旋轉角對道路交通逆反射材料光度性能影響分析

◎任冠群 陳鄲達 王文成

本文從交通標志反光膜的結構、逆反射原理入手，通過對各顏色反光膜的多旋轉角測試，用極坐標繪制個色反光膜的逆反射系數隨旋轉角的變化，并計算相對誤差，以此模型來表征反光膜的旋轉均勻性。

一、緒論

1.研究背景。

2021年是新中國成立72周年。72年來，我國交通事業跨越式發展，人民出行方式顛覆式改變。特別是公路交通，總里程從建國初的8.08萬公里增長至521.65萬公里，增長了60倍；高速公路從“零”增長至15萬公里通車里程、系統規模均居世界第一；農村公路總里程超過404萬公里，其中，100多萬公里的公路是最近10年終修建的。根據《道路交通反光膜》（GB/T 18833-2012）有關規定，交通標志大范圍采用Ⅴ、Ⅵ類反光膜推薦使用年限一般為10年[2]，這就意味著未來十年（2020-2030年）我國100多萬km道路的交通標志需要養護或更換，如果加上前期已修建的但未得到及時更換和養護的公路里程，這個數字將會更加龐大。這將給道路管理和養護部門帶來巨大的人力和物力消耗。

2.研究目的和意義。

旋轉角是從逆反射體軸上的觀察點逆時針測量，在垂直于逆反射體軸的平面上，從觀測軸與逆反射軸形成的半平面到基準軸的夾角，-180°＜ε≤180°。

道路交通反光膜是制作道路交通標志牌的重要材料，對該材料的光特性研究保證其使用效果的重要手段，對于反光膜逆反射系數衰減的預測是指導道路交通標志板養護盒更換的基礎，我國現使用的技術規范GB/T18833-2012只規定了在0°的旋轉角下逆反系數的最低值，其他旋轉角下逆反射系數也缺少相關要求，基于上述問題，本論文主要的研究目的在于：得出不同旋轉角下反光膜逆反射系數衰變，采用極坐標繪制旋轉角與逆反射系數之間的關系，以此來表征反光膜的逆反射角度均勻性，對標志板面的粘貼也起到了一定指示作用。

3.研究現狀。

我國的逆反射基礎研究相對薄弱，產品的規范以及測試方法主要參照西方國家。道路交通行業使用的產品檢測標準當中，我國直到2012年才將旋轉角考慮在內。

道路交通標志所采用的的微棱鏡型結構的反光膜，在各個測試方向，即不同旋轉角ε下，其光度性能可能存在極大的差異。這種差異在標志板粘貼反光膜時，由于粘貼方向的隨意性，導致交通標志的實際逆反射效果較差，管養時的測試數據離散性也很大，使用過程中缺乏可靠性。

現階段在反光膜的生產制備過程中，生產廠商會在樣品上做基準標記（沿基準軸方向用箭頭標注），表示此方向為此方光膜的最大逆反射系數方向，使用安裝或測試過程中需按照此方向進行，否則效果會大打折扣，但在實際操作過程中，受到施工人員、專業技術人員的水平限制，很難完全按照此方向進行施工，目前國內較少有研究各旋轉角對反光膜逆反射系數的具體影響，故本文在研究Ⅳ類反光膜逆反射系數衰減規律之余，同時采集各旋轉角下逆反射系數的分布，沿不同的旋轉角測試出的逆反射系數數值差異不大，表明該反光膜基本各向同性，制作交通標志時可不用考慮方向性。但如沿不同的旋轉角測試出的逆反射系數數值差異很大，則表明該反光膜各向異性，使用該反光膜制作交通標志時，應根據其標志的類型和設置位置來考慮反光膜的粘貼方向。

4.研究方法。

采用美國RoadVista932便攜式逆反射系數測量儀，模擬自然環境，對美國3M各顏色反光膜進行人工加速老化，對逆反射系數進行跟蹤觀測，利用觀測數據進行綜合分析逆反射系數衰減曲線，再于同一時期，對不同顏色反光膜樣品進行旋轉角變化檢測，得出旋轉角與逆反射系數的對應關系。主要研究方法如下：

a.每隔5°對反光膜逆反射系數進行測量；

b.0-360°范圍內，測量結果用二維極坐標進行表征；

c.計算絕對誤差與相對誤差。

二、道路交通標志逆反射材料概述

1.道路交通標志反光材料分類。

根據我國標準GB/T18833-2012，《道路交通反光膜》，反光膜按照其光度性結構和用途，分為7種類型。

a.I類，通常為透鏡埋入式玻璃珠型結構，稱工程級反光膜，使用壽命一般為7年，可用于永久性交通標志和作業區設施。

b.II類，通常為透鏡埋入式玻璃珠型結構，稱超工程級反光膜，使用壽命一般為10年，可用于耐久性交通標志惡化作業區設施。

c.III類，通常的密封膠囊式玻璃珠型結構，稱高強級反光膜，使用壽命一般為10年，可用于永久性交通標志和作業區設施。

d.IV類，通常為微棱鏡結構，稱超強級反光膜，使用壽命一般為10年，可用于永久性交通標志、作業區設施和輪廓標。

e.V類，通常為微棱鏡結構，稱大角度反光膜，使用壽命一般為10年，可用于永久性交通標志、作業區設施和輪廓標。

f.VI類，通常為微棱鏡結構，有金屬鍍層，使用壽命一般為3年，可用于輪廓標和交通柱，無金屬鍍層時也可用于作業區設施和字符較少的交通標志。

g.VII類，通常為微棱鏡結構，柔性材質、使用壽命一般為3年，可用于臨時性交通標志和作業區設施[2]。

2.逆反射原理。

逆反射是指光線沿著與入射光方向的鄰近方向反射，當照射角在很大范圍內變動時仍能保持這一特性。逆反射按其反射單元結構可分為兩大類。一類是玻璃珠型逆反射。當一束入射光水平入射玻璃珠制成的逆反射材料后，經過系列折射與反射得到一束與入射光平行的反射光，而由于所用玻璃珠粒徑很小，所以反射光束的光軸和入射光束的光軸幾乎重合，也就是反射光線向光源方向返回。另一類是微棱鏡型逆反射，入射光投射到透明的立方體或三棱體上，每一個棱鏡逆反射單元具有三個相互垂直的反射面，入射光線經由三個反射表面折射和反射后，出射光按入射光方向平行的返回所示[4]。

三、旋轉角對道路交通逆反射材料測試的影響

1.各旋轉角下逆反射系數試驗方法。

（1）試驗設備。

a.RoadVista932便攜式逆反射系數測量儀。

b.2.0-360°角度尺。

2.幾何角度。

測試采取0.2°觀測角，-4°入射角，以基準標記為軸，順時針旋轉每15°測試一組數據。

3.數據處理。

將個各顏色反光膜測試結果繪制于極坐標軸上，得出各顏色反光膜特征圖形，圖形越接近于圓，說明該反光膜旋轉均勻性更好，圖形越有凹凸，說明該種反光膜旋轉均勻性不好，在進行標志施工時要注意粘貼的方向性。

其中：

Rmax為檢測的最大值，Rmin為檢測的最小值；

2.不同旋轉角下逆反射系數分布。

選取高速公路上使用量最大的Ⅳ類微棱鏡型白、綠、黃、紅、藍色反光膜，生產廠家為美國3M公司。

表1是以15°為間隔，各顏色反光膜逆反射系數測量數據。

?

在極坐標下繪制逆反射系數隨旋轉角變化曲線如圖1所示。

圖1 不同旋轉角下逆反射系數變化圖

3.相對誤差分析。

從以上數據分析，微棱鏡型反光膜在0°和180°時逆反射系數較高，在45°、135°、225°、315°時逆反射系數較低，分別計算各顏色反光膜的絕對誤差，見表2。

白色：

紅色：

綠色：

藍色：

黃色：

?

從測試結果和分析可知，旋轉角ε對微棱鏡型逆反射材料的影響非常顯著，由此產生的誤差在41%-80%之間，所以，在標志的支座過程中，要尤其注意反光膜文字的剪裁，粘貼的角度，不適當的角度會對標志的視認帶來極不利的影響，給交通安全設施管養帶來麻煩的同時，也嚴重影響道路行車安全。

四、結論與展望

1.主要研究成果。

目前國內較少學者研究旋轉角對逆反射材料逆反系數的具體影響，本研究做了初步試探，得出了微棱鏡型反光膜各旋轉角與逆反射系數模型關系，通過分析得出的結論與實際情況一致，給標志安裝與質量檢測提供了理論借鑒，并對后續新逆反材料的研發提供參考。

2.需進一步解決的問題。

受到作者學術水平及研究條件的限制，本文的研究尚有一些有待加深的空間：

（1）反光材料的廠家、型號眾多，本文只選取了使用量最為普及的一類型進行研究，并且得出的結論需要在實際環境中驗證，在有條件的情況下，需要對其他品類的反光膜也進行試驗，增大數據的采集量，從更加嚴謹的角度出發，增加研究的可靠性。

（2）逆反射系數的衰減實際上受到使用時間、光照、海拔、溫度、濕度等多種因素的影響，單一情況的模擬只適用于特定地區，為增加普適性，應在全國地區開展相關調差研究。

五、展望

目前微棱鏡型逆反射材料的核心技術還掌握在美國3M、日本恩希愛等少數國外企業手中，受制于基礎科學的發展，我國的光學材料甚至是光學設備都嚴重依賴進口，國內幾個大的光學儀器廠家也僅僅處在購買、模仿階段，幾年前，國家和行業的規范也只是處在翻譯國外規范的狀態。我國汽車市場活躍，交通壓力逐年增加，安全問題日益凸顯，在國家強盛的這條道路上，需要更多的人來投入到工業發展的短板上，以前仆后繼之勢將前路點綴得熠熠生輝。