基于视觉特性的坡路照明分析

史玲娜，陈伟民，刘显明，赖 伟，雷小华

(1.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

引言

城市道路照明能够为驾驶员和行人提供良好的视觉环境，具有保证行车安全、减少交通事故、美化城市夜景，给行人以安全感等作用[1]。在实际道路照明中，路面的照明效果受到不同的道路类型、道路结构、灯具的配光分布和安装条件、观察者的观察角度和观察视距等多种因素影响。特别是与人眼主观辨识相关的道路照明亮度指标，如平均亮度、亮度总均匀度和亮度纵向均匀度，直接取决于灯具的配光分布和安装参数及观察者的视觉特性，而观察者的观察特性又与道路结构密切相关。因此，从人眼的视觉角度出发，根据不同的道路结构(如坡路)选用合适配光分布的灯具并确定合理的布灯方式，可以大大提高灯具的利用效率，在满足安全舒适的道路照明同时，实现节能的最大化。

为了充分提高道路照明灯具的光能利用率，实现安全舒适的道路照明，国内外的学术与工程技术人员都对道路照明设计标准及技术进行了广泛的研究[2-4]，既分析了国外及我国现有道路照明设计标准的区别，也深入分析了既定道路类型及灯具配光特性条件下的关于灯具安装参数优化的道路配光设计，和既定道路类型及安装参数下的关于灯具配光特性的灯具配光优化设计[5-7]。尽管目前对道路照明已有大量的深入的研究，且道路照明设计标准也相对成熟，也有了主干道、支干道、次干道的各类较为成熟的配光技术及产品，但是不管标准本身还是众多的照明技术研究，基本都是针对平直的道路，极少有针对坡路、弯道等特殊路段照明技术的研究报道。由于驾驶者行驶于坡路的视觉特性与行驶于平直路时大有不同，且更为复杂，在这种路段出现交通事故的几率远大于平直道，因此必须从驾驶员的视觉特性出发专门针对坡路的照明需求及照明设计技术进行研究。

1 坡路照明特点分析

城市道路照明标准所提出的道路照明指标应适应平直路、坡路及弯道的情况。由于车辆在弯道、坡路的行驶状况与平直路段的行驶状况完全不同，因此在坡路、弯道的照明状况也应该有别于平直路段；而坡路的上坡与下坡路段，车辆的行驶状况也完全不同，因而上坡与下坡路段的照明状况也应该有差异。

1.1 上、下坡路的行车视距

行车视距(Sight distance，SD)是汽车在行驶过程中，当发现障碍物后，能及时采取措施，防止发生交通事故所需要的必须的最小距离[8-9]，往往用停车视距(Stopping sight distance，SSD)来表示。我国《公路路线设计规范(JTG D20—2006)》规定，高速公路、一级公路的行车视距宜采用停车视距；二级、三级、四级公路的行车视距应不小于停车视距的2倍[10]。停车视距通常由反应距离S1和制动距离SZ两部分组成，所谓反应距离是驾驶员发现障碍物后决定采用制动措施的那瞬间到制动器真正开始作用这一过程中汽车所行驶的距离，制动距离是汽车从制动生效到汽车完全停住这段过程的距离。由于车辆的惯性作用，使得不同车辆行驶于不同道路的制动距离SZ不同，因此车辆的停车视距SSD就会随车辆及道路情况而变化，使得停车视距SSD分别缩短或增长，具体可用式(1)表示[11]。

(1)

式中，v为汽车制动前行驶的速度，t为驾驶员的感觉反应时间和制动生效时间总和，通常取2.5s，g为重力加速度，f为与车速相关的轮胎与路面之间的摩擦系数，如表1所示。

表1 水平摩擦系数Table 1 Coefficient of longitudinal friction

在道路照明设计时，考虑的重点是道路本身，虽然可以不考虑车辆差异，但必须考虑道路差异。

图1 上坡路段和下坡路段的行车视距Fig.1 The sight distance of upgrade and downgrade

在上、下坡路段时，车辆的受力情况如图1所示，其自身重力的平行分量分别与行车方向反向或同向，从而影响制动距离。当汽车行驶于坡路时，重力的分力就会起到对车速的阻碍或加速作用，从而式(1)可修正为

(2)

式中，θ是用弧度表示的坡度角，-表示下坡、+表示上坡， (tanθ)×100%是用百分比表示的坡度。

根据式(2)即可得到停车视距与车速及道路坡度角之间的关系。当行车视距SD为停车视距SSD时，根据式(2)即可得60km/h车速下的视距SSD与坡度角θ之间的关系如图2所示的，为直观起见，图中的坡度角直接用角度表示。从图2中可见，行驶于下坡的视距明显大于行驶于上坡的视距；在上坡路段，坡度越大、视距越短；而在下坡路段，坡度越大、视距则越长。由于驾驶者在下坡路段的视距SD2要大于上坡路段SD1的视距，这就意味着上下坡的照明需求亦可能不同。

图2 视距与坡度角的关系Fig.2 The relation between sight distance and gradient of slope

1.2 坡路照明特点分析

比较不同国家的道路照明设计标准，道路照明指标通常含有平均亮度、亮度均匀度和评价眩光的阈值增量或光幕亮度比，其中都涉及到观察者在观察区域内的亮度的计算，每一点的亮度均与观察者的视距、观察角度、观察位置有关[12-13]，图3为道路照明标准中评价指标的计算示意图，在式(3)亮度计算公式中，C、β、γ随着SD和坡度角θ的不同而不同。

图3 道路照明计算示意图Fig.3 The calculation method of road lighting design standard

(3)

图4为坡路照明计算示意图，图4(b)为图4(a)注视点在平直路上的投影，当观察者注视于坡度角为θ的上坡路段P′(x′,y′)点时，受到坡度的影响，由灯具发出的光线在P′点的投影与路沿的夹角C′与平直路相比有明显不同，在具体设计时，需考虑坡度对参数计算的影响。假设该点在平直路上的投影位置为P(x,y)，将P′点位置转换到相应的平直路上，则x=x′cosθ，y=y′，则对应的灯杆高度H=H′-xsinθ，对应角度γ′、C′、β′分别为：

(4)

(5)

(6)

图4 坡路照明计算示意图Fig.4 The calculation method of slope lighting

其中(x0,y0)为观察者所在位置在坡路平面的坐标，此外，β′亦受到由于坡度不同而导致的不同行车视距的影响。

由式(4)～式(6)可知，当坡度角θ≠0时，γ=γ′、C≠C′、β≠β′，因而会导致式(3)的道路照明状况发生变化。即在坡路行驶条件下，不仅观察者的行车视距不同，还会影响照明的效果。由此可知，满足平直路照明要求的灯具布置用于不同坡路时，有可能不再满足坡路的照明要求。因此，在坡路照明设计时，不能直接照搬平直路的设计结果，应该从观察者的视觉角度出发分析坡路照明的视觉需求，并提出针对坡路的道路照明设计方法。

2 坡路照明计算实例分析

在坡路行驶条件下，不同的道路坡度会导致不同的照明需求，而不同的灯具配光也会产生不同的路面照度分布，在进行道路照明设计时，为了在满足道路照明标准前提下的能耗最小化，就需要根据道路的实际情况选择合适的灯具，并进行安装条件(包括灯具的安装间距、安装高度、灯具仰角和悬挑长度)的最优化设计，实现道路照明的安全、舒适与节能。

为了定量分析道路坡度对照明需求的影响，研究中以一款飞利浦LED路灯为例，该灯具的总光通量为6600lm，功率88W，图5为该路灯的外观及配光分布。

图5 路灯的外观及配光分布Fig.5 The appearance and luminous intensity distribution of lamp

图6 平直路的路面亮度分布Fig.6 The luminance distribution of level straight road

为了便于与坡路照明比较，先针对某段路宽为7.5m的双车道平直路进行分析计算，并采用双侧对称布灯方式，以能耗最低(以安装间距最大为标准)为目标，以满足城市道路照明标准中次干路的各评价指标为约束条件进行安装参数的优化计算，得到这款灯安装于该平直路的最优化安装条件为：安装间距：21m，安装高度：10m，灯具仰角：10度，悬挑长度：1m，并同时计算出在该设定参数下所得到的平直路面亮度分布如图6所示。

现将该安装方式用于坡度角分别为+5度和-5度的上坡路和下坡路。根据式(2)计算出行车视距，并根据式(3)～式(6)计算出的路面亮度，得到与平直路相同安装方式的上坡路和下坡路的路面亮度分布分别如图7和图8所示。

图7 坡度角为+5度的坡路亮度分布Fig.7 The luminance distribution of slope with +5 gradient

图8 坡度角为-5度的坡路亮度分布Fig.8 The luminance distribution of slope with -5 gradient

由图7可知，将平直路照明设计直接照搬到上坡路段时，平均亮度较平直路有所提高，并且均匀性更好，但同时用以评价眩光的阈值增量有所增加；由图8可知，将平直路照明设计直接照搬到下坡路段时，不仅平均亮度降低，而且均匀性更差，意味着该设置在下坡路段的路面照明不仅会增加驾驶员的不舒适感，同时也会增加行车的危险性。

为了进一步说明道路坡度对路面照明质量的影响，研究中分别就同一款灯分别以相同的布灯设置安装于坡度角分别从-10度依次变化到+10度的不同上下坡路段，得到该安装方式下不同坡路照明的平均亮度、亮度总均匀度和亮度纵向均匀度如图9所示，其中图中横线为道路照明标准所规定的平均亮度、亮度总均匀度和纵向均匀度设计阈值。

图9 路面亮度分布与坡度角的关系Fig.9 The relation between luminance distribution and gradient of slope

从图9中可以看出，在上坡路段，随着道路坡度的增加，路面平均亮度一直增加，路面亮度总均匀度和亮度纵向均匀度均呈缓慢增加趋势，这是由于该灯具的配光分布在平直路情况下已很好地满足了路面亮度均匀度的要求，但已经出现过度照明的现象；在下坡路段，随着道路坡度的增加，不管是平均亮度、亮度总均匀度还是亮度纵向均匀度均呈下降趋势。这就意味着当一种布灯方式能够满足平直路的照明要求时，未必满足下坡路的照明要求，而对于上坡路则会过分满足照明要求，即会造成能耗的浪费。

根据以上分析可知，坡路照明需根据道路坡度的情况和灯具的配光分布合理布设灯具的安装方式，通常在上坡路段可以增加布灯间距、在下坡路段可以减小布灯间距，以实现安全舒适的坡路照明，并实现节能的最大化。

如果进一步以节能最大化为目标，以满足道路照明标准的各项评价指标为约束条件，对不同坡度下该款灯具的安装方式进行最优化设计，可得到不同坡度角下的坡路布灯间距，结合该款灯具的功率，可得1000m内的照明能耗，具体如图10所示。

图10 坡度角与布灯间距及能耗的关系Fig.10 The relation between gradient of slope and spacing and energy consumption

正如之前分析所得，在满足道路照明标准，保障行车安全的前提下，对于上坡路段，可以通过增加布灯间距以实现在满足照明要求下的节能最大化，与平直路相比，当上坡路段的坡度为10度时，在达到相同亮度视觉效果的前提下布灯间距可以由平直路的21米增大到26米，从而可以实现近20%的节能率；对于下坡路段，为了满足驾驶员的视觉需求以保证行车安全，须适当减少布灯间距。

3 结论

通过对坡路照明的视觉特点和照明需求进行分析，并根据道路照明的节能设计，得出如下结论：

(1)受到坡度及行车视距的影响，使得坡路照明特点与平直路照明有所不同，并且上下坡的照明特点亦不同。

(2)上坡路段的坡度使驾驶者的行车视距较平直路短，结合灯具出射光的出射角度受坡度的影响，适用于平直路的布灯条件用于上坡路段可能会造成过度照明，导致能耗的浪费，从而在达到相同照明要求下的布灯间距可较平直路的间距大。

(3)下坡路段的坡度使驾驶者的行车视距较平直路长，结合灯具出射光的出射角受坡度的影响，适用于平直路的布灯条件用于下坡路段可能会造成照明不足，导致行车安全性和舒适度降低，从而在达到相同照明要求下的布灯间距可较平直路的间距小。

总之，坡路照明需根据道路坡度的实际情况且结合灯具的配光分布，从人眼视觉特点出发进行道路照明的优化设计，既可实现满足视觉要求的坡路照明的安全性和舒适性，也可实现照明节能的最大化。从视觉特点进行坡路照明优化设计，可以填补道路照明设计标准中关于坡路照明设计的空白，进一步丰富、完善道路照明的科学体系与设计规范。

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