從交通安全的角度審視科學照明和反光科技

文 官 陽

從交通安全的角度審視科學照明和反光科技

文 官 陽

前些日子，接到一位頗有技術水平的交警隊設施處領導的電話，垂詢主動發光型交通標志的技術情況和安全價值，這幾年此類問題愈發突出，在這里有必要就相關的技術問題做一些講解，避免大家走太多彎路，造成額外的損失。

伴隨道路交通的發展對安全的需要越來越多對安全的解決之道也越來越多。因為各個國家、地區和產業發展的不平衡，在一些國家和地區早已被證實更危險、被淘汰、甚至被禁止的技術手段，有時又會出現在另一個國家或者地區，這與科研力量的代溝級差距有很大關系。其中比較典型的例子就是在一些在路面上空或路側，濫用主動發光型交通設施，包括標志、射燈、景觀燈、乃至錯誤安裝路燈等，在錯誤的地方使用主動發光型突起路標（道釘），在很大程度上忽視了道路安全通行條件的需要，形成了更多的安全隱患……

本篇文章，就從光控制技術和視認需求的角度，對這一技術領域做一些基本的探討。

完成駕駛任務的第一前提是視覺保障

從駕駛任務的角度講，司機要完成駕駛任務，就需要在特定的時間段獲取足夠的信息，以完成合理操作車輛的任務。而獲取這些信息，有90%是依靠視覺。但是在視距不良的時間段，這種視覺能力的發揮會受到限制，通常情況下，在夜間司機依靠視覺獲得的信息量，只有白天的5%。這是不是一件壞事呢？未必！

在白天，司機駕車行駛在路上，會看到很多本不需要看、不應該看或者不應該在那個時間點看到的東西，從而增加了信息處理量，延緩了做出正確判斷的時間，這就是所謂的“注意力不集中”。同樣的邏輯，在夜間，借助夜色和光控制技術的幫助，如果能夠讓司機只看到他們應該看到的東西，而且是在正確的時間點看到這些東西，那就會很容易提高其獲得和處理路況的能力，這也是道路上和車輛上都需要照明設施（包括主動和被動照明）的原因。但是，如果錯誤地使用燈光，就可能讓司機看到很多不該看到的東西，或者是在錯誤的時間點看到不應該看的東西，甚至導致有些東西反倒看不到了，這時候，事故發生的幾率就會大幅攀升！

那么司機最應該看到什么東西呢？這就涉及到司機的視距范圍和這個范圍內的各種對駕駛產生影響的元素。在視距范圍方面，汽車生產廠商，已經做了最好的努力，投入巨資研究（這種巨資的規模，隨著時間和經驗的積累，早已超過了任何一個國家單一的研究能力和范圍，具有極高的權威性），從車燈的照度、角度和距離，盡最大努力考慮到了安全的需要，所以車輛前照燈的照射范圍，可以基本提供一個司機應該關注的主要范圍。汽車廠商在這方面的細致程度，從歐洲普及的視覺優化燈（VOA照明系統）和美國更多采用的鹵素燈的差異上，就可以領略一二。相比較而言，歐洲的VOA燈具（氙燈是比較典型的代表），會更關注路面的情況和對迎面來車司機的視覺感受，而美國車的主流前照燈多采用傳統的鹵素燈，會照得更高更遠，這就與美國的道路更寬闊、更關注遠距離和高速行駛關系緊密。從這一點，可以了解為什么遠光燈大都不使用氙燈，而固守鹵素燈了！也恰恰是因為這種視認性的差異，歐洲道路上的交通安全設施所使用的反光材料，性能優越，有一些國家甚至只允許使用鉆石級大角度反光材料，用以彌補VOA燈具在照射距離和高度上的不足。

科學在有了視距范圍的選擇和條件限制之后，就在這個范圍里，應該都有什么樣的元素，這就是司機要完成駕駛任務所需要的全部信息。它包括了道路沿途可以作為橫縱坐標提示行車道寬度和速度的各種參照物，行車道和方向指引信息，路上的其他車輛、行人的互動情況，提示行駛規則和條件的標志標線等等。在這里，就出現了本文主題所要重點講解的技術元素，科學照明和反光科技，這兩種技術運用合理才能把司機所需要的信息元素突出出來，讓司機盡早發現，而不是喧賓奪主，甚至形成遮蔽！

科學照明

為什么需要科學的照明呢？這和人因工程有直接的關系。人們是依靠對比度差異來識別物體。夜間，司機能看到的東西，一定是與環境背景色度形成反差的東西，這種反差越強烈就會越醒目，司機發現和關注它的機會就越大。所以，總體上來說，亮起來的物體，在夜間更容易被司機發現和視認。但是，并不是道路上亮的物體多了，而且都是主動發光就安全。因為對于司機而言，最理想的是在正確的時間點看到他應該看到的東西，而沒有進入車輛前進方向和合理反應距離之內的亮點，有可能會在不應該吸引司機注意力時卻吸引司機去關注，甚至有可能形成距離錯覺等危險現象。另一種危險，就是這種主動發光型設施，如果亮度過高，在司機越接近時就會存在一個很大的危險，即在強光之后的那個區域，是所謂的“燈下黑”區域，如果在強光之后的黑暗里有車輛和行人，其身上所發出的光或反光的亮度無法對抗附近的強光源時，就很容易因為對比度“不合格”而被“黑”，進而導致事故。在高速公路上，動態信息板亮度過高和安裝位置錯誤，安全監控的LED射燈過強并且被安裝在行車道正上方直射司機面部，都是這種安全威脅的典型代表。

在錯誤的時間引起司機的關注，破壞距離感和判斷橫縱坐標的典型案例，則包括了被錯誤使用的主動發光型交通標志和太陽能發光突起路標（道釘）等。標志和標線都是需要有層次的設置，用以輔助司機建立距離、速度和空間感的路況信息元素，都應該是司機在進入決策視距距離段時，才應該變亮并可以識讀。如果車輛還沒進入決策視距，主動發光的設施有可能出現疊加的問題，破壞了白天可以借助周圍物體建立起來的那種層次感，特別是主動發光型彎道誘導標志和主動發光道釘出現頻閃的現象，就會憑空增加司機判斷橫縱坐標的難度。一般情況下，這類主動發光型的交通設施的設置要非常考究，其更多的服務對象是行人和慢性交通流，或者是相對單一的警示點，而不能連續使用，更不應該在道路上造成“燈下黑”和后面的“黑洞”。

也正是由于上述這些原因，路燈的設置，其實也是一個很考究的話題。路燈設置不當，同樣會干擾司機的夜間視距，特別是如果路面形成漫反射，會大大破壞司機的視距，有些時候會影響司機而無法觀察沿途的交通標志、標線。比如國內不少城市，如果傍晚時分下小雨，就會導致交通擁堵和大面積延誤，其誘因就是路面的水膜增強了道路燈光的漫反射效果，導致路面標線對車燈的逆反射能力喪失，司機失去了行車道參照系，駕駛任務完成質量低下。在近些年涌現的交通工程思潮里，以新城市主義為代表，已經開始重新審視路燈的應用，其建議是路燈的高度應該降低，亮度也隨之降低；其照射對象，應該是行人步道而不是機動車道；而高挑的路燈只需要設立在交叉口和行人過街的位置——僅就這個意見所能產生的環保貢獻，想想就會讓人覺得振奮！

也有一種主動發光型交通標志，10多年前在發達國家還很常見，這些年已經很少用，就是大型置頂型交通標志的外射燈設置。這個技術的要點要講明白，需要和反光科技的發展一起談。

反光科技

在道路交通安全領域里所說的反光科技，其學名應該叫“逆反射技術”。它的基本原理是從光源出發的光，會被“逆向反射”回光源處。我們在夜間行車，會發現車輛前照燈照射到的貓和其他動物，眼睛在閃閃發亮，這是動物眼睛內的晶體形成的逆反射光。1939年，美國人根據這種生物現象，利用直徑很小的玻璃微珠，仿生制作出了可以在戶外經受各種氣候條件的逆反射反光膜，當時注冊為“工程級”反光膜。此后，伴隨光控制技術和材料手段的不斷進步，在1970年又發明了可以對抗交通標志版面光線被凝露折射導致損耗的“高強級”反光膜。這個時代的反光膜，玻璃微珠直徑僅僅只有2微米，逆反射光的效率也比工程級反光膜提高了2倍左右。至此，這種圍繞玻璃微珠平臺實現的逆反射技術的研發歷史，基本走到了盡頭。1985年，伴隨美國的專利技術到期，日本開始仿制生產高強級反光材料，而歐美國家的交通設施用逆反射技術材料，開始圍繞著反光結構更合理、逆反射效率更高、光路角度更科學、生產過程更環保、使用壽命更長的微棱鏡和微復制技術展開了。其中僅僅環保一項，就較玻璃微珠反光膜技術的生產過程，減少了97%的可揮發性化學氣體的排放（聯合國定為VOA氣體），減少了70%以上的能源消耗。又經過30多年的努力，與交通安全相關的光控制材料，已經發展到了一個全新的階段。

目前在歐美發達國家使用的逆反射材料，已經不再是單純追求逆反射亮度和反光距離的材料，而是像車燈的發展過程一樣，開始向滿足視認需求發展，向環保、節能和安全高效的方向發展，并通過材料技術的革新換代，開發出了適用于固定交通標志、車輛牌照、臨時交通設施和雨霧天氣視認的不同平臺。簡單來說，目前的鉆石級反光材料，是根據交通標志視認性研究的結論做出來的。司機的視認有兩個需要，一個是遠距離的發現能力，一個是近距離的視認性。以往的反光技術，因為司機和車前照燈之間的夾角問題（參見下頁），很難同時兼顧兩種需要，一般情況下，逆反射材料在遠距離觀測比近距離要亮很多，這也是大卡車司機經常看不到標志的原因。最新型的反光材料（我國GB18833標準里提到的大角度反光膜），是先測算出司機在不同車型中所需要的視認距離和角度，再利用數學模型構造出車照燈的光路往復的衍射范圍和司機在不同距離內對光強的需要程度，然后用微復制技術制作出具有光波控制能力的微棱鏡，并將光的衍射范圍控制在距離司機1000米到50米的范圍之內，而且當司機觀察標志的角度加大時，大量光能失去后（進入視認距離時），足以支撐視認需求的反射光還可以在視認時間段和距離之內，停留在交通標志表面并穩定一段時間，以改善司機的視認效率。要實現這種光控制效果，需要在一平方厘米之內，有80多種形態的930個微棱鏡結構，其精進之處不難想象，因為這種微棱鏡體使用電子顯微鏡時普遍看起來像鉆石，其“鉆石級”反光膜的美名由此而來。

在鉆石級大角度反光膜問世之前，歐美國家為了解決大角度視認的難題，要求交通工程師在置頂型交通標志上增加模擬車燈照射角度（迎合司機的觀測距離和角度）的補光燈，就是為了進一步挖掘反光膜的功能，以外力增加車燈的照射效果，解決標志視認性問題。所謂的主動發光型交通標志，由此而來。其照射強度并不高，只是因為迎合了車燈的照射角度和處于逆反射光有效觀測角度范圍內的司機視認方向，才在那個時間段借助標志表面的反光單元，讓標志亮起來，并不是標志一定要始終都是亮的就安全。有些標志，司機是不應該過早觀察的！僅僅以美國內華達州為例，這種標志外補光燈全年的電力消耗成本約45萬美元，2003年后，全州啟動了使用鉆石級大角度反光膜的替換工作，從此省下了這筆財政支出和能源消耗。

后記

從某種意義上說，對于投入巨額資金研發的車燈照明系統，人類至今還沒有充分利用好，還存在著大量的浪費和可以進行安全改善的空間。從人們的服裝到自行車，從牲畜到路邊的各種可能對行車安全造成傷害的設施，最簡單和成本最低的方法，都不是主動照明，而是利用車燈光與反光材料的互動，來完成合理和被控制住的發現和警示，這樣既減少了對環境的干擾和能源的消耗，也大大提高了道路通行條件，是最低成本的道路交通安全解決之道。

同時，為了安全需求在設置道路上的各種光源系統時，應該建立一套嚴格的實地安全審查制度，確認這些光源不會“好心辦錯事”。光控制技術，事關行車視距和駕駛任務的完成質量，對人、車、路來說，都是非常重要的安全技術領域。由于篇幅的原因，還有很多內容，比如像雨雪霧天、黃昏和黎明、強陽光時間段的安全對策等等，都不能在這里一一贅述了，而忽視光線對道路交通安全的影響，特別是如果缺少在一些視認困難時間段的特殊需求和對策，那將會給我們的道路安全通行條件制造更多的麻煩，我們需要盡早對這個領域展開有積極意義的應用研究。