高速公路ETC門架拍照補光燈眩光問題分析

邊艷妮，汪文妹，王雄斌

(陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710054)

引言

隨著2019年底全國高速公路完成撤銷省界收費站，切換為電子不停車收費(ETC)，ETC門架在高速公路行業(yè)全面推廣使用。ETC門架高清攝像機作為門架系統(tǒng)關(guān)鍵設備，為了確保其在光線較差及夜晚環(huán)境拍照功能的可靠性與穩(wěn)定性，每一臺攝像機都配備了補光燈以保證拍照的亮度要求。而補光燈在實際使用中，由于廠家生產(chǎn)技術(shù)，安裝工藝及使用環(huán)境等因素的影響，使得補光燈對駕駛員造成一定的眩光影響，從而影響高速公路夜間行車安全。因此，在補光燈亮度滿足拍照需求的同時，降低補光燈對駕駛?cè)藛T的眩光影響，確保高速公路行車安全是當前亟需解決的重要安全問題。

針對補光燈造成的眩光問題，國內(nèi)已有一系列相關(guān)研究[1,2]。殷曉川等[3]設計了一種用于交通領域的補光燈防眩光罩，通過該裝置遮蔽補光燈正面、側(cè)面多余的眩光，讓補光燈光照區(qū)域相對集中，以此來減少對人眼造成的眩光影響。全利等[4]對城市道路監(jiān)控補光燈眩光影響進行了探討分析。針對高速公路補光燈的眩光研究國內(nèi)暫無相關(guān)文獻，本文將根據(jù)高速公路ETC門架拍照補光燈特定運行環(huán)境及其相關(guān)參數(shù)對其眩光問題進行建模分析，并通過實地測量分析計算，提出可減小其眩光影響的可行性措施，為高速公路安全運營提供有效參考依據(jù)。

1 ETC門架拍照補光燈眩光建模分析及理論光照區(qū)域計算

1.1 補光燈眩光建模分析

在公路照明領域主要是使用眩光閾值增量(TI)和眩光控制等級(G)作為公路照明設計指導的標準[5,6]。本文使用眩光閾值增量的概念分析補光燈對駕駛員的眩光影響，眩光閾值增量是眩光條件下剛好看見物體時需要增加的對比與有效對比的比值[7]，其計算如式(1)所示：

(1)

其中LAV為路面平均亮度(cd/m2)，1.05為其指數(shù)，LV為等效光幕亮度(cd/m2)，是由入射到人眼中的光線發(fā)生散射而形成的光幕[8]。經(jīng)驗計算公式如式(2)所示：

(2)

其中Eθ為垂直于人眼平面上的垂直照度，θ為視線和眩光源入射光線方向間的夾角，K、m為常數(shù)，K值取決于θ的單位，當θ用角度表示時，k=10，θ≥2°時，m=2。

歐盟標準委員會規(guī)定TI須小于15%，即TI小于15%時不會引起眩光或使人眼感到不適。

1.2 補光燈理論光照區(qū)域計算

高速公路ETC門架布設如圖1所示，補光燈設計及安裝要求如表1所示，其中發(fā)光角度為LED光束的中心亮度到光強降至中心最大光強50%時的夾角。

圖1 高速公路ETC門架布設示意圖Fig.1 Schematic diagram of ETC portal frame layout of expressway

表1 LED頻閃補光燈設計及安裝要求

將門架布設圖用平面圖表示為圖2，其中H 為門架高度，δ為發(fā)光角度，A為光強最強點，即A點距門架20 m，根據(jù)LED 配光曲線計算可知，發(fā)光角度外光強較弱，不會引起眩光。根據(jù)上述參數(shù)計算可得理論光照區(qū)域為15.8～26.5 m。

圖2 補光燈光照區(qū)域平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of illumination area of fill light

2 補光燈光照度實地測量及眩光分析計算

2.1 補光燈光照度實地測量

為更好的解決高速公路ETC門架補光燈眩光問題，選取陜西高速西安至略陽路段進行實際光照度測量，測量時間為2020年3月19日21：00—22：00，天氣晴，空氣質(zhì)量指數(shù)為44，測量具體地點為西略ETC G7011 420B，補光燈占空比為5(對占空比為1、3時的光照度也分別進行了測量，其部分位置不滿足拍照設計要求)，測量儀器使用TES-1339專業(yè)級照度計，測量結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 補光燈光照度實際測量數(shù)據(jù)

由實地測量數(shù)據(jù)可知，ETC門架補光燈實際應用中滿足拍照需求的光照區(qū)域為23～50 m，其中主要光照區(qū)域位于距離門架25～35 m處，與上述理論計算的主要光照區(qū)域位置不同。因此，本文將基于實際應用情況對ETC門架補光燈眩光影響進行分析計算。

2.2 測量結(jié)果計算分析

基于實際測量數(shù)據(jù)，選取25 m、30 m、35 m三個位置分析計算補光燈對人眼的致眩影響，同時對于不同大小的車型，人眼視線與補光燈入射光線方向之間的夾角大小不同，從而對駕駛員造成的眩光影響不同，因此本文選取小客車和大貨車兩種車型對補光燈造成的眩光影響進行計算分析。

高速公路夜間行車開啟遠光燈后，駕駛員視線與ETC門架補光燈的位置關(guān)系如圖3所示，汽車遠光燈照射距離一般為80～120 m，設定高速公路駕駛員夜間行車時視覺中心位于前方80 m處，小客車與大貨車駕駛員視野高度分別為1.2 m、2 m，根據(jù)圖3計算兩種車型分別在L=25 m、30 m、35 m三個位置時，駕駛員視線與補光燈入射光線方向間的夾角θ如表3所示。

圖3 補光燈與駕駛員視線位置關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship diagram between fill light and driver’s line of sight

表3 高速公路夜間行車駕駛員視線與補光燈入射光線方向之間的夾角

一般情況高速公路夜間背景亮度由補光燈和汽車車燈組成，其中車燈亮度由車輛數(shù)及車型等因素決定，因此，高速公路夜間背景亮度值難以進行明確計算，本文將通過計算不引起眩光條件下高速公路夜間行車背景亮度的需求，從而定性分析補光燈眩光影響極其解決方案。根據(jù)式(1)、式(2)可知，背景亮度LAV計算公式如式(3)所示：

(3)

其中Eθ=Ecosθ，θ取值如表3所示，K=10，m=2，TI=15%，分別計算小客車與大貨車在三個測試距離不同位置不引起眩光所需要的背景亮度如表4所示。

表4 不引起眩光條件下不同位置所需的背景亮度值

根據(jù)上述計算結(jié)果分析，高速公路夜間行車過程中，當上述不同距離不同位置的背景亮度大于該計算值時，補光燈亮度才不會對駕駛員造成眩光影響。《汽車用LED前照燈》國家標準規(guī)定，汽車遠光燈照度值為70～180 lx[9]，高速公路瀝青路面的反射系數(shù)取0.14[10]，粗略估計一輛車的車燈照射到人眼的亮度小于25.2 lx，而補光燈設計要求中規(guī)定，補光區(qū)域內(nèi)平均光照度應小于50 lx，則高速公路行車數(shù)量為一輛的情況下，背景亮度應小于75.2 lx，遠小于上述計算中不引起眩光條件下所需的背景亮度值。因此，在上述測量路段，當補光燈占空比為5時，其亮度會引起眩光，影響駕駛員的行車安全。

3 結(jié)論

綜合上述理論分析及實地測量計算分析，減小補光燈眩光影響的解決方案從兩個方向考慮，一是增大路面背景亮度；二是降低補光燈亮度。考慮到增加背景亮度成本較高，實際可行性較低，因此從降低眩光源亮度考慮，按照工程量及實施難度由易到難，建議措施如下：

1)增大補光燈照射角度(即增加補光燈與水平線的夾角)。保持拍照區(qū)域不變，增大駕駛員視線與補光燈入射光線方向之間的夾角。由實際測量結(jié)果可知，測量路段實際應用中滿足拍照需求的光照范圍為23～50 m，而設計要求為16～25 m。因此增大補光燈照射角度，使其光照范圍縮短至設計要求的拍照范圍內(nèi)，可以進一步降低補光燈的亮度需求，減小補光燈對駕駛員的眩光影響。

2)拍照區(qū)域向門架靠近。假如相機在更大俯仰角(相機光軸與水平方向夾角)也可以滿足拍照要求，則拍照區(qū)域可由當前設計要求的16～25 m移動至更靠近門架的位置，可以進一步增大駕駛員視線與補光燈入射光線方向之間的夾角θ，從而減少補光燈對駕駛員的眩光影響。

3)設計聚光燈罩，縮短光照區(qū)域。補光燈光照區(qū)域設計要求為9 m，實際測試現(xiàn)場的補光區(qū)域為27 m，遠遠超出了設計要求，致使補光燈亮度過高的同時造成光能量浪費。因此，通過加設聚光燈罩，將光照范圍約束在拍照所需范圍內(nèi)，一方面減小了對駕駛員可能的致眩區(qū)域，另一方面提高了光能量的利用率，減小了補光燈功率，達到節(jié)能減排效果。