基于視覺特性的坡路照明分析

史玲娜，陳偉民，劉顯明，賴 偉，雷小華

(1.重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

引言

城市道路照明能夠為駕駛員和行人提供良好的視覺環境，具有保證行車安全、減少交通事故、美化城市夜景，給行人以安全感等作用[1]。在實際道路照明中，路面的照明效果受到不同的道路類型、道路結構、燈具的配光分布和安裝條件、觀察者的觀察角度和觀察視距等多種因素影響。特別是與人眼主觀辨識相關的道路照明亮度指標，如平均亮度、亮度總均勻度和亮度縱向均勻度，直接取決于燈具的配光分布和安裝參數及觀察者的視覺特性，而觀察者的觀察特性又與道路結構密切相關。因此，從人眼的視覺角度出發，根據不同的道路結構(如坡路)選用合適配光分布的燈具并確定合理的布燈方式，可以大大提高燈具的利用效率，在滿足安全舒適的道路照明同時，實現節能的最大化。

為了充分提高道路照明燈具的光能利用率，實現安全舒適的道路照明，國內外的學術與工程技術人員都對道路照明設計標準及技術進行了廣泛的研究[2-4]，既分析了國外及我國現有道路照明設計標準的區別，也深入分析了既定道路類型及燈具配光特性條件下的關于燈具安裝參數優化的道路配光設計，和既定道路類型及安裝參數下的關于燈具配光特性的燈具配光優化設計[5-7]。盡管目前對道路照明已有大量的深入的研究，且道路照明設計標準也相對成熟，也有了主干道、支干道、次干道的各類較為成熟的配光技術及產品，但是不管標準本身還是眾多的照明技術研究，基本都是針對平直的道路，極少有針對坡路、彎道等特殊路段照明技術的研究報道。由于駕駛者行駛于坡路的視覺特性與行駛于平直路時大有不同，且更為復雜，在這種路段出現交通事故的幾率遠大于平直道，因此必須從駕駛員的視覺特性出發專門針對坡路的照明需求及照明設計技術進行研究。

1 坡路照明特點分析

城市道路照明標準所提出的道路照明指標應適應平直路、坡路及彎道的情況。由于車輛在彎道、坡路的行駛狀況與平直路段的行駛狀況完全不同，因此在坡路、彎道的照明狀況也應該有別于平直路段；而坡路的上坡與下坡路段，車輛的行駛狀況也完全不同，因而上坡與下坡路段的照明狀況也應該有差異。

1.1 上、下坡路的行車視距

行車視距(Sight distance，SD)是汽車在行駛過程中，當發現障礙物后，能及時采取措施，防止發生交通事故所需要的必須的最小距離[8-9]，往往用停車視距(Stopping sight distance，SSD)來表示。我國《公路路線設計規范(JTG D20—2006)》規定，高速公路、一級公路的行車視距宜采用停車視距；二級、三級、四級公路的行車視距應不小于停車視距的2倍[10]。停車視距通常由反應距離S1和制動距離SZ兩部分組成，所謂反應距離是駕駛員發現障礙物后決定采用制動措施的那瞬間到制動器真正開始作用這一過程中汽車所行駛的距離，制動距離是汽車從制動生效到汽車完全停住這段過程的距離。由于車輛的慣性作用，使得不同車輛行駛于不同道路的制動距離SZ不同，因此車輛的停車視距SSD就會隨車輛及道路情況而變化，使得停車視距SSD分別縮短或增長，具體可用式(1)表示[11]。

(1)

式中，v為汽車制動前行駛的速度，t為駕駛員的感覺反應時間和制動生效時間總和，通常取2.5s，g為重力加速度，f為與車速相關的輪胎與路面之間的摩擦系數，如表1所示。

表1 水平摩擦系數Table 1 Coefficient of longitudinal friction

在道路照明設計時，考慮的重點是道路本身，雖然可以不考慮車輛差異，但必須考慮道路差異。

圖1 上坡路段和下坡路段的行車視距Fig.1 The sight distance of upgrade and downgrade

在上、下坡路段時，車輛的受力情況如圖1所示，其自身重力的平行分量分別與行車方向反向或同向，從而影響制動距離。當汽車行駛于坡路時，重力的分力就會起到對車速的阻礙或加速作用，從而式(1)可修正為

(2)

式中，θ是用弧度表示的坡度角，-表示下坡、+表示上坡， (tanθ)×100%是用百分比表示的坡度。

根據式(2)即可得到停車視距與車速及道路坡度角之間的關系。當行車視距SD為停車視距SSD時，根據式(2)即可得60km/h車速下的視距SSD與坡度角θ之間的關系如圖2所示的，為直觀起見，圖中的坡度角直接用角度表示。從圖2中可見，行駛于下坡的視距明顯大于行駛于上坡的視距；在上坡路段，坡度越大、視距越短；而在下坡路段，坡度越大、視距則越長。由于駕駛者在下坡路段的視距SD2要大于上坡路段SD1的視距，這就意味著上下坡的照明需求亦可能不同。

圖2 視距與坡度角的關系Fig.2 The relation between sight distance and gradient of slope

1.2 坡路照明特點分析

比較不同國家的道路照明設計標準，道路照明指標通常含有平均亮度、亮度均勻度和評價眩光的閾值增量或光幕亮度比，其中都涉及到觀察者在觀察區域內的亮度的計算，每一點的亮度均與觀察者的視距、觀察角度、觀察位置有關[12-13]，圖3為道路照明標準中評價指標的計算示意圖，在式(3)亮度計算公式中，C、β、γ隨著SD和坡度角θ的不同而不同。

圖3 道路照明計算示意圖Fig.3 The calculation method of road lighting design standard

(3)

圖4為坡路照明計算示意圖，圖4(b)為圖4(a)注視點在平直路上的投影，當觀察者注視于坡度角為θ的上坡路段P′(x′,y′)點時，受到坡度的影響，由燈具發出的光線在P′點的投影與路沿的夾角C′與平直路相比有明顯不同，在具體設計時，需考慮坡度對參數計算的影響。假設該點在平直路上的投影位置為P(x,y)，將P′點位置轉換到相應的平直路上，則x=x′cosθ，y=y′，則對應的燈桿高度H=H′-xsinθ，對應角度γ′、C′、β′分別為：

(4)

(5)

(6)

圖4 坡路照明計算示意圖Fig.4 The calculation method of slope lighting

其中(x0,y0)為觀察者所在位置在坡路平面的坐標，此外，β′亦受到由于坡度不同而導致的不同行車視距的影響。

由式(4)～式(6)可知，當坡度角θ≠0時，γ=γ′、C≠C′、β≠β′，因而會導致式(3)的道路照明狀況發生變化。即在坡路行駛條件下，不僅觀察者的行車視距不同，還會影響照明的效果。由此可知，滿足平直路照明要求的燈具布置用于不同坡路時，有可能不再滿足坡路的照明要求。因此，在坡路照明設計時，不能直接照搬平直路的設計結果，應該從觀察者的視覺角度出發分析坡路照明的視覺需求，并提出針對坡路的道路照明設計方法。

2 坡路照明計算實例分析

在坡路行駛條件下，不同的道路坡度會導致不同的照明需求，而不同的燈具配光也會產生不同的路面照度分布，在進行道路照明設計時，為了在滿足道路照明標準前提下的能耗最小化，就需要根據道路的實際情況選擇合適的燈具，并進行安裝條件(包括燈具的安裝間距、安裝高度、燈具仰角和懸挑長度)的最優化設計，實現道路照明的安全、舒適與節能。

為了定量分析道路坡度對照明需求的影響，研究中以一款飛利浦LED路燈為例，該燈具的總光通量為6600lm，功率88W，圖5為該路燈的外觀及配光分布。

圖5 路燈的外觀及配光分布Fig.5 The appearance and luminous intensity distribution of lamp

圖6 平直路的路面亮度分布Fig.6 The luminance distribution of level straight road

為了便于與坡路照明比較，先針對某段路寬為7.5m的雙車道平直路進行分析計算，并采用雙側對稱布燈方式，以能耗最低(以安裝間距最大為標準)為目標，以滿足城市道路照明標準中次干路的各評價指標為約束條件進行安裝參數的優化計算，得到這款燈安裝于該平直路的最優化安裝條件為：安裝間距：21m，安裝高度：10m，燈具仰角：10度，懸挑長度：1m，并同時計算出在該設定參數下所得到的平直路面亮度分布如圖6所示。

現將該安裝方式用于坡度角分別為+5度和-5度的上坡路和下坡路。根據式(2)計算出行車視距，并根據式(3)～式(6)計算出的路面亮度，得到與平直路相同安裝方式的上坡路和下坡路的路面亮度分布分別如圖7和圖8所示。

圖7 坡度角為+5度的坡路亮度分布Fig.7 The luminance distribution of slope with +5 gradient

圖8 坡度角為-5度的坡路亮度分布Fig.8 The luminance distribution of slope with -5 gradient

由圖7可知，將平直路照明設計直接照搬到上坡路段時，平均亮度較平直路有所提高，并且均勻性更好，但同時用以評價眩光的閾值增量有所增加；由圖8可知，將平直路照明設計直接照搬到下坡路段時，不僅平均亮度降低，而且均勻性更差，意味著該設置在下坡路段的路面照明不僅會增加駕駛員的不舒適感，同時也會增加行車的危險性。

為了進一步說明道路坡度對路面照明質量的影響，研究中分別就同一款燈分別以相同的布燈設置安裝于坡度角分別從-10度依次變化到+10度的不同上下坡路段，得到該安裝方式下不同坡路照明的平均亮度、亮度總均勻度和亮度縱向均勻度如圖9所示，其中圖中橫線為道路照明標準所規定的平均亮度、亮度總均勻度和縱向均勻度設計閾值。

圖9 路面亮度分布與坡度角的關系Fig.9 The relation between luminance distribution and gradient of slope

從圖9中可以看出，在上坡路段，隨著道路坡度的增加，路面平均亮度一直增加，路面亮度總均勻度和亮度縱向均勻度均呈緩慢增加趨勢，這是由于該燈具的配光分布在平直路情況下已很好地滿足了路面亮度均勻度的要求，但已經出現過度照明的現象；在下坡路段，隨著道路坡度的增加，不管是平均亮度、亮度總均勻度還是亮度縱向均勻度均呈下降趨勢。這就意味著當一種布燈方式能夠滿足平直路的照明要求時，未必滿足下坡路的照明要求，而對于上坡路則會過分滿足照明要求，即會造成能耗的浪費。

根據以上分析可知，坡路照明需根據道路坡度的情況和燈具的配光分布合理布設燈具的安裝方式，通常在上坡路段可以增加布燈間距、在下坡路段可以減小布燈間距，以實現安全舒適的坡路照明，并實現節能的最大化。

如果進一步以節能最大化為目標，以滿足道路照明標準的各項評價指標為約束條件，對不同坡度下該款燈具的安裝方式進行最優化設計，可得到不同坡度角下的坡路布燈間距，結合該款燈具的功率，可得1000m內的照明能耗，具體如圖10所示。

圖10 坡度角與布燈間距及能耗的關系Fig.10 The relation between gradient of slope and spacing and energy consumption

正如之前分析所得，在滿足道路照明標準，保障行車安全的前提下，對于上坡路段，可以通過增加布燈間距以實現在滿足照明要求下的節能最大化，與平直路相比，當上坡路段的坡度為10度時，在達到相同亮度視覺效果的前提下布燈間距可以由平直路的21米增大到26米，從而可以實現近20%的節能率；對于下坡路段，為了滿足駕駛員的視覺需求以保證行車安全，須適當減少布燈間距。

3 結論

通過對坡路照明的視覺特點和照明需求進行分析，并根據道路照明的節能設計，得出如下結論：

(1)受到坡度及行車視距的影響，使得坡路照明特點與平直路照明有所不同，并且上下坡的照明特點亦不同。

(2)上坡路段的坡度使駕駛者的行車視距較平直路短，結合燈具出射光的出射角度受坡度的影響，適用于平直路的布燈條件用于上坡路段可能會造成過度照明，導致能耗的浪費，從而在達到相同照明要求下的布燈間距可較平直路的間距大。

(3)下坡路段的坡度使駕駛者的行車視距較平直路長，結合燈具出射光的出射角受坡度的影響，適用于平直路的布燈條件用于下坡路段可能會造成照明不足，導致行車安全性和舒適度降低，從而在達到相同照明要求下的布燈間距可較平直路的間距小。

總之，坡路照明需根據道路坡度的實際情況且結合燈具的配光分布，從人眼視覺特點出發進行道路照明的優化設計，既可實現滿足視覺要求的坡路照明的安全性和舒適性，也可實現照明節能的最大化。從視覺特點進行坡路照明優化設計，可以填補道路照明設計標準中關于坡路照明設計的空白，進一步豐富、完善道路照明的科學體系與設計規范。

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