低安装高度灯具道路照明质量综合评价体系

2011-08-08初醒悟

照明工程学报 2011年5期

初醒悟

(上海广茂达光艺科技股份有限公司，上海 200233)

1 引言

以往，在某些大型立交桥的匝道照明和城市景观桥梁照明工程中，人们曾尝试以侧壁灯代替传统的立杆式道路照明的路灯。如上海浦东机场立交匝道 (高压钠灯)、苏州官渎里立交桥 (高压钠灯)、无锡蓉湖大桥 (金卤灯)、昆山玉峰大桥 (荧光灯)等。这种照明方式，在降低安装及维护成本、提升视觉感受等方面，收到了很好的预期效果。

但是，这种照明方式也有一系列的问题有待解决。最突出的问题是眩光的控制，特别是以高压钠灯和金卤灯作为光源的侧壁灯。还有就是这种照明方式很难满足总体均匀度、纵向均匀度等道路照明设计标准。

近年，LED作为高效、低耗的新兴光源发展十分迅猛。诸多路灯厂家纷纷进行LED取代高压钠灯方面的研究和探索。而LED也可以作为侧壁灯的光源用于道路照明，并很好地解决以上问题。

本文的目的是探求一种适合于低高度道路照明质量的综合评价体系。

2 道路照明的目的

驾驶员的行车行为是一个复杂的人—机交互过程，在这个过程中驾驶员必须连续地采集大量信息:方位、线型、路况、周围车辆、环境和行人等，并且需要对这些庞大的信息进行快速处理，及时做出正确判断和采取措施。为了对行车时信息作出快速筛选、判断和操作，应提高道路照明质量，尤其是减少光幕亮度，即减小失能眩光对道路照明安全的影响程度，保证交通安全［4］。

道路照明的目的，主要是夜间为机动车驾驶员提供良好的视觉条件。包括及时察觉路面障碍物的存在，了解障碍物的形体轮廓极其移动情况或趋势，随时掌握道路极其设施的情况，以及在驾驶过程中保持一定的舒适感［1］。

驾驶员辨别路面的物体 (或障碍)是靠物体与路面亮度的差异来完成的。当物体亮度高于路面亮度时是正对比;当物体亮度低于路面亮度时是负对比。在道路照明中主要使用的是负对比［1］。

3 低高度道路照明质量综合评价体系

《城市道路照明设计的标准》对道路照明质量的要求主要包括:视功能方面的评价指标，包括路面平均亮度Lav(或路面平均照度Eav)、路面亮度总均匀度U0(或路面照度总均匀度E0)、阈值增量TI等。视舒适方面的评价指标，包括路面亮度纵向均匀度UL、眩光值等。其他指标还包括像环境比SR、视觉诱导性、照明功率密度等。

3.1 路面平均亮度的测量及计算公式

测量方式:观测点位于距离右侧路缘石边缘1/4路宽处，纵向位置距测量区域边界60米，观测点高度1.5米。以静态路面亮度近似地代替动态路面亮度 (见图1)。

注意:因为透视面积相等的测点布置，在实际的路面上距离并不相等。近处的测点多，远处的测点少，如图所示。应先行根据亮度计里的测量区域梯形视场，用目标小、深色不反光，但可容易在亮度计镜头中发现的材料，做好测点标记 (见图2)。

路面平均亮度按下式计算:

式中 Lav——路面平均亮度 (cd/m2);

n——测量点数;

Li——在第i个测点上测得的亮度值。

路面平均亮度Lav也可用专用的成像亮度计直接测得。

3.2 路面亮度纵向均匀度的测量及计算公式

测量方式:观测点位于每条车道的中心线上，纵向位置距测量区域边界60米，观测点高度1.5米，对该车道中心线上的测点进行亮度测量，至少测5个不重叠的测点。然后分别找出最小值和最大值，纵向均匀度按下式计算:

图1 路面平均亮度测量平面图

图2 路面平均亮度测点布置示意图

求出每条车道的UL后，再对它们进行比较，找出其中最小者，即为整个路面的亮度纵向均匀度(见图3)。

图3 路面亮度纵向均匀度测量方式示意图

3.3 路面平均照度的测量及计算公式

测量方式:照度计探头水平置于路面各个测点上，分别读数并记录。

测点网格 (见图4):

图4 路面平均照度测点网格示意图 (中心法布点)

中心法布点平均照度计算公式:

式中 Eav——平均照度 (lx);

M——道路路段纵方向上划分的网格数;

N——道路路段横方向上划分的网格数;

Ei——在第i个测点上测得的照度值 (lx)。

3.4 阈值增量TI的计算公式

阈值增量是失能眩光的度量。表示为存在眩光源时，为了达到同样看清物体的目的，在物体及其背景之间的亮度对比所需要增加的百分比。［2］

阈值增量是将平均路面亮度作为背景亮度。当背景亮度范围为0.05cd/m2＜Lb＜5cd/m2时，TI的计算公式近似为［1］:

式中 TI——阈值增量 (%);

Lv——等效光幕亮度 (cd/m2)，假定观察者总是以与水平线成1°角注视与路轴平行的正前方 (即一直注视其前方90米路面上的一点);

Lav——路面平均亮度 (cd/m2)。

由上述公式，算得的TI与 Lv及 Lav之间的关系表如表1。

很明显，当路面平均亮度Lav为定值时，TI与Lv成正比。即，Lv越大，TI也就越大。将以上数据化成图5时，可以清晰地看出这一点。

高等级道路路面平均亮度 Lav通常是1.0～2.0cd/m2，而阈值增量TI要求在10%以下，所以Lav为 1.0cd/m2时，等效光幕亮度 Lv不应大于0.15cd/m2。Lav为1.5cd/m2时，等效光幕亮度Lv不应大于0.20cd/m2。Lav为2.0cd/m2时，等效光幕亮度 Lv不应大于0.25cd/m2。

表1 阈值增量TI与Lv及L av之间的关系表 %

图5 阈值增量与Lv及Lav之间的关系图

等效光幕亮度Lv的计算公式:

式中 EVi—— 第 i盏灯具在观察者眼中的垂直照度(lx);

θi——第i盏灯具发光中心与观察者视线之间的夹角(度)。(1.5°＜ θ＜ 60°)

Lv——对所有与视看目标夹角成1.5度～60度的灯具的10Eeye/θ2求和，在灯具排布，即所有角度 θ一定的情形下，Eeye越小越好。

低高度道路照明的眩光评价会遇到一个新问题:那就是并不像常规路灯那样因为车顶遮挡而只能看见与视线成20°角以内的远处灯具亮点，而是能看见与视线左右各成90°的180°内的所有亮点。这就使得驾驶员在试图通过反光镜观察后部车辆状况时产生较大眩光。因为此时视看目标是车辆的反光镜，它与眩光源间的夹角θ很小，这导致等效光幕亮度Lv非常之大。而此时的背景亮度Lb一般都小于路面平均亮度Lav，于是眩光会比较严重。这也是低高度道路照明问题的关键之所在。

所以，必须设法将灯具在人眼高度上的垂直照度降至最低，才能有效地控制低高度道路照明灯具的眩光 (见图6)。

图6 低高度道路照明情形下驾驶员的视线示意图

阈值增量TI也可用专用的成像亮度计直接测得。

3.5 低高度道路照明质量综合评价指标

采用主、客观综合评分的评价方法。评分表如表2。

附注:

(1)以上技术指标主要参照我国 CJJ45—2006《城市道路照明设计标准》表3.3.1，机动车交通道路照明标准值中的I级道路，即快速路与主干路中的低档值。

(2)灯具应为截光型灯具。

(3)维护系数取0.7。(参考 CJJ45－2006中附录B。要求灯具防护等级＞IP54)

路面平均亮度 Lav初装值最佳为:1.5/0.7=2.14 cd/m2。

路面平均照度Eav初装值最佳为:20/0.7=28.6 lx。

表2 低高度道路照明质量综合评价表

3.6 综合评价指数计算

低高度道路照明质量综合评价指数 (Overall Evaluation Number)按下式计算确定:

其中，C1～C9为根据各分项重要性所定义的权重系数。

权重系数取值建议:C1=3.0;C2=1.0;C3=2.0;C4=3.0;C5=1.0;C6=－3.0;C7=－2.0;C8=3.0;C9=0.5。

前三项亮度评价指标和第四、五项照度评价指标，二者取其一即可。当有条件测量亮度指标时，优先以亮度指标做评价。不做评价时，相应系数取零。

高速公路等无人行道情形，SR不做要求。C9=0.0。

3.7 眩光主观评价值GSEV调查及打分方式

调查对象:人数不少于10人，男女各半，年龄20～50岁。身体健康，视力正常，身高1.6～1.8米，职业以司机为佳。

调查方式:60米之外正常驾驶机动车或60米之外站立静态。

调查卡片式样如下:

编号□ 性别□ 年龄□ 职业□ 驾龄□身高□ 视力□ 健康状况□

表3 眩光主观评价表

4 闪烁频率对视觉舒适度的影响

不同于常规路灯30米左右的灯杆间隔，低高度道路照明灯具间隔通常很近。这就会产生一个新问题:由于同一高度、亮度相近的成排灯具亮点依次进入人的眼睛，某些不适合的灯具间距，会造成令人不舒适的频闪效应。特别是当驾驶员试图观察反光镜时，频闪效应更为明显。

每秒钟出现在人眼中光点的数量，即是闪烁频率f，单位为赫兹 (Hz)。它主要取决于两个因素:灯具间距S(spacing，单位为米)和行车速度V(velocity，单位为米/秒)。三者之间的关系是:f=V/S。

那么，人眼感受的临界闪烁频率是多少呢?物理学中，闪烁的光在主观上引起的感觉介于闪烁和稳定之间时的频率叫做临界闪烁频率 (critical flickcr frequency)，或临界融合频率 (critical fusion frequency)，简写为CFF。发光体的特性 (强度、波长、大小、位置及背景等)对临界闪烁频率有影响。观察者的特点，以及更为复杂的生理和心理因素对临界闪烁频率也起作用。此外，观察者瞳孔的大小、年龄、药物与酒精的作用、疲劳等等对临界闪烁频率都有影响。

研究表明，当闪烁频率由低上升到1Hz左右时，人眼开始不适应。当闪烁频率达到10Hz时，人眼感觉最不舒服。目前还不能解释为什么人眼对10Hz的闪烁特别敏感。有人试图用人的脑电图节律有类似的频率来解释，但这一理论目前还没有被公认。闪烁频率继续升高，当其超过46Hz时，人眼就基本感觉不到闪烁了。

以高速公路为例，我国《道路交通安全法实施条例》第七十八条规定:高速公路应当标明车道的行驶速度，最高车速不得超过每小时120公里，最低车速不得低于每小时60公里。亦即Vmax=33.3米/秒;Vmin=16.7 米/秒。

对应闪烁频率f=10Hz，当灯具布置间距S在1.67米～3.33米间时，人眼感觉最不舒服。若考虑避开5～20Hz的闪烁频率，则应避免灯具布置间距S在0.83米～6.66米间。更严格地避开2.5～40Hz的闪烁频率，则应避免灯具布置间距S在0.42米～13.32米间。

JTJ 026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》4.2.2中规定，灯具布置应满足闪烁频率低于2.5Hz或高于15Hz。