基于道路模擬的可調光道路照明的閾值增量

高歡忠，李江山，夏清明

(1.上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 201114；2. 國家電光源質量監督檢驗中心(上海)，上海 201114；3. 國家燈具質量監督檢驗中心， 上海 201114)

引言

良好的道路照明是保障夜晚交通安全，確保道路交通運輸通暢的重要因素。在過去，道路照明在夜間交通低谷階段的節電方式一般是簡單地熄滅部分路燈，這種方法往往導致在這些路段，照度和亮度均勻度、環境比等非常低，而現在智慧路燈產品由于采用了諸如帶有PWM調光功能的智能控制器[1]等附件，因此可以通過整體調低功率運行的方式，在通行高峰時段全功率運行，保證照明充分滿足使用者要求，而在深夜交通低谷時段則降低功率以節約用電。

目前主流的道路照明設計方法、評價體系或檢測標準[2，3]是以針對傳統的調光方式的道路照明效果，如何對智慧照明各項道路評價指標制定相應的、合理的技術要求則是一個亟待解決的問題，特別是閾值增量，其計算和測試比照度、亮度等參數的計算和測試更復雜。本文基于CIE 150 號出版物中的閾值增量(TI)的計算公式[4]，推導了其在理想調光情況下不同人眼適應亮度時TI和光輸出變化之間的數值關系。為了驗證理論推導得到的結論，我們通過更改路燈配光文件中光輸出系數，來模擬可調光路燈在空間各方向上光強均勻變化，運用道路模擬軟件Calculux計算道路照明的閾值增量的變化。

1 理論推導

閾值增量即失能眩光的度量，表示存在眩光源時為了達到同樣看清物體的目的，在物體及背景之間的亮度對比所需要增加的百分比。閾值增量(TI)是用來度量失能眩光的。失能眩光會造成可見度的下降。這是因為來自眩光源的光在視網膜方向上散射，形成一個明亮的光幕，疊加在原本清晰的景象上，從而增加了背景亮度，使對比度降低。這個光幕可用一個等效光幕亮度Lv來度量。閾值增量的大小除了取決于光幕亮度外，也和眼睛的適應亮度Lav有關。

根據CIE 150 號出版物《限制室外照明中過分強光的指南》中的表述，閾值增量(TI)計算公式為

(1)

式中，L為人眼適應亮度；Eeye是燈具在觀察者眼睛高度上、垂直于視線平面上產生的初始照度；θ是視線與燈具中心的夾角，單位是度；∑是對所有待求和的路燈進行求和；k是和觀察者年齡有關的常數。當觀察者為23歲時，k為650，其他年齡的值可由式(2)求得：

(2)

式中，A是觀察者的年齡。

式(1)在0.055 cd·m-2，則TI計算公式變為

(3)

式中，當觀察者為23歲時，k為950。

僅通過以上CIE對閾值增量所規定的計算公式，我們尚無法直觀地判斷出當道路安裝路燈的光強變化時TI值的變化。因此，為了進一步得到TI與燈具光強I變化的影響關系，我們做如下兩點假設：

1)理想道路條件：道路無環境雜散光干擾，每盞路燈及其安裝條件，如懸挑角度等均為完全相同。

2)理想調光條件：各方向上光強值同步、等比例變化，即可以把單個路燈在各方向的光強值I(c,γ)記為與燈具燈下點光強I0始終有固定不變的比例關系,如下

I(c,γ)=I0·δ(c,γ)

(4)

其中比例系數δ(c,γ)在調光過程中不改變。

當0.05

(5)

式中，Ii(c,γ)是第i個燈具在觀察者眼睛方向上的光強，θi是視線與第i個燈具中心的夾角，d是從第i個燈具光度中心到觀察者眼睛的距離,各參數間的關系如圖1所示。

圖1 第i個燈具在觀察者視線垂直方向上的照度

式(1)中，L為人眼適應亮度，一般均視作是所測路段的道路平均亮度，圖2所示為根據照明測量方法[5]，道路上由安裝高度為H的光源Q發出的光，到某點P后，經人眼觀察到的該點的亮度計算示意。

圖2 道路上某點亮度與光源關系

根據所做的假設，不考慮環境光影響情況下，對于待測區域內任意一個測試點，從規定的觀察位置測得亮度讀數L有以下關系：

(6)

(7)

當人眼適應亮度即待測區域內平均亮度L>5 cd·m-2時，TI表達式改變為

(8)

式中各參數意義同式(7)。

2 模擬結果與討論

為了驗證以上推導結果，我們選擇了某個道路燈具在分布光度計上進行配光測試，得到其空間光強分布數據，并通過改變其配光文件中的光輸出變化系數K來模擬假設條件中，對空間各方向上光強的同步等比例變化；并且通過分布光度計配套文件讀取程序多次驗證，改變配光文件的光輸出變化系數將只會改變整體的光輸出，并不會對光束角、最大光強所在位置等參數引起改變。

我們擬定兩組道路條件，使用道路模擬軟件Calculux計算其結果分別如下：

1)雙幅路、中央隔離帶寬度0.5 m、瀝青路面、每側路寬10.5 m、3車道、安裝高度10 m、安裝間距30 m、懸挑1.5 m、仰角15°，計算得到路面平均亮度和閾值增量TI的結果如表1所示，通過更改燈具配光文件中的光輸出系數K來模擬理想調光方式，光輸出系數為1時即不作任何改變，表1和表2中“TI計算值(%)”是通過Calculux計算得到的結果，“TI1·K0.2”表示根據前文推導結論，經過調光改變燈具光輸出后，TI理論值。

表1 第一組道路模擬條件下，不同光輸出系數K的道路照明計算結果

2)單幅路、無隔離帶、瀝青路面、14 m、4車道、安裝高度7 m、安裝間距21 m、懸挑1.0 m，仰角10°。道路模擬軟件計算結果如表2所示。

表2 第二組道路模擬條件下，不同光輸出系數K的道路照明計算結果

可以清楚地看到，軟件計算結果與我們用公式推導的結論一致。故在0.055 cd·m-2情況下的閾值增量，因此對于高人眼適應亮度我們暫時無法做模擬計算。另外根據以上的結論，此時閾值增量會隨著光輸出減少而增大，和人眼適應亮度較低時的情況相反，這點應當引起道路照明設計人員的注意。

3 結語