基于视网膜照度的路面照明效率分析

赵海天，姚 其，邝志斌，关雪峰，施世涛，胡艳鹏，田 野

深圳大学建筑与城市规划学院，深圳 518060

基于视网膜照度的路面照明效率分析

赵海天，姚 其，邝志斌，关雪峰，施世涛，胡艳鹏，田 野

深圳大学建筑与城市规划学院，深圳 518060

将道路照明方式按高灯位顺向、低灯位顺向、高灯位逆向和低灯位逆向分类，基于视网膜照度，分别在二维平面、道路空间以及规则反射、漫反射条件下进行照明效率分析.结果表明，目前占主流地位的传统照明形式并非最佳照明方式，存在巨大的提升照明效率的空间.对于快速道路的路面照明，低灯位逆向照明方式的照明效率高于其他照明方式.这一结论为节能和开发超越现行照明形式的新型照明方式提供了理论基础.

建筑光学;道路照明节能;照明方式;亮度;逆向照明;照明效率;节约能源

路面是驾驶员观察前方障碍物的主要背景，机动车驾驶员眼睛直接感受到的是路面亮度而不是照度，路面亮度水平直接影响到其视觉舒适程度和观察前方物体的效果，提供必要的路面亮度［1］和亮度均匀度是快速道路照明的基本要求［2］.道路照明具有不同的照明方式［3］，每种照明方式 (包括照射方向、灯具位置和配光曲线)会产生与之对应的路面亮度［4］，提高照明效率是道路照明节能的主要途径.在光源总输出能量及目标物不变的条件下，改变照明方式，可改善路面亮度，得到不同的照明效率［5］.本研究基于视网膜照度，分别在二维平面和三维道路空间比较不同照明方式对路面照明效率的影响.

1 规则反射条件下二维照明效率比较

现行道路照明采用蝙蝠型配光［6］，如图1.光强矢量可分解为向左、向右两部分光强，分别对应与机动车行驶方向相同及相反的照射方向.

图1 典型路灯配光曲线及其分解Fig.1 Typical road lamp photometric curve and its decomposition

光源照射方向与机动车行驶方向相同称为“顺向照明”，见图2(a)，相反称为“逆向照明”，见图2(b).蝙蝠型配光由高灯位顺向照明与逆向照明2种方式组合.

图2 不同照射方向示意Fig.2 Sketch map of different illumination directions

1.1 顺向照射方式下的视网膜照度

当驾驶员观察路面时，路面亮度L与驾驶员视网膜照度E之间的关系为

其中，c为常数;p为瞳孔变化函数;m(x)是中间视觉亮度下修正函数.利用式(1)，通过分析驾驶员视网膜照度可推断路面亮度情况.

图3中，设Ei为光源的入射照度矢量，Er为反射照度矢量，Er·e为驾驶员视网膜照度，投光入射角为α，视轴方向与反射照度矢量之间的夹角为β，与工作面之间的夹角为φ，则β=90°-(φ-α).

根据配光曲线与投光角，可求出该点光源与计算点上形成的照度Ei.对规则反射有Er=Ei.顺向投光照明下机动车驾驶员视线方向接收到的视网膜照度为

图3 顺向照射方向照度分析Fig.3 Illumination analysis of forward-direction lighting

1.2 逆向照射方式下的视网膜照度

图4逆向投光照明中，β=90°-(φ+α).逆向投光照明下机动车驾驶员视线方向接收到的视网膜照度为

图4 逆向照射方向照度分析Fig.4 Illumination analysis of inverse-direction lighting

1.3 不同投光照明方式下照明效率的比较

本研究以机动车驾驶员视线方向接收到的视网膜照度为指标，比较不同照明方式下的照明效率.视网膜照度与视网膜亮度呈正比，根据IESNA RP-8-2000，取观察角为 φ =1°.

顺向照明下，高灯位与低灯位的视网膜照度关系可由式(2)得到.当α→0时，Er·e→0;当α→90°时，Er·e＜ 0.

逆向照明下，高灯位与低灯位的视网膜照度关系可由式(3)得到.当α→0时，→0;当α→90°时，→ Er.

比较表明，以视网膜照度为标准，在4种照明方式中，低灯位逆向照明的照明效率最高.

2 规则反射条件下三维照明效率比较

实际道路照明中，路灯位于道路两侧，入射光轴与观察者视轴不在同一立面，是三维照射空间，如图5.其中，光强为I(δ，τ)的光源以入射角α向路面照射，形成照度Ei.设入射光轴立面与视轴立面的夹角为θ，视轴平面与路面的夹角为φ，根据余弦定律，Er可以分解为竖向、横向及视网膜方向3个分量.

2.1 逆向照射方式下的视网膜照度

逆向照明方式如图5.其竖向反射分量为

横向反射分量表达式为

视网膜分量表达式为

其中，Er·e是有效辐射量;Er·v和Er·t是无效分量.在道路照明模型中，φ=1°，可比较上述3个分量的大小.

1)当θ＜45°，α→0°时

式(7)说明，高灯位逆向照明下，无效照明分量Er·v在数值上最大，且大于有效照明分量 Er·e.

2)当θ＜45°，α→90°时

式(8)说明，低灯位逆向照明下，有效照明分量Er·e在所有分量中最大.

3)当θ＞45°，α→90°时

式(9)说明，高灯位横向照明下，有效照明分量Er·e最小，无效照明分量远大于有效照明分量.

4)当θ＞45°，α→90°时

式(10)说明，低灯位横向照明下，无效照明分量Er·t最大，且大于有效照明分量 Er·e.

5)当θ→0°且α→0°时

式 (11)说明，若在道路照明中，采用低位安装的光源逆向照射路面，且反射方向尽量与驾驶员眼视轴方向一致，则路面反射在驾驶员视网膜形成的照度Er·e可取得最大值，无效照明分量趋于最小.

2.2 顺向照射方式下的视网膜照度

顺向照明方式分析如下.

竖向反射分量表达式为

横向反射分量表达式为

视网膜分量表达式为

图5 空间照度分析Fig.5 Space-illumination analysis

其中，Er·e是有效辐射量，使Er·e有意义的必要条件是sin(φ-α)与cos(180°-θ)均为正值.

当sin(φ-α)＞0时，欲使cos(180°-θ)＞0，则θ角必须在90°与270°之间，这与原假设不符.说明在规则反射条件下，以顺向照射方式向路面投光，无法为驾驶员视网膜提供有意义的照度.

3 非规则反射条件下不同照明方式对照明效率的影响

路灯在非光滑界面 (路面)的实际反射为非规则反射.如图6，设反射率为ρ，反射辐射量与材料的扩散反射率和入射光辐射有关.非规则反射可简单分解成漫反射与镜面反射的叠加.

漫反射可以表达为

镜面反射可以表达为

非规则反射是规则反射和漫反射的叠加，反射辐射量Er·e包括漫反射辐射量和镜面反射辐射量，可表示为

图6 漫反射与规则反射叠加示意Fig.6 Superposition of diffuse reflection and specular reflection

快速道路路面反射特性为非规则反射，人眼接收到的反射有效辐射量可以用图6所示.在非规则反射下，不同照明方式的照明效率的相对关系与规则反射相同.

4 高灯位逆向照明方式的照明效率

隧道照明采用图7所示逆向照明.高灯位逆向照明存在以下问题.

1)无效照明区域 高灯位逆向照明在道路上方形成高于10 m的光幕区，只有下部空间为有效照明区域，如图8.

2)无效照明分量 即使在有效照明区域内，由式 (6)可知，只要在高灯位条件下，无效照明分量均大于有效照明分量，表明该照明方式的照明效率非常低.

3)眩光 车辆在行驶过程中，固定路灯的灯位相对于车速会发生变化.当车行驶靠近灯时，逐渐变成高灯位.在截光型灯具约束下，光源辐射并不主要投射到机动车驾驶员眼中，从而避免了主要的直接眩光.但该型灯具存在一个高亮度发光面，使驾驶员可直视该发光面，感觉到来自前上方的路灯发光面的眩光［7］.

图7 高灯位逆向照明示意Fig.7 Sketch map of high position inverse lighting

图8 有效照明区域示意图Fig.8 Sketch map of efficient lighting zone

结 语

综上研究认为，顺向照明方式下，驾驶员仅能获得路面漫反射辐射量而无法获得规则反射辐射量，其照明效率远低于逆向照明方式.规则反射下，逆向照明方式的横向照射分量、竖向照射分量是无效照明分量，逆向照射分量为有效照射分量，逆向照射分量中高灯位照射的照明效率远低于低灯位照射的照明效率.在所有照明方式中，低灯位逆向照明的照明效率最高，这将成为开发新的道路照明方式和LED路灯的理论基础.

/References:

［1］Zhang Yimo.Applied Optics(3rd edition) ［M］.Beijing:Electronics Industry Press，2010.(in Chinese)

张以谟.应用光学 (第3版)［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［2］Xi Shutang，Hu Peisheng，Li Jingse，et al.Road Lighting［M］.Beijing:China Electric Power Press，2008.(in Chinese)

郗书堂，胡培生，李景色，等.路灯［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［3］CJJ45—2006 Urban road lighting design standard［S］.(in Chinese)

CJJ45—2006城市道路照明设计标准［S］.

［4］GB5700—2008 Lighting measurement method［S］.(in Chinese)

GB5700—2008室内照明测量方法 ［S］.

［5］CIE 140—2000 Road lighting calculations［S］.

［6］ ANSI/IESNA RP-8-2000 Practice for roadway lighting［S］.(in Chinese)

ANSI/IESNA RP-8-2000路灯的操作规程 ［S］.

［7］Zhao Haitian，Yuan Lei，Xiang Dong.Generalized light pollution［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2004，21(3):231-237.

2012-10-23;

2013-02-20

Road lighting efficiency analysis based on retinal illuminance

Zhao Haitian†，Yao Qi，Kuang Zhibin，Guan Xuefeng，Shi Shitao，Hu Yanpeng，and Tian Ye

College of Architecture and Urban Planning，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P.R.China

The lighting types are classified into low position inverse lighting type，low position forward lighting type，high position inverse lighting type and high position forward lighting type.The lighting efficiency analysis and experimental verification of all the four lighting types based on retinal illuminance were done in the 2-dimensional plane and 3-dimensional space with different road surface reflection.According to the theoretical analysis and experiment results，the widely used lighting type at present is not the best one，and there is still great room for improvement.Results show that energy efficiency of low position inverse lighting type is higher than any other kinds of lighting types，and this dicovery provides the theoretical basis for developing more efficient new lighting types.

architecture lighting;road lighting;lighting type;luminance;inverse lighting;lighting efficiency;energy saving

TU113.6+46

A

10.3724/SP.J.1249.2013.02186

Foundation:National Natural Science Foundation of China(51278309)

†

Professor Zhao Haitian.E-mail:arphlb2006@szu.edu.cn

:Zhao Haitian，Yao Qi，Kuang Zhibin，et al.Road lighting efficiency analysis based on retinal illuminance ［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2013，30(2):186-189.(in Chinese)

国家自然科学基金资助项目 (51278309);深圳市科技创新委员会资助项目 (CXC201006040018A)

赵海天 (1957-)，男 (汉族)，辽宁省海城市人，深圳大学教授.E-mail:arphlb2006@126.com

引 文:赵海天，姚 其，邝志斌，等.基于视网膜照度的路面照明效率分析 ［J］.深圳大学学报理工版，2013，30(2):186-189.

【中文责编:坪 梓;英文责编:之 聿】