汽車前照燈夜間照明評價方法探究

張栓栓 Zhang Shuanshuan

汽車前照燈夜間照明評價方法探究

張栓栓 Zhang Shuanshuan

（北京現代汽車有限公司重慶分公司，重慶 400000）

汽車燈光照射效果的好壞直接影響著行車和行人安全，但目前國內還沒有統一的整車級別的前照燈照明評價標準。針對這一問題，提出了一種整車級別前照燈近光夜間照明評價方法。該方法通過選取3個特征指標，即25 m特征點照度、5 lx照射面積、路面照射均勻度，并對每個指標進行評分求和，實現了對前照燈照明效果的客觀量化評價。該方法既考慮了特征點的照度，又從全局角度評價了光照效果，可在新車開發階段為提升車燈照明效果指出改善方向，也為量產車整車照明效果的一致性提供衡量指標。

前照燈；評價；25 m特征點照度；照射面積；均勻度

0 引 言

汽車前照燈是汽車重要的主動安全性部件，對夜間行車安全起著非常重要的作用，因此用戶對前照燈的夜間照明效果尤為關注。根據JD.Power調查結果顯示，客戶對前照燈夜間照明的效果有許多不滿[1]。2018年12月，豐田汽車因為車燈近光燈眩目而召回13 048輛卡羅拉品牌轎車。對于車輛照明評價，目前國際上的主流評價方法包括CIE 188（國際照明委員會汽車前照燈系統性能評估方法），NTHSA（National Highway Traffic Safety Administration，美國高速交通安全管理局）和IIHS（Insurance Institute for Highway Safety，美國公路安全保險協會）評價體系。CIE 188 評價方法是對車燈零部件進行照度測量，但其不能完全反映整車的實際道路照明效果[2]；NTHSA 評價方法能夠較好地反映測量點的照度和眩目情況，但是并未對車燈的照明范圍和照明效果等其他方面做出評價；IIHS評價體系評分方法采用了大量的經驗公式和曲線，但其經驗公式并未公開論證，且測試通過率太低[3]，未受到公正認可。在我國，目前尚未發布整車照明性能評價相關標準，GB 4599—2007《汽車用燈絲燈泡前照燈》[4]屬于零部件級別車燈的測評[5]；GB 7258—2017《機動車運行安全技術條件》[6]僅僅規定了整車燈光的坐標范圍，未對具體照明性能進行評價，不能很好地體現出整車車燈照明性能水平；因此，提出一種有效的整車近光照明性能評價方法，實現對整車車燈的客觀量化評價，指導新車開發和量產車車燈照明性能的一致性評價。

1 評價指標的選取

提出適合整車測評的特征點照度檢測指標，由于用戶希望燈光能夠有足夠寬廣的路面照明范圍和平順且均勻的照明視野，以及沒有使駕駛員產生視覺上或心理上不舒適的明條紋或暗條紋[7-8]，所以從全局照射效果方面提取光照的評價指標。根據選定的特征參數指標，實現對整車照明效果的客觀定量評價。為驗證評價方法的可行性，在市場上選取了3種不同車型A車、B車和C車（均滿足GB 4599—2007、GB 25991—2010和GB 7258—2017）作為試驗樣本。

1.1 特征點照度檢測——25 m處特征點照度

雖然GB 4599—2007為實驗室配光測試標準，但其選取的測試點在實際道路行駛中均有重大實際意義。因此參考該標準，在道路環境中對整車同樣實行25 m處、同樣參照點照度測試，檢測點示意如圖1所示，相關特征點解釋見表1。

圖1 整車25 m道路檢測點示意

相比暗室測量，由于整車為左右燈同時照明，且道路環境中必定存在反射干擾，對部分參數標準進行了修改。修改方法遵循光學相關原理，以B50L標準值設置方法為例說明。參照NTHSA 評價方法，將炫目限值設定為0.634 lx[3]35，根據B50L含義，50m前方大型車駕駛員視線不眩目，即表示該處照度值小于0.634 lx。定義25 m和50 m處照度分別為25和50，光源距離分別為25、50。光照幾何示意如圖2所示，點為燈光源位置，點為B50L檢測點位置，點為B50L在道路上的實際位置。

圖2 近光燈B50L點幾何示意

由光學知識可知照度與距離的平方成反比，即

再根據幾何轉換，

令50=0.634 lx，計算得25=2.5 lx。

采用上述方法，對試驗車輛A車、B車和C車分別進行測試，數據見表1。

表1 25 m處道路檢測點標準

分析表1發現，各車型不滿足參考標準的特征點數量分別為A車A=1，B車B=2，C車C=2。3臺測試車輛在近距離標識牌PT7 和PT8處容易超過參考值，尤其B車實測值超出較多，在駕駛時，近距離標識牌可能對駕駛員產生眩目的風險；另外，C車在75R點照度偏低，說明其遠距離可視性可能不佳。

設第款車型的該特征指標評分為P1，參考IIHS評價體系，依據不良特征點數量計算該指標的最終評分P1，具體評分方法見表2。

表2 特征點照度檢測得分規則

注：權重分指該評價指標滿分占總分的權重，P1見式（3）。

1.2 照射范圍評價——5 lx照射面積

前照燈的照射范圍很大程度上影響行車安全和駕乘體驗。充足的照射距離能夠幫助駕駛員及時發現前方道路狀態，為采取緊急措施預留更多反應時間；足夠的照射寬度會幫助駕駛員及時發現車輛兩側突發狀況，并能夠給予更好的彎道行車視野。GB 4599—2007檢測左右4 m寬度區域照明效果，這一寬度僅能達到相鄰道路的中央，在實際駕乘中稍顯不足。

以A、B、C車為研究對象，首先擬合其相應燈光照射范圍圖。在中國城市道路中，單車道一般寬3～3.5m[9]，為能體現相鄰車道及人行道照明情況，以1 m為步長，測量車中心線左右6 m垂直線上光照。對于照度值的選取，在IIHS評價方法中，5 lx光照為可以基本看到事物的照度值，12 lx為較清晰看到事物的照度值，20 lx則為很清晰看清事物的照度值。在試驗中，以5 lx、12 lx、20lx光照為關鍵照度值，測量其距離車頭的垂直距離，并繪制圖3、圖4和圖5。圖6為A、B、C 3車的5 lx照射面積對比示意圖。

圖3 A車近光燈照射范圍

圖4 B車近光燈照射范圍

圖5 C車近光燈照射范圍

圖6 A、B、C車近光燈5 lx照射范圍對比

分析圖3～6可知，對同一車輛，5 lx、12 lx、20 lx均呈現相似特性的光型輪廓，因此選取5 lx作為特征照度值。

就5 lx光型輪廓而言，3個車輛照射風格不同，A車燈光向正前方集中，B車燈光向兩側分散，而C車則明顯集中于近處。表3從照射寬度和照射距離兩個維度對比3種試驗車型。

表3 車燈照射范圍評價

通過上述分析，單從照明光型、寬度或者距離某一個維度來評判車燈的照明性能并不全面，但照射面積卻能很好地平衡以上指標，因此提出5 lx光照面積這一評價指標，建立求解模型。

設5 lx光照區域是由個離散的頂點P（=1，2，3，…，）首尾相連構成的封閉不規則區域，其中任意一條邊可表示為PP+1（P+1=1），其面積為。該區域為單連通區域，適用于格林公式。格林公式定義了曲線積分與面積分之間的關系，由格林公式進一步推導可得5 lx照射面積為[10]

式中：=1，2，3，…，；，分別為P點的軸坐標和軸坐標。

依據以上求解模型，利用Matlab軟件進行求解，計算得到A車照射面積為A=453 m2，B車照射面積為B=509 m2，C車照射面積為C=363 m2

為便于衡量特征值，根據歷史測量數據，以長70m、寬12m的矩形框面積的0.7倍作為參考面積area，即area=588 m2，則第款車型的該特征指標評分P2為

1.3 照明效果評價——路面照度均勻度

車燈的照射暗區或者條紋會影響駕乘感受，同時也容易使駕駛員產生視覺疲勞。以A、B、C車為試驗對象，分別采集了車中心線左右3 m（步長0.75 m）、前方5 m到25 m（步長5 m）范圍內的54個點的照度數據，并通過插值擬合方法，繪制三維照度曲面，如圖7所示，等照度線如圖8所示。

圖7 三維照度曲面圖

圖8 等照度線圖

實際駕駛過程中，駕駛員主要視線集中區域為本車道（中心線左右1.5 m）前方5～20 m位置，這一區域的照度效果會直接影響駕駛員駕駛舒適度。分析圖7和圖8發現，在中心線左右1.5 m區域照度跨度較大，出現亮度不均勻問題點的風險大，因此選擇該區域照明效果重點分析。參考CJJ 45—2015《城市道路照明設計標準》[11]，提出以路面照度均勻度來衡量照明效果，標準中的定義為路面上最小照度與平均照度的比值。

設個測量點照度值分別為u，其中最小值為min，個測量點均值為avg，則路面照度均勻度為

利用Matlab軟件計算，得A車、B車、C車均勻度分別為A=0.15，B=0.21，C=0.16。

結合結果分析圖7和圖8，從照射寬度角度，車中心線左右1.5 m范圍內，A車等照度線較密集，照度值變化幅度較B車大（A車140～200 lx，B車140～170 lx），這是A結果偏低的原因，檢查A車燈實際路面照明，發現兩側路面光線存在暗條紋；B車照度相對均勻，但在中心線左側1 m，前方10 m處有小范圍奇點，照度比周邊較低，形成了一個局部輕微暗區；C車的不足在于高亮度區域過多集中在道路前方10 m左右位置，而稍遠區域照度暗太多（20 m位置照度最小值為46.8 lx），近、遠處視野亮度不均勻。

為便于衡量特征值，根據歷史測量數據，定義參考spec=0.25，則第款車型的該特征指標評分P3為

2 評價結果

需要分析3個特征指標的權重分數。由于特征指標1（25 m特征點照度）是基礎安全性檢測，權重分較高為50分；特征指標2（5 lx照射面積）和特征指標3（路面照射均勻度）是對照明效果的評價，分別給予25分權重分。夜間照明等級評定見表4。

表4 夜間照明等級評定

綜上，第款車型的3個特征指標最終得分P為

由式（8）計算出A、B、C 3款車的評分分別為

整體上近光燈照明性能評價結果為B車＞A車＞C車，詳細評價結果見表5。

表5 夜間照明總結評價

3 總 結

針對整車級別前照燈近光評價標準缺失問題，提出了衡量前照燈照明效果的25 m特征點照度、5 lx照射面積、路面照射均勻度3個特征指標。通過加權求和，得到了前照燈近光的客觀量化評分。在工程實踐中，運用該方法對多款車型進行測評，評價效果良好，能夠較好地指導整車照明效果的改善。該方法會在后期使用中進一步完善。

[1]何浩，凌家勇，何志軍. 汽車前照燈夜間可見度靜態評價方法[J].汽車電器，2011（7）：17-20.

[2]卜偉理，王瑋，王玲燕. 基于CIE 188 自適應前照明系統配光評價的研究[J].質量與標準化，2016（6）：54-57.

[3]趙準，張大壘，柳沛. 汽車前照燈評價體系研究[J].中國新技術新產品，2018（8）：35-37.

[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 汽車用燈絲燈泡前照燈：GB 4599—2007 [S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[5]楊文昌，陸云峰，李鼎. 前照燈夜間靜態評價方法探究[J]. 研究與開發，2015（5）：47-49.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 機動車運行安全技術條件：GB 7258—2017 [S]. 北京：中國標準出版社，2017.

[7]李高林，楚思東，陳瑜飛，等. 遠光燈性能測試與評價研究[J].汽車電器，2014（8）：69-71.

[8]張西金，楊樹忠. 汽車前照燈光學性能的模糊綜合評價方法研究[J]. 云南工業大學學報，1998（4）：58-60.

[9]秦建軍，楊運平，吳一鳴. 我國城市道路、橋梁車道寬度標準研究[J]. 公路，2011（7）：81-84.

[10]羅志強，鐘爾杰. 任意多邊形面積公式的推導及其應用[J]. 大學數學，2005（1）：123-125.

[11]中華人民共和國住房和城鄉建設部. 城市道路照明設計標準：CJJ 45-2015 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2015.

U463.65+1.025

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.001

1002-4581（2020）01-0001-06