城市快速路燈光照明動態信息感知研究

高于程， 曾超， 白婧榮

(1.淮陰工學院 建筑工程學院， 江蘇 淮安 223003；2.重慶交通大學 交通運輸學院， 重慶 400074；3.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

調查數據顯示，夜間交通事故約為白天的3倍，良好的道路照明可使城市道路交通事故下降30%，深入分析道路光環境和夜間照明對提高夜間行車安全具有重要作用。城市快速路夜間光環境是一個受各種因素綜合影響的動態系統，不僅包括路燈等人造光源，還包括各種指路交通標志、誘導標志和道路外側光源，城市快速路照明不僅要滿足日常照明要求，還應結合道路周圍環境提升城市形象，同時照明的高效利用可降低道路照明的能源消耗。該文在夜間城市快速路進行實車試驗，獲得不同駕駛速度、駕駛視認距離和道路照明之間的定量數據，評價城市快速路照明環境，分析道路照明、駕駛行為和照明高效利用程度之間的關系，提高駕駛員夜間行駛安全度和駕駛舒適性，節約能源。

1 城市快速路夜間照明條件分析

1.1 照明系統光環境結構組成

光環境作為物理環境的一部分，包含室內和室外光環境系統，根據光源種類可分為天然光和人工光2種。它不僅要滿足物理科學要求，還要滿足人們的生理、心理需求及不同程度的審美和社會要求。城市快速路照明不僅發揮著城市夜景照明功能，還是城市文化的展示空間。照明方式主要有單側布燈、雙側交錯布燈、雙側對稱布燈、中央(橫向懸索)布燈和中央對稱布燈等，選擇合適的照明方式，對提高照明能源利用效率和城市空間藝術感具有重要意義。

《城市道路照明設計標準》要求根據光照強度、均勻度、環境比和誘導性等設計道路光環境。光照強度E是入射在表面某一點上的光通量除以該元素的面積[見式(1)、式(2)]，有水平照度和垂直照度之分。環境比SR為機動車道路緣石外側帶狀區域內的平均水平照度與路緣石內側等寬度機動車道上平均水平照度之比。誘導性表現為駕駛員受到照明系統影響的誘導效果，主要受照明設施布設方式、光色、光強和間隔等影響。各指標的標準值見表1。

表1 機動車道照明標準值

(1)

(2)

式中：dφ為光通量；dA為工作面面積；Eav為平均照度；Ei為各測點的照度(lux)；n為測量數。

1.2 快速路照明光環境影響因素

城市快速路是城市道路的主動脈，承擔著大部分城市機動車出行，其車速快、車流量大，一旦發生事故，后果嚴重甚至影響區域通行能力。快速路夜間照明光環境對駕駛員駕駛生理和心理有著重要影響，故快速路照明要求標準較高。城市快速路照明光環境的直接影響因素包括照明燈具類型、光源顏色和亮度等，間接影響因素包括指路交通標志、誘導標志、道路橫向寬度和車輛特征等。道路照明的光源主要有高壓鈉燈、金鹵燈和LED燈等，根據規范，快速路、主干路需采用截光型、半截光型燈具，宜采用高壓鈉燈，也可選擇發光二極管燈或陶瓷金屬鹵化物燈。道路照明傳統光源的光色是白黃光和白光?，F有道路交通指路標志多為主動發光標志牌，借用路燈和車燈等光線投射到標志牌上達到主動發光效果，燈具的延伸長度可確定有效的道路照明寬度。夜間眩光是指城市中各種照明或非照明光源產生的光干擾，燈具亮度和照度過大時，駕駛員會產生極不舒適的眩光。等效光幕亮度是指在車內測量得到的適應亮度，即考慮汽車擋風玻璃影響的適應亮度。由于汽車擋風玻璃的影響較小，且對于既定的汽車，其影響是恒定的。

2 試驗方案

2.1 試驗路段

選取重慶市內環快速路東環立交—人和立交路段作為試驗路段，其基本情況見表2。該道路的燈具布設方式為雙側對稱與中心對稱組合布燈，其缺點是在彎道處駕駛員無法準確識別燈桿左右位置，導致較遠處視覺導向性較差。試驗時間為夜間23：30—00：30，道路周邊光源基本關閉。試驗車輛為夜間道路使用率較高的出租車，試驗設備為照度計和行車記錄儀，照度計的高度為小轎車駕駛員視線所在高度，利用相機錄取速度儀表盤獲取實時速度數據。駕駛員按照日常習慣自然駕駛，夜間受到照明亮度的影響，視線范圍在車輛前方150 m以內，故測量區域為距照度計150 m范圍(見圖1)。

表2 試驗路的基本情況

圖1 試驗路場景

2.2 試驗過程

為探究車輛行駛速度、駕駛車輛內部光照強度和駕駛員視認行為三者的耦合關系，選取3名出租車駕駛員，從東環匝道入口駛入內環快速路，再從人和立交下匝道由西行方向換為東行方向，途經五童立交調轉方向，最后駛出東環立交(見圖2、圖3)，分別統計以60、80和100 km/h速度行駛的距離，用照度計測量并記錄駕駛室內駕駛員感受到的光照強度，同時選取不同地點測量實際道路照明光照強度。

圖2 試驗路西行方向

圖3 試驗路東行方向

2.3 試驗數據預處理

異常值是指明顯偏離所屬樣本絕大部分觀測值的值，它會扭曲X和Y之間的相關關系、回歸關系等，異常值較多或異常稍大時會直接扭曲結論。采用SPSS軟件，采用散點圖圖示法對異常值進行檢測，并對缺失數字按照平均值進行補充。駕駛室內照明強度小于零和大于30 lux的值、行駛速度小于40 km/h和大于110 km/h的值視為異常值。

3 照度感應差異特性分析與適應模型構建

3.1 不同速度下駕駛室內照度感應差異特性分析

3.1.1 描述統計

按照統計數據發生的頻率繪制直方圖(見圖4)，從中可見大部分數據在20%范圍內，數據質量較高。

圖4 照度的帕累托圖

如表3所示，速度在60 km/h及以下時，駕駛室內照度的中位數為7.100 lux，樣本標準差為6.107 lux；速度為80～100 km/h時，駕駛室內照度的中位數為8.405 lux，樣本標準差為8.455 lux；速度為100～110 km/h時，駕駛室內照度的中位數為6.450 lux，樣本標準差為4.098 lux。速度60 km/h及以下和100～110 km/h對應的駕駛室內照度最大值超過平均值的3個標準差，說明數據波動較大，相對于平均值，使用中位數描述整體水平更適合。

表3 不同速度下駕駛室內照度值分布描述統計量

3.1.2 不同速度下駕駛室內照明強度變化

將各車速下樣本數據繪制成散點圖(見圖5～8)。從圖5～8可看出：車速為100～110 km/h時駕駛員感受到的照明亮度較低，部分駕駛員選擇打開車燈增加道路前方亮度。各車速下，駕駛員感受到的照度大都處于低值，結合描述統計結果，速度為80 km/h左右時道路照明體驗感最佳。運行速度超過該路段的第85%分位速度值v85時，車速越高，要求的照明值也越高。

圖5 速度60 km/h及以下對應的照度散點圖

圖6 速度80～100 km/h對應的照度散點圖

圖7 速度100～110 km/h及以上對應的照度散點圖

圖8 不同運行狀態下駕駛員感受照度值

快速路夜間良好照明條件是保障夜間交通出行安全的重要前提。通過對現場測試數據的分析，發現內環快速路的照明由于受到車行道兩側樹木遮擋和匝道兩側燈具數量較少等因素的影響，在均勻度與環境比方面參差不齊，還有很大提升空間。

3.2 駕駛員感應照度與反饋行駛速度適應模型

3.2.1 耦合協調度模型

耦合協調度是指不同度量系統之間各組因素在可持續發展過程中的相互影響作用，可反映車輛以不同速度行駛過程中駕駛員感受到的照明強度的適應性程度。耦合協調度模型用于分析事物的協調發展水平，其中耦合度C、協調指數T、耦合協調度D的計算公式見式(3)～(5)，根據D值和協調等級劃分標準(見表4)得出耦合協調程度。

(3)

T=0.5(A+v)

(4)

(5)

式中：v為速度水平指數；A為駕駛員感受到的照度水平指數。

表4 耦合協調度等級劃分標準

文中選取的指標在數量和單位上差異較大，需通過式(6)將具有實際含義的數據轉變成只有指示意義而沒有實際含義的無量綱值。

(6)

式中：Nij為指標歸一化值；xij為各指標變量值。

將實測數據帶入耦合協調度模型進行計算，得：車速為80～100 km/h時，耦合協調程度最好，為初級協調；車速在60 km/h及以下和100～110 km/h時，為勉強協調(見表5、圖9)。夜間駕車駕駛員視覺的光環境獲取主要來自道路照明，依靠車行道兩側燈光照明獲取道路信息和周圍車輛信息，從而作出判斷和決策。內環快速路兩側燈具缺乏維護、被樹木遮擋、路燈散射的光纖與疊加不均，駕駛員獲取的照明均勻度較低，直接影響駕駛員的視覺負荷，因而該路段的總體耦合協調程度較低。

表5 不同速度下駕駛室內照度值耦合協調度計算結果

圖9 不同速度下耦合度與協調指數的變化

3.2.2 熵權TOPSIS模型

熵權TOPSIS法將評價指標問題列成矩陣，通過矩陣歸一化確定最理想狀態方案解和最差狀態方案解，計算并對比每個被評價對象與這2個解之間的距離，得出最優對象解，最優選擇對象的特征與最理想方案解最近。步驟如下：

(1) 構建評價矩陣。假設有m個需要評價的情形，評價指標為n個，第i種情形下第j個指標值為xij，則初始矩陣X為：

(7)

(2) 按式(8)進行數據歸一化，得到規范化矩陣R[見式(9)]。

(8)

(9)

(3) 確定指標權重。運用熵的原理確定指標權重，可較好地避免主觀因素的影響。各指標的決策信息熵值E按式(10)計算，第j個指標的差異度Dj、權重因子Wj分別按式(11)、式(12)計算。

(10)

Dj=1-Ej(j=1,2,…,n)

(11)

(12)

(4) 構建加權判斷矩陣。將各指標的權重因子Wj引入規范化矩陣R，構建加權判斷矩陣V：

(13)

(5) 分別按式(14)、式(15)計算正、負理想解。

(minvij|j∈I)}

(14)

(maxvij|j∈I)}

(15)

(6) 按式(16)、式(17)計算歐式距離。

(16)

(17)

(7) 按式(18)計算TOPSIS評價值，對評價指標大小進行排序。

(18)

通過對測量數據進行熵權TOPSIS模型計算，根據評價指標的正、負理想解A+和A-(見表6)，計算出評價對象與正、負理想解的距離值D+和D-，得到評價指標的排序(見表7)。

表6 TOPSIS評價正、負理想解

表7 TOPSIS評價計算結果

由表7可知：車速為80～100 km/h時，駕駛員感應照度與反饋行駛速度的耦合協調程度最好，其次為車速為100～110 km/h時。與耦合度協調模型計算結果一致。

4 結論和建議

(1) 城市快速路照明光環境的直接影響因素包括照明燈具類型、光源顏色和亮度等，間接影響因素包括指路交通標志、誘導標志、道路橫向寬度和車輛特征等。采用實車試驗方法采集車輛運行速度與駕駛員室內感知照明程度數據進行分析，得到速度60 km/h及以下和100～110 km/h對應的駕駛室內照度值波動較大，速度為80 km/h左右時道路照明體驗感最佳。速度超過該路段的v85時，車速越高，要求的照明值也越高。

(2) 選取耦合協調度模型和熵權TOPSIS模型構建駕駛員感應照度與反饋行駛速度適應模型，模型計算結果如下：車速為80～100 km/h時耦合協調程度最好，為初級協調；車速在60 km/h及以下和100～110 km/h時，為勉強協調。該路段的總體耦合協調程度較低。

(3) 內環快速路的行車速度較高，包含匝道處，燈具設置需按高標準照度設計。要從道路照明電氣節能目標出發，充分結合道路特點和照明要求選擇合理的燈具，建議選取雙光源燈具，在不影響照明均勻度的情況下，可選擇在車輛稀少時關閉一個光源，以降低能源消耗。同時路管公司加強對燈具的維護和行道樹的修剪。