城市桥梁防眩屏设计

詹明媚 王 敏

(福建师范大学物理与光电信息科技学院，福建福州 350007)

1 引言

在日新月异的社会发展中，随着经济的发展、人民生活水平的提高，汽车行业也不断的飞跃发展。汽车为人们出行提供了便捷的服务，使人们的生活方式有了巨大的改变。人们在享受汽车带给我们的便捷和改变的同时，也因为各种各样的交通事故，付出了惨痛的代价。夜间车辆在大桥上会车时，由于眩光而造成交通事故就是代价之一。

资料显示，50%左右的交通事故发生在夜间，即使该时段的车流量只有白天的10%～30%。造成夜间行车事故多的原因很多，其中汽车前照灯眩光是一个非常重要的因素。本文就是针对夜间车辆在城市大桥上会车时，为了避免汽车前照灯的眩光，通过对城市桥梁防眩屏的优化设计，以达到夜间行车时人对车灯防眩光的目的［1］。

2 眩光评价

眩光是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件［2］。目前评价眩光程度的方法有很多种，如英国的GI法、美国的VCP法以及CIE的UGR系统等。而本文对于眩光程度的评价是用相对阈值增量TI。

若道路照明中路面亮度在0.05～5cd/m2，阈值增量［3～4］可用下式计算:

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

Lav——路面上的平均亮度。

等效光幕亮度［3～4］可以用以下经验公式计算:

式中 Eeye——眩光源在观察者眼睛在垂直于视线平面上所产生的照度 (lx)。

θ——视线和从眩光源来的光线入射方向之间的角度。

K——比例常数，当 θ以度为单位时，K=10。

由等效光幕亮度公式可知，为了得到Lv，我们只要有Eeye即眩光源在垂直于观察者眼睛视线上所产生的照度和角度θ即可。为了得到眼睛所接收到的照度Eeye，我们利用软件tracepro进行模拟。我们对城市大桥道路进行模拟，并对大桥防眩屏提出了三种设计方案:(1)单排立柱型防眩屏;(2)双排立柱型防眩屏;(3)单排立柱+薄片型防眩屏。对这三种方案所得出的辐照度进行分析，最后得出一个最佳的方案。

3 Tracepro模型模拟

Tracepro是一款可以建模，进行光线追击，并得到不同位置的辐照度分析图的软件。通过辐照度分析图我们可以具体分析当驾驶员位于大桥不同车道时的具体照度分布图，再利用公式可以具体分析是否有眩光的作用。

下面将具体讲述大桥道路模型。

桥面为双向6车道，每个车道宽3.5米，其中左右 (上下行)内车道间距1.2米。为了可以直观看到辐照度分析图，我们在车道每隔1m放置一个照度接收屏。照度接收屏的尺寸长为2m，高为0.6m，厚为0.01m的方块 (这主要是根据驾驶员在汽车内可能观察到的视野范围来定的)。

本文重在对三种方案的模拟设计，因此简单的模拟汽车的车灯，采用的是点光源的模型。根据国标，汽车前照灯的亮度要求是:近灯900lm，远灯1100lm，整体为2000lm。当两车会车时关闭远光灯，打开近光灯。因此我们设置光源为高斯分布点光源，且以30°角发散 (大于30°对人眼的眩光左右很小)，车灯距离立柱的中心1.3米，总的光通量为1000lm。

防眩屏的设置有三种模型:

(1)单排立柱型:直径75mm，高度1.3m的圆柱，立柱前后之间间隔2.3m。

(2)双排立柱型:直径75mm，高度1.3m的圆柱，立柱前后之间间隔2.3m，左右之间间隔0.8m。

(3)单排立柱+薄片型:

立柱——直径75mm，高度0.7m的圆柱，立柱之间间隔2.3m。

薄片——长0.6m，宽0.05m，高0.6m的长方形，薄片之间间隔2.3m。

模型都设计好之后，对格点光源进行光线追击，查看各个接收屏的照度分布情况，并对不同的防眩屏方案进行分析。

4 数据分析

4.1 不同模型的辐照度分析

通过tracepro模拟，我们可以得到距离车灯不同距离的照度，用接收屏来接收。

通过分析各个位置的照度图，在水平距离10m远的屏才开始有接收到车灯的光照。随着距离的增加，接收到的光照面积增加，平均照度增加，但由于有防眩屏的遮挡作用，在17m～19m的位置开始，随着距离的增加，光照面积有所下降，且最大照度值下降，因此水平距离17m～19m位置最有可能产生眩光，对其分析即可。选取第一车道距车灯水平距离18m远的接收屏的辐照度分析图进行比较。如图1所示。

假设人坐在车内的眼睛的高度为1.2m，从图1中可以看到:图1(c)单排立柱+薄片型防眩屏的照度图效果最好。因为在接收屏的范围内，图1(c)所接收到的有效光照度面积最小，而且如果以1.2米为水平视线的高度，上下浮动10cm，单排立柱+薄片型立柱可遮挡住过往车灯大部分的光线，在效果上对人眼几乎没有影响。再看看单排立柱和双排立柱的效果，不仅遮挡光线的效果不好，而且大范围地超过了阈值照度，这对人眼会产生较大的眩光，从而影响驾驶员开车，很容易造成交通事故。

图1 不同防眩屏方案第一车道的辐照度分析图

现在我们具体以图1(c)为例，做一简单的等效光幕亮度的计算。

如图1(c)所示，人眼高1.2m，在车道0.7m～2.2m的范围内，光照度为0，可以不予计算。在2.2m～3.5m的范围内，模拟接收到的光照度为2.5lx，在某位置视线和眩光源光线之间的角度θ可以用以下的方式来计算 (也可以用CAD模拟)

式中 x——人眼距离驶来车灯垂直于车道的距离;

z——人眼距离驶来车灯水平于车道的距离。

若x=2.6，接收光照面17的位置为z=18，可得θ=8.2°，则其等效光幕亮度为:

根据城市道路照明标准［5］假设城市大桥路面的平均照度值为25lx，根据沥青路面的平均照度换算系数为15(lx cd/m2)可得知路面亮度Lav的平均值为1.67cd/m2。

相对阈值增量为:

(阈值增量最大初始值)会产生眩光

4.2 同一模型不同光照接收面的照度分析

刚才我们从不同类型的立柱模型去分析是否会产生眩光，接下来我们具体以方案 (3)为例，分析当接收屏位于第一车道不同水平位置时的情况。

图2 第一车道不同位置的辐照度分析图

在大桥上的汽车车速一般在30～45km/h左右，人的反应时间在0.15～0.4s之间。若以人的反应时间为0.25s，那么，在这个反应时间内，汽车行驶了2.1～3.1m，我们设置的光照接收屏是相隔1m，因此我们可以对相隔2m的接收屏进行观察分析，如图2所示，选取光照面16和光照面18为分析对象。

从图2可以看到，若人在前一时刻在车道2～2.6m范围内会产生眩光，在下一时刻将不会产生眩光。在人还没有反应之前，眩光现象消失了，不会对驾驶员造成影响。

4.3 不同位置区域眩光概率分析

再从概率上分析，汽车行驶在道路上时，一般是位于车道的中间位置，车内的驾驶员一般的视线高度为1.2m，则我们假设:当人眼视线处于在如图3所示中的1的位置区域概率为60%，在2的位置区域的概率为25%，位置区域3的为15%。

图3 人眼视线位置的区域分割图

对图2(a)分析，则在第一车道，距离眩光源17m水平位置上，在大概率位置1的光照度面积只有很少的一部分且只是边缘的小照度，不产生眩光，因此，夜间在城市大桥行驶的汽车驾驶员，只要在行驶在车道中间位置时，在正常视线内也是不会产生眩光的，这也说明模型 (3)是最经济可行的设计方案。

5 小结和确定方案

从以上的数据分析可以看出，单排立柱+薄片型立柱，效果不错，但是部分范围还是会超过阈值增量，如果加密或增大薄片型立柱，可以进一步消除眩光，但会增加成本。另外我们可以通过另外一种方式使其达到眩光限制要求，那就是提高背景亮度，当背景亮度为2cd/m2时，可以得到上述的阈值增量TI=13.8%＜15%，满足要求。因此提高背景亮度也是满足眩光限制的方法之一。

三种方案中，在某个范围内，其阈值增量都会大于阈值增量最大初始值，但是通过对人的反应时间和车速的分析，最终确定方案 (3)—单排立柱+薄片的防眩光效果最好，最经济，因此可以将其应用在城市大桥的防眩屏设计上。

［1］宋洪飞.普通公路会车时不同车速的眩光造成的危害时段分析 ［J］.公路与汽运，2009(5).

［2］王展鹏，陈大华.眩光控制分析及其在道路照明中的应用 ［J］.灯与照明，2009(9).

［3］杨宇春，刘锡成.失能眩光对道路照明影响的研究［J］.照明工程学报，2007(12).

［4］刘磊实.城市道路照明设计中失能眩光的计算与控制［J］.照明工程学报，2008(3).

［5］CJJ45—2006.城市道路照明设计标准 ［S］.