低安裝高度燈具道路照明質量綜合評價體系

初醒悟

(上海廣茂達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，人們曾嘗試以側壁燈代替傳統的立桿式道路照明的路燈。如上海浦東機場立交匝道 (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，在降低安裝及維護成本、提升視覺感受等方面，收到了很好的預期效果。

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計標準。

近年，LED作為高效、低耗的新興光源發展十分迅猛。諸多路燈廠家紛紛進行LED取代高壓鈉燈方面的研究和探索。而LED也可以作為側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量的綜合評價體系。

2 道路照明的目的

駕駛員的行車行為是一個復雜的人—機交互過程，在這個過程中駕駛員必須連續地采集大量信息:方位、線型、路況、周圍車輛、環境和行人等，并且需要對這些龐大的信息進行快速處理，及時做出正確判斷和采取措施。為了對行車時信息作出快速篩選、判斷和操作，應提高道路照明質量，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，主要是夜間為機動車駕駛員提供良好的視覺條件。包括及時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，隨時掌握道路極其設施的情況，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。當物體亮度高于路面亮度時是正對比;當物體亮度低于路面亮度時是負對比。在道路照明中主要使用的是負對比［1］。

3 低高度道路照明質量綜合評價體系

《城市道路照明設計的標準》對道路照明質量的要求主要包括:視功能方面的評價指標，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。視舒適方面的評價指標，包括路面亮度縱向均勻度UL、眩光值等。其他指標還包括像環境比SR、視覺誘導性、照明功率密度等。

3.1 路面平均亮度的測量及計算公式

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

注意:因為透視面積相等的測點布置，在實際的路面上距離并不相等。近處的測點多，遠處的測點少，如圖所示。應先行根據亮度計里的測量區域梯形視場，用目標小、深色不反光，但可容易在亮度計鏡頭中發現的材料，做好測點標記 (見圖2)。

路面平均亮度按下式計算:

式中 Lav——路面平均亮度 (cd/m2);

n——測量點數;

Li——在第i個測點上測得的亮度值。

路面平均亮度Lav也可用專用的成像亮度計直接測得。

3.2 路面亮度縱向均勻度的測量及計算公式

測量方式:觀測點位于每條車道的中心線上，縱向位置距測量區域邊界60米，觀測點高度1.5米，對該車道中心線上的測點進行亮度測量，至少測5個不重疊的測點。然后分別找出最小值和最大值，縱向均勻度按下式計算:

圖1 路面平均亮度測量平面圖

圖2 路面平均亮度測點布置示意圖

求出每條車道的UL后，再對它們進行比較，找出其中最小者，即為整個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算公式

測量方式:照度計探頭水平置于路面各個測點上，分別讀數并記錄。

測點網格 (見圖4):

圖4 路面平均照度測點網格示意圖 (中心法布點)

中心法布點平均照度計算公式:

式中 Eav——平均照度 (lx);

M——道路路段縱方向上劃分的網格數;

N——道路路段橫方向上劃分的網格數;

Ei——在第i個測點上測得的照度值 (lx)。

3.4 閾值增量TI的計算公式

閾值增量是失能眩光的度量。表示為存在眩光源時，為了達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。當背景亮度范圍為0.05cd/m2＜Lb＜5cd/m2時，TI的計算公式近似為［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);

Lav——路面平均亮度 (cd/m2)。

由上述公式，算得的TI與 Lv及 Lav之間的關系表如表1。

很明顯，當路面平均亮度Lav為定值時，TI與Lv成正比。即，Lv越大，TI也就越大。將以上數據化成圖5時，可以清晰地看出這一點。

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，等效光幕亮度 Lv不應大于0.15cd/m2。Lav為1.5cd/m2時，等效光幕亮度Lv不應大于0.20cd/m2。Lav為2.0cd/m2時，等效光幕亮度 Lv不應大于0.25cd/m2。

表1 閾值增量TI與Lv及L av之間的關系表 %

圖5 閾值增量與Lv及Lav之間的關系圖

等效光幕亮度Lv的計算公式:

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會遇到一個新問題:那就是并不像常規路燈那樣因為車頂遮擋而只能看見與視線成20°角以內的遠處燈具亮點，而是能看見與視線左右各成90°的180°內的所有亮點。這就使得駕駛員在試圖通過反光鏡觀察后部車輛狀況時產生較大眩光。因為此時視看目標是車輛的反光鏡，它與眩光源間的夾角θ很小，這導致等效光幕亮度Lv非常之大。而此時的背景亮度Lb一般都小于路面平均亮度Lav，于是眩光會比較嚴重。這也是低高度道路照明問題的關鍵之所在。

所以，必須設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直接測得。

3.5 低高度道路照明質量綜合評價指標

采用主、客觀綜合評分的評價方法。評分表如表2。

附注:

(1)以上技術指標主要參照我國 CJJ45—2006《城市道路照明設計標準》表3.3.1，機動車交通道路照明標準值中的I級道路，即快速路與主干路中的低檔值。

(2)燈具應為截光型燈具。

(3)維護系數取0.7。(參考 CJJ45－2006中附錄B。要求燈具防護等級＞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 低高度道路照明質量綜合評價表

3.6 綜合評價指數計算

低高度道路照明質量綜合評價指數 (Overall Evaluation Number)按下式計算確定:

其中，C1～C9為根據各分項重要性所定義的權重系數。

權重系數取值建議: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。

前三項亮度評價指標和第四、五項照度評價指標，二者取其一即可。當有條件測量亮度指標時，優先以亮度指標做評價。不做評價時，相應系數取零。

高速公路等無人行道情形，SR不做要求。C9=0.0。

3.7 眩光主觀評價值GSEV調查及打分方式

調查對象:人數不少于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，職業以司機為佳。

調查方式:60米之外正常駕駛機動車或60米之外站立靜態。

調查卡片式樣如下:

編號□ 性別□ 年齡□ 職業□ 駕齡□身高□ 視力□ 健康狀況□

表3 眩光主觀評價表

4 閃爍頻率對視覺舒適度的影響

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

每秒鐘出現在人眼中光點的數量，即是閃爍頻率f，單位為赫茲 (Hz)。它主要取決于兩個因素: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?物理學中，閃爍的光在主觀上引起的感覺介于閃爍和穩定之間時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。發光體的特性 (強度、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，以及更為復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，當閃爍頻率由低上升到1Hz左右時，人眼開始不適應。當閃爍頻率達到10Hz時，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律有類似的頻率來解釋，但這一理論目前還沒有被公認。閃爍頻率繼續升高，當其超過46Hz時，人眼就基本感覺不到閃爍了。

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

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

JTJ 026.1—1999《公路隧道通風照明設計規范》4.2.2中規定，燈具布置應滿足閃爍頻率低于2.5Hz或高于15Hz。

5 小結

本文提出的低高度道路照明質量綜合評價體系，是對該領域的有益的探索。下一步研究的方向是在實踐中檢驗這套體系的科學性和完備性。

［1］李鐵楠編著．城市道路照明設計．機械工業出版社．2007．

［2］CJJ 45—2006.城市道路照明設計標準．中國建筑工業出版社．2006．

［3］徐萬剛，袁景玉．低高度平光道路照明新技術．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．照明工程學報，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)．復旦大學出版社．2001.4