从交通安全的角度审视科学照明和反光科技

文 官 阳

从交通安全的角度审视科学照明和反光科技

文 官 阳

前些日子，接到一位颇有技术水平的交警队设施处领导的电话，垂询主动发光型交通标志的技术情况和安全价值，这几年此类问题愈发突出，在这里有必要就相关的技术问题做一些讲解，避免大家走太多弯路，造成额外的损失。

伴随道路交通的发展对安全的需要越来越多对安全的解决之道也越来越多。因为各个国家、地区和产业发展的不平衡，在一些国家和地区早已被证实更危险、被淘汰、甚至被禁止的技术手段，有时又会出现在另一个国家或者地区，这与科研力量的代沟级差距有很大关系。其中比较典型的例子就是在一些在路面上空或路侧，滥用主动发光型交通设施，包括标志、射灯、景观灯、乃至错误安装路灯等，在错误的地方使用主动发光型突起路标（道钉），在很大程度上忽视了道路安全通行条件的需要，形成了更多的安全隐患……

本篇文章，就从光控制技术和视认需求的角度，对这一技术领域做一些基本的探讨。

完成驾驶任务的第一前提是视觉保障

从驾驶任务的角度讲，司机要完成驾驶任务，就需要在特定的时间段获取足够的信息，以完成合理操作车辆的任务。而获取这些信息，有90%是依靠视觉。但是在视距不良的时间段，这种视觉能力的发挥会受到限制，通常情况下，在夜间司机依靠视觉获得的信息量，只有白天的5%。这是不是一件坏事呢？未必！

在白天，司机驾车行驶在路上，会看到很多本不需要看、不应该看或者不应该在那个时间点看到的东西，从而增加了信息处理量，延缓了做出正确判断的时间，这就是所谓的“注意力不集中”。同样的逻辑，在夜间，借助夜色和光控制技术的帮助，如果能够让司机只看到他们应该看到的东西，而且是在正确的时间点看到这些东西，那就会很容易提高其获得和处理路况的能力，这也是道路上和车辆上都需要照明设施（包括主动和被动照明）的原因。但是，如果错误地使用灯光，就可能让司机看到很多不该看到的东西，或者是在错误的时间点看到不应该看的东西，甚至导致有些东西反倒看不到了，这时候，事故发生的几率就会大幅攀升！

那么司机最应该看到什么东西呢？这就涉及到司机的视距范围和这个范围内的各种对驾驶产生影响的元素。在视距范围方面，汽车生产厂商，已经做了最好的努力，投入巨资研究（这种巨资的规模，随着时间和经验的积累，早已超过了任何一个国家单一的研究能力和范围，具有极高的权威性），从车灯的照度、角度和距离，尽最大努力考虑到了安全的需要，所以车辆前照灯的照射范围，可以基本提供一个司机应该关注的主要范围。汽车厂商在这方面的细致程度，从欧洲普及的视觉优化灯（VOA照明系统）和美国更多采用的卤素灯的差异上，就可以领略一二。相比较而言，欧洲的VOA灯具（氙灯是比较典型的代表），会更关注路面的情况和对迎面来车司机的视觉感受，而美国车的主流前照灯多采用传统的卤素灯，会照得更高更远，这就与美国的道路更宽阔、更关注远距离和高速行驶关系紧密。从这一点，可以了解为什么远光灯大都不使用氙灯，而固守卤素灯了！也恰恰是因为这种视认性的差异，欧洲道路上的交通安全设施所使用的反光材料，性能优越，有一些国家甚至只允许使用钻石级大角度反光材料，用以弥补VOA灯具在照射距离和高度上的不足。

科学在有了视距范围的选择和条件限制之后，就在这个范围里，应该都有什么样的元素，这就是司机要完成驾驶任务所需要的全部信息。它包括了道路沿途可以作为横纵坐标提示行车道宽度和速度的各种参照物，行车道和方向指引信息，路上的其他车辆、行人的互动情况，提示行驶规则和条件的标志标线等等。在这里，就出现了本文主题所要重点讲解的技术元素，科学照明和反光科技，这两种技术运用合理才能把司机所需要的信息元素突出出来，让司机尽早发现，而不是喧宾夺主，甚至形成遮蔽！

科学照明

为什么需要科学的照明呢？这和人因工程有直接的关系。人们是依靠对比度差异来识别物体。夜间，司机能看到的东西，一定是与环境背景色度形成反差的东西，这种反差越强烈就会越醒目，司机发现和关注它的机会就越大。所以，总体上来说，亮起来的物体，在夜间更容易被司机发现和视认。但是，并不是道路上亮的物体多了，而且都是主动发光就安全。因为对于司机而言，最理想的是在正确的时间点看到他应该看到的东西，而没有进入车辆前进方向和合理反应距离之内的亮点，有可能会在不应该吸引司机注意力时却吸引司机去关注，甚至有可能形成距离错觉等危险现象。另一种危险，就是这种主动发光型设施，如果亮度过高，在司机越接近时就会存在一个很大的危险，即在强光之后的那个区域，是所谓的“灯下黑”区域，如果在强光之后的黑暗里有车辆和行人，其身上所发出的光或反光的亮度无法对抗附近的强光源时，就很容易因为对比度“不合格”而被“黑”，进而导致事故。在高速公路上，动态信息板亮度过高和安装位置错误，安全监控的LED射灯过强并且被安装在行车道正上方直射司机面部，都是这种安全威胁的典型代表。

在错误的时间引起司机的关注，破坏距离感和判断横纵坐标的典型案例，则包括了被错误使用的主动发光型交通标志和太阳能发光突起路标（道钉）等。标志和标线都是需要有层次的设置，用以辅助司机建立距离、速度和空间感的路况信息元素，都应该是司机在进入决策视距距离段时，才应该变亮并可以识读。如果车辆还没进入决策视距，主动发光的设施有可能出现叠加的问题，破坏了白天可以借助周围物体建立起来的那种层次感，特别是主动发光型弯道诱导标志和主动发光道钉出现频闪的现象，就会凭空增加司机判断横纵坐标的难度。一般情况下，这类主动发光型的交通设施的设置要非常考究，其更多的服务对象是行人和慢性交通流，或者是相对单一的警示点，而不能连续使用，更不应该在道路上造成“灯下黑”和后面的“黑洞”。

也正是由于上述这些原因，路灯的设置，其实也是一个很考究的话题。路灯设置不当，同样会干扰司机的夜间视距，特别是如果路面形成漫反射，会大大破坏司机的视距，有些时候会影响司机而无法观察沿途的交通标志、标线。比如国内不少城市，如果傍晚时分下小雨，就会导致交通拥堵和大面积延误，其诱因就是路面的水膜增强了道路灯光的漫反射效果，导致路面标线对车灯的逆反射能力丧失，司机失去了行车道参照系，驾驶任务完成质量低下。在近些年涌现的交通工程思潮里，以新城市主义为代表，已经开始重新审视路灯的应用，其建议是路灯的高度应该降低，亮度也随之降低；其照射对象，应该是行人步道而不是机动车道；而高挑的路灯只需要设立在交叉口和行人过街的位置——仅就这个意见所能产生的环保贡献，想想就会让人觉得振奋！

也有一种主动发光型交通标志，10多年前在发达国家还很常见，这些年已经很少用，就是大型置顶型交通标志的外射灯设置。这个技术的要点要讲明白，需要和反光科技的发展一起谈。

反光科技

在道路交通安全领域里所说的反光科技，其学名应该叫“逆反射技术”。它的基本原理是从光源出发的光，会被“逆向反射”回光源处。我们在夜间行车，会发现车辆前照灯照射到的猫和其他动物，眼睛在闪闪发亮，这是动物眼睛内的晶体形成的逆反射光。1939年，美国人根据这种生物现象，利用直径很小的玻璃微珠，仿生制作出了可以在户外经受各种气候条件的逆反射反光膜，当时注册为“工程级”反光膜。此后，伴随光控制技术和材料手段的不断进步，在1970年又发明了可以对抗交通标志版面光线被凝露折射导致损耗的“高强级”反光膜。这个时代的反光膜，玻璃微珠直径仅仅只有2微米，逆反射光的效率也比工程级反光膜提高了2倍左右。至此，这种围绕玻璃微珠平台实现的逆反射技术的研发历史，基本走到了尽头。1985年，伴随美国的专利技术到期，日本开始仿制生产高强级反光材料，而欧美国家的交通设施用逆反射技术材料，开始围绕着反光结构更合理、逆反射效率更高、光路角度更科学、生产过程更环保、使用寿命更长的微棱镜和微复制技术展开了。其中仅仅环保一项，就较玻璃微珠反光膜技术的生产过程，减少了97%的可挥发性化学气体的排放（联合国定为VOA气体），减少了70%以上的能源消耗。又经过30多年的努力，与交通安全相关的光控制材料，已经发展到了一个全新的阶段。

目前在欧美发达国家使用的逆反射材料，已经不再是单纯追求逆反射亮度和反光距离的材料，而是像车灯的发展过程一样，开始向满足视认需求发展，向环保、节能和安全高效的方向发展，并通过材料技术的革新换代，开发出了适用于固定交通标志、车辆牌照、临时交通设施和雨雾天气视认的不同平台。简单来说，目前的钻石级反光材料，是根据交通标志视认性研究的结论做出来的。司机的视认有两个需要，一个是远距离的发现能力，一个是近距离的视认性。以往的反光技术，因为司机和车前照灯之间的夹角问题（参见下页），很难同时兼顾两种需要，一般情况下，逆反射材料在远距离观测比近距离要亮很多，这也是大卡车司机经常看不到标志的原因。最新型的反光材料（我国GB18833标准里提到的大角度反光膜），是先测算出司机在不同车型中所需要的视认距离和角度，再利用数学模型构造出车照灯的光路往复的衍射范围和司机在不同距离内对光强的需要程度，然后用微复制技术制作出具有光波控制能力的微棱镜，并将光的衍射范围控制在距离司机1000米到50米的范围之内，而且当司机观察标志的角度加大时，大量光能失去后（进入视认距离时），足以支撑视认需求的反射光还可以在视认时间段和距离之内，停留在交通标志表面并稳定一段时间，以改善司机的视认效率。要实现这种光控制效果，需要在一平方厘米之内，有80多种形态的930个微棱镜结构，其精进之处不难想象，因为这种微棱镜体使用电子显微镜时普遍看起来像钻石，其“钻石级”反光膜的美名由此而来。

在钻石级大角度反光膜问世之前，欧美国家为了解决大角度视认的难题，要求交通工程师在置顶型交通标志上增加模拟车灯照射角度（迎合司机的观测距离和角度）的补光灯，就是为了进一步挖掘反光膜的功能，以外力增加车灯的照射效果，解决标志视认性问题。所谓的主动发光型交通标志，由此而来。其照射强度并不高，只是因为迎合了车灯的照射角度和处于逆反射光有效观测角度范围内的司机视认方向，才在那个时间段借助标志表面的反光单元，让标志亮起来，并不是标志一定要始终都是亮的就安全。有些标志，司机是不应该过早观察的！仅仅以美国内华达州为例，这种标志外补光灯全年的电力消耗成本约45万美元，2003年后，全州启动了使用钻石级大角度反光膜的替换工作，从此省下了这笔财政支出和能源消耗。

后记

从某种意义上说，对于投入巨额资金研发的车灯照明系统，人类至今还没有充分利用好，还存在着大量的浪费和可以进行安全改善的空间。从人们的服装到自行车，从牲畜到路边的各种可能对行车安全造成伤害的设施，最简单和成本最低的方法，都不是主动照明，而是利用车灯光与反光材料的互动，来完成合理和被控制住的发现和警示，这样既减少了对环境的干扰和能源的消耗，也大大提高了道路通行条件，是最低成本的道路交通安全解决之道。

同时，为了安全需求在设置道路上的各种光源系统时，应该建立一套严格的实地安全审查制度，确认这些光源不会“好心办错事”。光控制技术，事关行车视距和驾驶任务的完成质量，对人、车、路来说，都是非常重要的安全技术领域。由于篇幅的原因，还有很多内容，比如像雨雪雾天、黄昏和黎明、强阳光时间段的安全对策等等，都不能在这里一一赘述了，而忽视光线对道路交通安全的影响，特别是如果缺少在一些视认困难时间段的特殊需求和对策，那将会给我们的道路安全通行条件制造更多的麻烦，我们需要尽早对这个领域展开有积极意义的应用研究。