、適應(yīng)亮度同時(shí)引起了閾限亮度差ΔL0的增加，對比度沒有發(fā)生改變，各點(diǎn)的可見度水平略有增加。將影響可見度水平的幾個(gè)因素的數(shù)據(jù)輸入SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，得到其與可見度水平的相關(guān)關(guān)系如表1所示。

表1 可見度水平與影響因素的相關(guān)關(guān)系

從表1可以看出，隨著適應(yīng)水平、背景亮度、對比度的上升，VL值上升;隨著失能眩光上升，VL值下降，在計(jì)算中，光幕亮度值一般較小，對VL值的影響也較小，背景亮度的增減將引起計(jì)算式的分子和分母相應(yīng)地增減，其對VL值的貢獻(xiàn)一部分被抵消，只有對比度與可見度水平具有較高的相關(guān)關(guān)系，其上升引起的VL值上升要比其他因素引起VL值變化的變化率大得多。當(dāng)四個(gè)值以相同的比率上升，STV總是上升的。因此，增加光輸出，在對比度沒有發(fā)生變化的情況下，道路的平均亮度與STV值如表2所示。

表2 不同光源光輸出對亮度及可見度的影響

可以看出，增加光輸出將使路面平均亮度成比例增長，亮度均勻度沒有變化，而沒有對比度的變化，小目標(biāo)可見度僅小幅度增長。因此，在道路照明設(shè)計(jì)中，單純增加光源的數(shù)量或功率對道路照明的安全性是沒有多大作用的。這一理念對于道路照明節(jié)能具有重要的意義。

2.2 改變燈具間距對可見度的影響

保持基礎(chǔ)計(jì)算模型不變，將燈桿間距設(shè)為20 m，30 m，40 m，假定燈具的配光分布和光輸出沒有發(fā)生變化，當(dāng)燈桿間距增加時(shí)，目標(biāo)亮度、背景亮度、適應(yīng)亮度、路面亮度基本隨燈桿間距增加而減少，光幕亮度值呈先增加后減少的規(guī)律，ΔL0也隨燈桿間距增加而減少，但是，多數(shù)目標(biāo)物對比度隨燈桿間距增加而增加，正是對比度的貢獻(xiàn)，使多數(shù)目標(biāo)物的可見度水平增加。其結(jié)果導(dǎo)致道路的平均亮度與STV值如表3所示。

表3 不同燈桿間距對亮度及可見度的影響

可以看出，改變燈桿間距將使路面平均亮度成比例變化，亮度均勻度隨燈桿間距的增加而減少，小目標(biāo)可見度則大幅度增長。在本例中可見度設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)的亮度設(shè)計(jì)理念相反。適當(dāng)增加燈桿間距雖降低了路面平均亮度，但提高了可見度水平，既保證了道路照明的安全可靠，又可以節(jié)約初期投資，符合道路照明的可持續(xù)發(fā)展觀。

但是，在可見度設(shè)計(jì)中，路面亮度也不可忽視。在可見度計(jì)算中，假定汽車在空曠的道路中行駛，并只考慮了固定照明系統(tǒng)的影響，然而在雙向道路上，特別是沒有中央分隔帶的時(shí)候，交通事故與迎面駛來的汽車前照燈的眩光造成的可見度降低密不可分，必須能通過設(shè)置中央分隔帶或提高人眼適應(yīng)水平來降低眩光的影響。因此在不考慮環(huán)境亮度的情況下，路面必須具有一定的亮度水平以降低迎面來車的前照燈的眩光影響。它與可見度水平共同構(gòu)成了可見度標(biāo)準(zhǔn)的核心。

2.3 改變燈具安裝高度對可見度的影響

保持基礎(chǔ)計(jì)算模型不變，將燈具安裝高度設(shè)為10 m，12 m，15 m，假定燈具的配光分布和光輸出沒有發(fā)生變化，當(dāng)燈具安裝高度增加時(shí)，目標(biāo)亮度、背景亮度、適應(yīng)亮度、路面亮度、目標(biāo)物對比度基本隨燈具安裝高度增加而減少，光幕亮度值和ΔL0變化較小，在這種情況下，目標(biāo)物的可見度水平必然隨燈具安裝高度增加而減少。其結(jié)果導(dǎo)致道路的平均亮度與STV值如表4所示。

表4 不同燈具安裝高度對亮度及可見度的影響

可以看出，增加燈具安裝高度雖使路面的亮度均勻度得到改善，但降低了路面平均亮度，小目標(biāo)可見度則大幅度減少。因此，在道路照明設(shè)計(jì)中，在滿足必要的均勻度的前提下，適當(dāng)降低燈具安裝高度有利于提高可見度水平，還可以節(jié)約初期投資。

2.4 改變布燈方式對可見度的影響

保持基礎(chǔ)計(jì)算模型不變，比較燈具單側(cè)布置和雙側(cè)對稱布置可見度的變化，假定燈具的配光分布和光輸出沒有發(fā)生變化，當(dāng)燈具由單側(cè)布置改為雙側(cè)對稱布置時(shí)，所有可見度影響因素均增加，但對比度增加較小，可見度水平增加。其結(jié)果導(dǎo)致道路的平均亮度與STV值如表5所示。

表5 燈具單側(cè)布置和雙側(cè)對稱布置對亮度及可見度的影響

可以看出，燈具由單側(cè)布置改為雙側(cè)對稱布置時(shí)，路面的平均亮度、亮度均勻度得到改善，但小目標(biāo)可見度增加幅度不大。對比增加光輸出的案例(表2)，在路幅不寬，滿足必要的路面亮度的前提下，采用同樣的光源數(shù)量，還不如采用單側(cè)布置，每個(gè)燈具設(shè)兩個(gè)光源，雖然亮度均勻度下降，但已滿足規(guī)范要求，小目標(biāo)可見度略有下降，但這種設(shè)置只需在道路單邊布線，燈桿數(shù)量也只有原來的一半，大大節(jié)約了初期投資。

下面比較燈具四種布置方式對可見度的影響，若保持整套照明系統(tǒng)燈具光輸出基本不變，則各方式的燈桿間距應(yīng)為:單側(cè)布置間距30 m;雙側(cè)交錯(cuò)布置間距30 m;雙側(cè)對稱布置間距60 m;中心對稱布置間距60 m。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)燈具布置方式由單側(cè)布置變?yōu)殡p側(cè)交錯(cuò)布置、雙側(cè)對稱布置、中心對稱布置時(shí)，背景亮度略有下降，但對比度卻大幅增加，目標(biāo)物的可見度水平必然增加。其結(jié)果導(dǎo)致道路的平均亮度與STV值如表6所示。

表6 四種燈具布置方式對亮度及可見度的影響

可以看出，在光輸出基本相同的情況下，四種方式的路面亮度基本一致，后三種布置方式的小目標(biāo)可見度都比較理想，中心對稱布置方式的可見度最大。但從整體來看，雙側(cè)交錯(cuò)布置既有較好的可見度，又具備較好的均勻度，是最佳的布置方式。在英美等發(fā)達(dá)國家，道路照明較多采用雙側(cè)交錯(cuò)布置，我國則較少采用，在達(dá)到同樣的路面亮度的前提下，雙側(cè)交錯(cuò)布置能提供較好的可見度與均勻度，這是值得我國的道路照明設(shè)計(jì)者注意的。

當(dāng)后三種布置方式的間距縮小一半時(shí)，其結(jié)果如表7所示。

表7 三種燈具布置方式對亮度及可見度的影響

可以看出，在間距縮小時(shí)，三種方式中仍是中心對稱布置的可見度最大，雙側(cè)交錯(cuò)布置的均勻度最好。比較上面兩表，當(dāng)燈桿間距因節(jié)能要求而增加時(shí)，雙側(cè)交錯(cuò)布置的可見度增幅最大，雙側(cè)對稱布置增幅最小。在利用可見度進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)時(shí)，必須利用計(jì)算機(jī)程序反復(fù)調(diào)整，選擇最佳的燈具布置方式。

2.5 改變路面類型對可見度的影響

保持基礎(chǔ)計(jì)算模型不變，比較CIE規(guī)定的R系列四種路面對可見度的影響，表8是對在線路1和2上各點(diǎn)的光度值進(jìn)行算術(shù)平均的計(jì)算結(jié)果。

表8 不同路面類型的光度值的算術(shù)平均值

可以看出，R1和R4類型的路面提供了最好的路面亮度和可見度水平，R3，R2類型的路面亮度和可見度水平較差。其結(jié)果導(dǎo)致道路的平均亮度與STV值如表9所示。

表9 四種路面類型對亮度及可見度的影響

從表9可以看出，在設(shè)計(jì)中選用R1和R4類型的路面，能提供最好的路面亮度與可見度水平，但R1路面的亮度均勻度較差;R3，R2類型的路面能提供較好的均勻度，但路面亮度和可見度水平較差。綜合來看，R4類型的路面是最好的路面。這一結(jié)論與國外研究結(jié)果基本一致。

3 小結(jié)

為了使小目標(biāo)可見度和路面平均亮度達(dá)到道路照明設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對燈具的安裝高度、燈具間距、燈具的配光情況、燈具的布置方式、光源功率等一項(xiàng)或幾項(xiàng)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，重復(fù)計(jì)算，最終選定最優(yōu)方案，這會導(dǎo)致計(jì)算工作量很大，所以均應(yīng)采用程序計(jì)算。

在道路及照明系統(tǒng)發(fā)生改變時(shí)，目標(biāo)物的背景亮度、目標(biāo)和背景的對比度、等效光幕亮度三個(gè)值相應(yīng)發(fā)生變化并導(dǎo)致可見度水平的增減，但是，由于對比度與可見度水平具有較高的相關(guān)關(guān)系，其上升引起的VL值上升要比其他因素引起VL值變化的變化率大得多。因此，在道路照明中采用可見度設(shè)計(jì)，最重要的是如何提高路面目標(biāo)物的對比度。適當(dāng)增加燈具間距、提高燈具安裝高度、改變布燈方式均可提高路面目標(biāo)物的對比度，從而提高道路照明的小目標(biāo)可見度。

由于道路照明的首要目的是提供良好的可見度，所以采用小目標(biāo)可見度設(shè)計(jì)方法進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)是直接的、也是有效的，更接近人們真實(shí)的視覺情況，從而能獲得比采用亮度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更為合理的結(jié)果，也會更有利于道路照明節(jié)能，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展要求。

［1］ANSI/IESNA RP-8-00.American National Standard Practice for Roadway Lighting［S］

［2］Olkan Cuvalci，Bugra Ertas.Roadway Lighting Design Methodology and Evaluation.2000 Society for Design and Process Science Printed in the United States of America