基于反應時間的道路照明功率密度確定方法

胡英奎 ，李毅，陳仲林，張青文

(1. 重慶大學 土木工程學院，重慶，400045；2. 重慶大學 建筑城規學院，重慶，400045)

隨著我國城市化進程的發展，城市機動車交通道路照明的規模越來越大，隨之而來的能源需求和消耗也越來越多，道路照明節能研究越來越受到重視[1]。已有研究表明，大量城市機動車交通道路的照明指標超出相應的設計標準[2-3]，造成了巨大的照明能源浪費。為推動城市照明節能，建設部于2006年發布《“十一五”城市綠色照明工程規劃綱要》[4]，明確提出將嚴格執行照明功率密度(LPD)值標準作為綠色照明規劃的主要目標之一。可見，提出科學合理LPD標準值，是推動機動車交通道路照明節能的有效措施之一。國家建設部于2006年發布的城市道路照明設計標準(CJJ 45—2006)[5]給出了用高壓鈉燈(HPS)作為照明光源的機動車交通道路照明功率密度標準值，并指出如果照明光源為金鹵燈(MH)，則相應的 LPD值應乘以 1.3倍。這主要是考慮HPS燈與MH燈的發光效率的差別，但并沒有考慮光源的不同光色對駕駛員的生理和心理的影響。已有研究表明：不同的光源，甚至不同色溫的同種光源會對駕駛員產生不同的影響[6]。目前，應用于道路照明的光源種類越來越多，不僅傳統的HPS燈和MH燈會被用作機動車交通道路照明光源，LED燈和無極熒光燈等新型照明光源也在逐步被機動車交通道路照明所采用。楊春宇等[7]就無極燈用作機動車交通道路照明光源時的 LPD標準進行了研究，但用MH燈作為機動車道路照明光源時，其LPD標準值是否應該取HPS燈的1.3倍，LED作為機動車交通道路照明光源時LPD標準值為多少，仍未見報道。反應時間作為道路照明效果的評價指標在中間視覺[8]和道路照明[9]研究中已被廣泛應用，為此，本文作者擬用駕駛員的反應時間作為評價指標，以色溫為2 000 K的HPS燈為基準，研究色溫為4 800 K的MH燈和色溫為7 200 K的LED燈作為機動車交通道路照明光源時的LPD標準值。

1 反應時間實驗

利用自行研制的道路照明反應時間測試裝置[10]測試機動車駕駛員在不同光源提供的不同背景亮度下對目標物的反應時間。測試的對象為4名年齡在24～30歲之間的男性駕駛員，他們都有正常的色覺和矯正視力。目前，各國機動車交通道路照明的亮度標準均在0.3～2.0 cd/m2之間，但有些地區的道路照明實際亮度會超過該標準值，測試過程中反應時間分別取 0.3，0.5，0.7，0.8，1.0，1.2，1.5，1.8，2.0 和 2.5 cd/m2共10個亮度水平作為測試的背景亮度；目標物采用具有正對比的圓形光斑模擬，光斑的直徑為26 mm(相對被測者眼睛的視場角為2°)，亮度對比度為0.8。在測試過程中，光斑出現在被測者的視線方向，即視場偏心角為0°。所研究光源的基本參數見表1。

測試時，被測者以舒適的姿勢坐在測試箱前，眼睛注視測試箱內，一只手握著按鈕，目標光斑隨機出現在測試箱內壁，被測者發現目標光斑后盡快按下手中的按鈕。從目標光斑出現到測試者按下手中按鈕的時間間隔即為反應時間，由計時儀自動記錄。

表1 光源的基本參數Table 1 Parameters of lighting sources

每位被測者測完1種光源提供的所有背景亮度為1個實驗過程。測試時，所有光源提供的背景亮度均從低亮度向高亮度變化，以縮短被測者對不同亮度水平的適應時間。每次實驗開始前，被測者至少提前30 min進入實驗室，以適應較暗的實驗室環境。在實驗正式開始前，每位被測者都經過幾輪練習，以確保熟悉實驗過程和實驗設備的操作，并消除緊張情緒。

2 實驗結果與討論

標準CJJ 45―2006給出了HPS燈作為道路照明光源時的照明功率密度標準，并規定當采用MH燈作為道路照明光源時，其照明功率密度值為相應的HPS燈照明功率密度標準值乘以系數 1.3，但采用其他光源時，該標準并未規定相應的系數。由于道路照明的效果可以采用機動車駕駛員的反應時間進行評價，因此，可以基于駕駛員的反應時間來確定不同光源的道路照明功率密度標準值，即在某光源下獲得HPS燈提供的某背景亮度水平下的反應時間時，該光源所需的照明功率密度可作為相應亮度水平的照明功率密度標注值。為此，需要先確定該光源相對HPS燈的亮度對比系數 R，即駕駛員獲得相同的反應時間時，該光源提供的背景亮度與HPS燈提供的背景亮度之比。然后，考慮所研究光源的實際發光效率，確定其相對HPS燈的相對光效(ER)，1/ER即為該光源作為機動車交通道路照明光源時相對于 HPS燈作為機動車交通道路照明光源時的LPD值的系數。

為了確定ER，需要首先確定在各光源下駕駛員的反應時間與背景亮度的關系。根據反應時間實驗結果，4位被測者在各光源下的反應時間的平均值與背景亮度的關系見圖1。從圖1可以看出：在背景亮度相同時，測試者在HPS燈和MH燈下的反應時間差別不大，都明顯比在LED燈下的反應時間長。在所研究的背景亮度范圍內，被測者在3種光源下的反應時間都隨背景亮度的提高而縮短，但反應時間縮短的速度隨背景亮度的提高而變慢；被測者的反應時間與背景亮度之間基本呈負指數變化關系。鑒于此，對被測者反應時間的平均值與背景亮度之間的關系進行數據擬合，擬合結果顯示，HPS燈下被測者的反應時間與背景亮度之間的關系為：

圖1 駕駛員反應時間與背景亮度之間的關系Fig.1 Relationship between drivers’ reaction time and background luminance

其中：tR為反應時間(ms)；Lb為背景亮度(cd/m2)。擬合結果的標準差DS=1.111 9，相關系數R2=0.993 3。

MH燈下被測者的反應時間與背景亮度之間的關系為：

擬合結果的標準差 DS=1.944 6，相關系數R2=0.982 7。

LED燈下被測者的反應時間與背景亮度之間的關系為：

擬合結果的標準差 DS=2.258 2，相關系數R2=0.965 1。

從上述擬合結果看：式(1)～(3)分別對 HPS，MH和 LED燈下被測者的反應時間與背景亮度之間的關系擬合效果較好。

根據式(1)可得 HPS燈提供的背景亮度分別為0.5，0.75，1.0，1.5和2.0 cd/m2時駕駛員的反應時間，如表2所示。

將表2中的tR分別代入式(2)和(3)，即可計算出獲得該反應時間所需的MH和LED燈提供的背景亮度，如表3所示。

如表3所示，為獲得與HPS燈提供的0.5 cd/m2下相同的反應時間，需要LED提供的背景亮度為-0.01cd/m2，所需背景亮度為負，無法解釋其物理意義，這是式(1)和(3)在擬合過程的誤差造成的。從圖1可以看出：LED燈只需很低的背景亮度，駕駛員即可獲得HPS燈提供的0.5 cd/m2下的反應時間，為了便于說明，下文將不再分析LED在0.5 cd/m2背景亮度下的相應指標。

表2 HPS提供的各背景亮度下駕駛員的反應時間Table 2 Drivers’ reaction time under different background luminances provided by HPS lamps

表3 MH和LED燈獲得相應反應時間所需的背景亮度Table 3 Required background luminance of MH lamps and LEDs when the drivers’ reaction time is the same as that of HPS lamps

由表2和3可以計算出HPS燈提供的背景亮度分別為0.5，0.75，1.0，1.5和2.0 cd/m2時，MH和LED燈相對于HPS燈的亮度對比系數RMH和RLED，如表4所示。

定義任一光源相對HPS燈相對光效為：

其中：ER為相對光效；η為所研究光源的發光效率；ηHPS為HPS燈的發光效率；R為所研究光源相對HPS燈的亮度對比系數。

表4 MH燈和LED相對HPS燈的亮度對比系數Table 4 Luminance contrast coefficients of MH lamps and LEDs to HPS lamps

基于反應時間和HPS燈的LPD標準值確定其他光源作為道路照明光源所需的LPD標準值時，只需乘以1/ER。根據表1所示HPS，MH和LED燈的發光效率，以及表3所示系數RMH和RLED和式(4)，可以計算出HPS燈提供的背景亮度分別為0.5，0.75，1.0，1.5和2.0 cd/m2時，MH和LED燈對HPS的相對光效ERMH和ERLED，如表5所示。

表5 MH和LED對HPS的相對光效Table 5 Luminous efficiencies of MH lamps and LEDs related to HPS lamps

從表5可以看出：在背景亮度為0.5～2.0 cd/m2時，MH燈對 HPS燈的相對光效 ER,MH的變化范圍為0.69～0.77，相應的 1/ER,MH的變化范圍為 1.45～1.30，該結果與CJJ 45―2006推薦的值1.30基本一致；在背景亮度為0.75～2.0 cd/m2時，LED燈對HPS燈的相對光效 ER,LED的變化范圍為 2.15～1.12，相應的 1/ER,LED的變化范圍為0.47～0.89，這說明將高色溫的LED作為機動車交通道路照明光源時，使駕駛員獲得相同的反應時間，所需的LPD值僅為HPS燈的47%～89%，可以比將HPS燈作為道路照明光源節省大量電能。

3 結論

(1) 將色溫為4 800 K的金鹵燈作為機動車交通道路照明光源時，其相對于變壓鈉燈的照明功率密度折減系數為1.45～1.30，將金鹵燈用作機動車交通道路照明光源將比高壓鈉燈更耗能。

(2) 將色溫為7 200 K的發光二極管作為機動車交通道路照明光源時，其相對于高壓鈉燈的照明功率密度折減系數為0.47～0.89，將該色溫的發光二極管用作機動車交通道路照明光源將比高壓鈉燈更有利于節能。

[1]Boyce P R, Fotios S, Richards M. Road lighting and energy saving[J]. Lighting Res Technol, 2009, 41(3): 245-260.

[2]林振剛. 高壓鈉燈在城市道路照明節電的應用[J]. 照明工程學報, 2009(4): 74-77.LIN Zhen-gang. The Energy-saving application of high pressure sodium lamp in urban road lighting[J]. China Illuminating Engineering Journal, 2009(4): 74-77.

[3]肖輝乾, 趙建平. 我國城市照明節能潛力分析[J]. 建設科技,2009(18): 54-55.XIAO Hui-qian, ZHAO Jian-ping. [J]. Construction Science and Technology, 2009(18): 54-55.

[4]中華人民共和國建設部.“十一五”城市綠色照明工程規劃綱要[EB/OL]. [2011-03-21]. http://www.people.com.cn/GB/66977/66986/4585244.html Ministry of Construction of P.R. China. The 11th five programming outline of the urban green lighting engineering[EB/OL]. [2011-03-21]. http://www.people.com.cn/GB/66977/66986/4585244.html

[5]CJJ 45—2006. 城市道路照明設計標準[S].CJJ 45—2006. Standard for lighting design of urban road[S].

[6]張青文, 陳仲林, 劉英嬰. 中間視覺條件下的道路照明反應時間[J]. 重慶大學學報: 自然科學版, 2007, 30(2): 125-129.ZHANG Qing-wen, CHEN Zhong-lin, LIU Ying-ying. Reaction time of road lighting in the mesopic vision condition[J]. 2007,30(2): 125-129.

[7]楊春宇, 李毅, 陳仲林, 等. 道路照明節能設計中的中間視覺評價方法[J]. 照明工程學報, 2009, 20(4): 19-22.YANG Chun-yu, LI Yi, CHEN Zhong-lin, et al. Mesopic evaluation method of road lighting energy saving design[J].China Illuminating Engineering Journal, 2009, 20(4): 19-22.

[8]Walkey H, Orrevetela P I, Barbur J, et al. Mesopic visual efficiency Ⅱ: Reaction time experiments[J]. Lighting Res Technol, 2007, 39(4): 335-354.

[9]He Y, Rea M, Bierman A, et al. Evaluating light source efficacy under mesopic evaluating light source efficacy under mesopic conditions using reaction times[J]. Journal of the Illuminating Engineering Society, 1997, 26(1): 125-138.

[10]張青文, 陳仲林, 胡英奎. 道路照明反應時間測定儀的研制與應用[J]. 實驗技術與管理, 2008, 25(6): 72-75.ZHANG Qing-wen, CHEN Zhong-lin, HU Ying-kui. The development and application of the reaction time instrument for road lighting[J]. Experimental Technology and Management,2008, 25(6): 72-75.