市政立交橋高桿照明燈具失能眩光評價指標研究

摘 要：失能眩光會影響駕駛人員的視覺感受，造成判斷錯誤，進而導致交通安全事故。為了預防該問題，本文以市政立交橋常用的高桿照明燈具為分析對象，結合現有的眩光理論，探究高桿照明燈具失能眩光的評價指標，包括閾值增量和眩光值，同時介紹了2個指標的理論計算方法，可為該場景下的失能眩光評價提供一定參考。

關鍵詞：立交橋高桿照明燈具；失能眩光；評價指標

中圖分類號：TU 113" " 文獻標志碼：A

高桿照明具有光照半徑大、單位面積內燈具需求量少等優點，是立交橋照明設施的常用設計方案。失能眩光是照明燈具在應用過程中可能出現的不利因素，為了應對該問題，應結合立交橋的實際場景，建立相應的評價指標，在理論層面對其進行預防。

1 立交橋高桿照明分析

高桿照明燈具的照明半徑通常可達數百米，能夠覆蓋較大的照明范圍，減少立交橋上照明燈具的數量，同時能提供較高的照度，是立交橋照明燈具的主要選擇。高桿照明的特點如下。

1.1 高桿照明的分類

根據燈桿的高度，可將高桿照明分為2類，包括半高桿和高桿2種，前者的燈桿高度通常為16m～18m，主要應用于中小型立交橋，其照射半徑相對較小，燈具的照明功率多為400W以內。將燈桿高度記為H，高桿照明是指20m≤H≤45m的照明燈具，一般情況下不超過45m，其應用場景包括大型立交橋、大型交通路口等，燈具的照明功率多為400W～2000W。

1.2 投光特點分析

高桿照明燈具常見的投光方式包括3種，分別為單側方向投光、半圓周形投光和圓周形投光。單側方向投光具有明確的指向性，光束較集中。半圓周形投光的照射范圍呈扇形或半圓周形。圓周形投光以燈具為幾何中心，均勻地向四周投射光線。

1.3 照明計算方法

選擇立交橋的照明燈具時，應以理論計算的結果為依據，保證照度滿足要求，同時具有節能性。將立交橋道路的平均照度記為Eav，則該指標的計算方法如公式（1）所示。

（1）

式中：N為路燈的排列方式，如果路燈在道路兩側相對排列，則N的取值為2.0，如果路燈在道路一側或者在兩側交錯布置，則N的取值為1.0[1]；φ為光源的總光通量；U為光源的利用系數，由燈具制造廠家提供；K為燈具的維護系數，根據《城市道路照明設計標準》（CJJ45—2006），參數K的取值方法見表1；S為路燈燈桿的間距；W為道路的寬度。

2 關于眩光的基本理論

2.1 高桿照明的眩光問題描述

眩光是一種不利的交通因素。駕駛員受眩光影響，可能會出現視覺誤判，進而發生交通事故。眩光在本質上是一種視覺感受，其形成原因包括2種，其一是照明光線不穩定，變化幅度較大[2]；其二是光線在路面上分布不均勻。根據現有研究成果，眩光的產生與光線對人眼的入射角度存在密切聯系，具體見表2。

2.2 眩光的分類標準

根據眩光對人體視覺感受的影響，可將眩光分為3種類型。第一種為不舒適眩光，其危害相對較低，對視覺的干擾性較小。第二種為失能眩光，其原理是眩光源發射光線，在人的視網膜上形成影像，干擾人對目標物的判斷，常見的問題是產生影像重疊。第三種眩光為目盲眩光，可導致暫時性失明，甚至永久性失明。在立交橋的交通管理中，重點控制對象是失能眩光。

3 高桿照明燈具失能眩光評價指標

3.1 眩光評價方法及指標

3.1.1 視覺舒適概率評價法

視覺舒適概率（Visual Comfort Probability，VCP）是評價不舒適眩光的重要指標。當VCPgt;70時，即認為產生了不舒適眩光，具體評價方法包括3個步驟。第一步是評價單個光源造成的不舒適度，其影響因素包括該光源的位置、表面積、亮度及其在視野內產生的平均亮度；第二步是評價多個光源共同作用時對視覺產生的不舒適感；第三步是確定視覺舒適程度，其決定性因素是觀察者對不舒適眩光的接受程度。

3.1.2 亮度限制曲線評價法

亮度限制曲線評價方法基于人的視覺試驗。在具體實施過程中，該方法需要搭建專門的眩光試驗環境，由觀察者對眩光的感受做出評價，形成量化的評價數值，再將其繪制成曲線，對眩光進行限制。

3.2 失能眩光評價指標

3.2.1 閾值增量

閾值增量（Threshold Increment，TI）用于度量失能眩光。當環境中存在眩光源時，為了能夠看清楚物體，需要在環境背景或物體所在的位置增加亮度，將所增加亮度的百分比稱為閾值增量[3]。

3.2.2 眩光值

國際照明委員會提出了一種眩光評價指標，稱為統一眩光值（Unified Glare Rating，UGR），用于度量室內視覺環境中照明裝置發出的光對人眼引起的不舒適感。但該指標主要應用于室內環境，不能滿足立交橋的眩光環境。針對室外環境，該委員會提出了眩光值評價指標，其含義為燈具產生的亮度/照射場地的亮度，國內的技術標準吸收了這一理念，具體可參考《建筑照明設計標準》（GB50034—2013）。

3.3 失能眩光評價指標的計算方法

3.3.1 閾值增量的計算方法

3.3.1.1 計算等效光幕亮度

等效光幕亮度與雜散光密切相關，當雜散光作用于人的視網膜時，會導致視網膜上圖像的對比度下降，進而影響視覺效果。該參數的計算方法如公式（2）所示。

（2）

式中：K'為一個常數；Lv為等效光幕亮度值；Egl為眩光源對觀察者眼睛視線平面所產生的照度；θ為視線與光源發出的光線所形成的夾角，且1.5°lt;θlt;60°，轉化為弧度時，有0.025lt;θlt;1。

實際照明場景中可能存在多個光源，此時應計算出各光源相互疊加所形成的等效光幕亮度，計算方法如公式（3）所示。

Lv，total=∑Lvi （3）

式中：Lvi是第i個光源的等效光幕亮度值[4]。

在立交橋高桿照明燈具失能眩光評價中，需要注意以下幾點。1）計算參數Lv時，將觀察點設置在靠近道路右側1/4寬度處，以模擬駕駛員的位置。2）為了排除地面低矮光源對眩光源相關計算的影響，計算時可假定汽車頂部遮光屏與駕駛員的視線為20°。3）改變觀察者的位置，計算其在各位置上的Lv值，在TI值的計算中，取其中最大的Lv。

3.3.1.2 計算閾值增量

TI的計算方法與等效光幕亮度、道路平均路面亮度密切相關，其計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：Lav為路面的平均亮度值；Lv，total為所有相關光源的等效光幕亮度，并且有Lv，total=ΣLvi。

3.3.2 TI值相關參數的計算方法

在TI的計算過程中，需要嚴格控制各相關參數的計算精度。根據觀察者的身高和所在的位置確定其眼睛的坐標值，記為（X0，Y0，Z0），再確定燈具的位置，記為（XL，YL，ZL），由此計算出觀察者和燈具的相對距離。Egl是TI計算時的重要參數，其計算方法如公式（5）所示。

（5）

式中：I表示燈具的發光強度，其決定因素為C和γ，這2個參數用于確定燈具在特定方向上的發光強度；LO表示觀察者的研究與燈具的直線距離。

可根據LO坐標值計算出該參數的取值。其中，參數C=arctan[（Y0-YL）/（XL-X0）]，參數γ的計算方法如公式（6）所示。

（6）

計算參數LO時，由于人眼和燈具的實際坐標為已知量，因此可得LO2=（XL-X0）2+（YL-Y0）2+（ZL-Z0）2，對等式右邊開平方即可求出LO[5]。關于參數θ，其計算方法為θ=arccos[（P+Q-R）/2（P×Q）1/2]，并且有P=（XL-X0）2+（YL-Y0）2+（ZL-Z0）2，Q=（Z0）2/（sin1°）2，R=（XL-X0-1.5/tan1°）2+（YL-Y0）2+（ZL）2。燈具的遮光屏可用于調節光線的角度，將遮光屏的角度記為S，則S=arctan|（ZL-Z0）/（XL-X0）|。

3.3.3 眩光值的計算方法

3.3.3.1 眩光值與眩光控制標志

眩光值用于表征人對眩光的視覺感受，該指標越小，人的可接受程度就越高。眩光值與眩光控制標志（GF）間存在明確的數學關系，具體可表示為GR=（10-GF）×10，GR的計算結果與人的忍受程度的對應關系見表3。

3.3.3.2 眩光值的適用范圍分析

使用眩光值這一指標時，應根據現實生活中的場景，明確其適用范圍。立交橋為交通設施，車輛行駛速度較快，人眼和高桿照明燈具間的位置不斷變化，因此GR值的使用應滿足以下條件。1）觀察者的觀看方向不固定，處于變化狀態。2）光源的布置方式對眩光值的影響較低，可支持光源的非線性布置方式。3）燈具的安裝高度和照明水平都較高。

3.3.3.3 眩光值的計算方法

眩光值的計算方法與等效光幕亮度有直接關系，其計算過程如公式（7）所示。

GR=27+24lg[Lv1/（Lve）0.9] （7）

式中：Lv1為高桿照明燈具的光線射入人眼時產生的等效光幕亮度；Lve為光線受環境的反射作用，射入人眼之后，產生的等效光幕亮度。

根據國內計算規范，Lve=0.035Lav=Ehorav·ρ/（πΩ0）。其中Lav表示可觀察的水平照射場地的平均亮度；Ehorav表示照射場地的平均水平照度；ρ為漫反射作用中區域的反射比；Ω0為1個單位立體角。參數Lv1的計算過程如公式（8）所示。

（8）

式中：Eeyei表示第i個光源在觀察者眼睛上的照度，并且要求該照度分布在與視線相垂直的平面上；n表示光源的總數量；θi表示觀察者視線與第i個光源的入射光線的夾角，要求θi的取值為1.5°～60°。

將特定環境內的等效光幕亮度記為Lve，假設該照射區域內存在若干個點光源，通過公式（8）可求出每個點光源的等效光幕亮度，再對點光源的等效光幕亮度進行求和，即可獲得Lve。在實際應用中，可采取一種簡化的計算方法，即Lve=0.035Lav，Lav=ρ·Ehav·π-1，其中將區域漫反射的反射比記為ρ，水平區域的平均照度為Ehav。

3.3.3.4 眩光值的仿真計算方法

由于眩光值的計算對各參數的精度要求較高，在工程實踐中常利用計算機對其進行仿真計算，以減少人工計算方法的誤差。在仿真計算中，可將照明空間劃分成網格，計算機通過網格計算觀察者與高桿照明燈具間的距離。網格應盡可能采用正方形，如果正方形不能滿足要求，也可采用矩形，如果為后者，矩形的長寬比應控制在0.5～2.0。網格單元的最大尺寸可按照公式（9）進行計算。

p=0.2·5logd （9）

式中：d為仿真區域的長邊尺寸；p為網格的單元尺寸。

在仿真計算中，每個網格可代表一個觀察者的位置，由此能夠系統地計算出每一個觀察點上的眩光值。

4 典型立交橋高桿照明燈具失能眩光計算機模擬

4.1 立交橋及高桿燈具概況

某立交橋及其高桿照明燈具設計方案如圖1所示，共包括11個高桿照明燈具，其高度分為3種規格，分別為40m、30m和25m。3種燈具均采用鈉燈光源，照明功率分別為1000W、400W、400W，所有燈具的仰角均設置為60°。

4.2 失能眩光計算機模擬

4.2.1 眩光值計算機模擬計算

眩光值的計算結果與觀察者所在位置密切相關。在計算機模擬中，根據該立交橋的特點，選取5個典型觀測點，再運用DIALux軟件模擬計算不同觀測點的眩光值。不同觀測條件下GR值的最小值和最大值見表4，根據表3可確定對應的視覺感受。

4.2.2 閾值增量計算機模擬計算

在TI值的計算中，觀察者和燈具中心的坐標點是關鍵參數。主線、跨線、橋區入口、左轉匝道和右線匝道觀察者具有不同的位置坐標，以主線觀察者為例，其坐標為（5.000，

-210.000，5.500）。高桿燈具的數量為12個，以燈具1為例，其坐標為（90.00，90.00，40.00）。根據TI值的計算原理，分別計算出參數C、γ、θ和Egl等參數。將主線觀察者作為TI計算的示例，12個燈具的Lv計算結果分別為0.029、0.034、0.007、0.036、0.409、0.004、0.002、2.295、0.001、0.001，由此可計算出LV，total=2.818。利用模擬軟件計算出Lav=8.16cd/m2，則該觀察者對應的TI=65×2.818÷8.160.8=32.7%。

5 評價指標的局限性分析

TI值的計算適用于規則排列的燈具，如果燈具分布不規則，難以保證結果的可靠性。立交橋通的設計方案具有多樣化特點，既有規則的路段，也存在不規則的路段，如果是結構復雜的立交橋，其高桿照明燈具的排列方式往往具有不規則性，會制約閾值增量評價指標的應用效果。眩光值原本的應用場景是較大的運動場或者區域，立交橋基本能夠滿足其使用要求，但車輛行駛速度較快，當時速超過60km時，駕駛員的快速移動是否會影響評價指標的應用，這一問題尚未明確，還需要做進一步研究。

6 結語

在市政立交橋高桿照明燈具失能眩光評價過程中，可借鑒已有的評價指標，包括閾值增量TI和眩光值GR，通過理論計算和計算機仿真計算等方法，求出評價指標的具體數值，再根據分級標準判斷高桿燈具是否會引起失能眩光和可能發生失能眩光的位置。

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