雨天路面反射特性及其对道路照明质量的影响

王 刚，李文宜,，曾 旭，刘木清，沈海平

(1.复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433；2.飞利浦中国研究院，上海 200233)

引言

随着我国经济水平的飞速发展，车辆数量急剧增长，交通安全也越来越受到关注。根据交警部门统计[1]，在被雨水湿润的路面上交通事故发生的概率，雨天发生交通事故的比例较晴天时高出近25%。由于雨天行车视线不佳、路面湿滑，反应时间和制动距离都会增加，尤其是夜间，如果道路照明不当，即使经验丰富的驾驶员也极易引发交通事故，因此在雨天条件下仍能保证道路照明的质量非常重要。

表征道路照明质量最重要的指标——路面亮度，不仅与灯具配光有关，同时也取决于路面的反射特性。要进行路面亮度计算，除了要知道灯具的光度数据外，还必须获得路面的亮度系数表或简化亮度系数表(简称r表)。由于实际路面千差万别，精确的亮度系数或简化亮度系数只有通过实测才能获得，但由于其测试设备及方法又比较复杂，一般情况下很难开展现场测试。因此国际照明委员会(CIE)和世界道路协会(PIARC)共同推荐了几套标准简化亮度系数表，包括R系列4张表、N系列4张表、C系列2张表和W系列4张表，以此满足粗略的路面亮度计算需求。但这些标准数据表大都源于20世纪60、70年代欧洲科学家针对欧洲当时典型路面材料所作的研究工作[2-4]，与我国现在广泛使用的道路材料已然差异很大，但国内针对路面材料反射特性的研究十分匮乏，至今还没有专门针对中国路面材料的标准路面反射率数据，作者与国内少数研究者此前已在路面材料的反射特性方面开展了长期的研究工作并取得了一些结果[5-9]。

雨天条件下，路面的反射特性更为复杂，相关研究工作报导更少。只有在20世纪70年代，丹麦科学家Sorensen对潮湿路面的反射特性做了一些研究工作[10-12]，其成果最终形成了W系列标准湿路面表并沿用至今。由于现今智能照明技术、新型节能光源和路面材料的大量应用，原有的CIE标准简化亮度系数表已然无法满足道路照明设计的要求。因此欧盟于2016年启动了“SURFACE”项目，研究新的路面反射特性测试方法及测试数据，最终为新的路面标准化工作提供基础数据[13]。作者为了研究适应中国路面材料和照明技术现状的雨天路面基础反射率数据，在此前干路面研究的基础上，自行开发了用于雨天路面反射特性测试的系统与方法，这篇论文主要讨论由此获得的一些数据和研究成果。

本文以上海为应用分析对象，研究适用于上海地区路面材料及气候的推荐湿路面简化亮度系数表。并以该表为依据，开展雨天道路照明质量的计算分析，研究不同r表对道路照明设计结果的影响。这些研究结果不仅可以直接指导实际的道路照明工程设计，也可为今后相关标准的制定提供参考。

1 路面反射特性描述体系

本研究涉及的研究对象为道路表面铺装的沥青材料。沥青路面的光学反射特性可认为是由漫反射和镜面反射组成的混合反射。一般采用双向反射分布函数(fBRDF)来描述路面的这种混合反射特性：

fBRDF=q(α,β,γ)

(1)

q称为亮度系数，是某一点上的亮度L与该点上的照度E的比值，即

(2)

α是从观察角度，β是光源入射面与观察面之间的夹角，γ是光源的入射角，如图1所示。

图1 道路照明亮度计算示意图Fig.1 Schematic diagram of luminance calculation for road lighting

图1中，观察点上的亮度LP可以通过计算亮度系数q和水平照度EH计算而得：

(3)

式中I(c,γ)是路灯的光强空间分布函数，h是路灯垂直高度。为了方便计算，又引入新的参量r(α,β,γ)称之为简化亮度系数，其定义如下：

r(α,β,γ)=q(α,β,γ)cos3(γ)

(4)

此时路面亮度可直接用式(5)进行计算：

(5)

一般在机动车驾驶中，驾驶员注意的区域在前方60～160 m处，驾驶员眼位的平均高度大致为1.5 m，此时α角的范围为0.5°～1.5°。在这个范围内亮度系数变化不大可以忽略，为了统一标准一般取1°作为观察角度进行路面亮度的测试和计算。这时，r仅是β和γ的函数，r表的测试只需对这两个角度进行扫描即可。

在CIE路面分类系统中，凭借Q0、S1这两个特征参数来进行路面分类，其定义为

(6)

(7)

其中Q0为q在一个规定的矩形立体空间(内的平均值，其代表了路面的平均反射率水平，也称为路面的平均亮度系数。S1为在β=0°时，r在γ=63°和0°两点上的值的比值，其代表了路面的镜面程度，因此也称为路面的镜面系数。对于湿路面，CIE推荐用另一个特征参数S1′来描述湿路面的镜面程度：

(8)

其中S1wet和Q0wet分别为湿路面的S1值和Q0值。

CIE根据路面的平均亮度系数Q0和镜面系数S1，将干燥路面分成3类：R，N和C类。R类主要来源于荷兰、比利时和德国等国的路面反射特性测试数据；N类主要来源于丹麦、瑞典等北欧国家的路面反射特性测试数据；C类由CIE和PIARC在1984年的联合技术报告《道路表面和照明》中共同推出。而湿路面的标准反射特性则由1979年推荐的W类来描述。

2 样品及测试结果

我国目前普遍使用的沥青路面材料为沥青混凝土混合料(AC)和沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)，由于水泥混凝土在上海道路中用得较少，以后也很少会用，因此不在本文研究范围。考虑到不同材料的差异和使用过程中材料受磨损带来的影响，我们将测量对象按使用时间分为新、旧两个组，按材料分为AC与SMA两组。本文一共完成对20块沥青路面样品的简化亮度系数表的测量，其中包括SMA新、旧样品各5块，AC新样品数量6块和旧样品数量4块，如图2所示。

图2 沥青路面测试样品Fig.2 Test samples of asphalt road surface materials

测试系统和方法作者在此前发表的论文中已有描述[9]。具体测试过程为：将路面样品在标准实验室环境下(25 ℃温度，60%湿度，无对流空气)放置至少1天，测试其干燥条件下的r表，然后用模拟降雨装置将其完全淋湿，在分别放置0、30、60 min后再依次测试样品。预实验发现在标准实验室环境条件下，淋湿样品在放置2 h后的反射特性与干燥路面已经相差很小，可以认为其已经达到光学上的“干燥”，因此对湿路面只测到60 min。最后将所有测试结果进行数据处理，计算出样品每种状态下的r表及其Q0、S1′。

所有样品在完全淋湿后，分别放置0、30、60 min后的Q0、S1′的分布结果如图3所示， CIE W系列的边界线也标注在图中，依据此边界我们对这些样品进行归类分析。

图3 完全淋湿并放置0、30、60 min后，20块样品的Q0～S1′分布图Fig.3 Q0-S1′ diagram of 20 samples, dried for 0, 30 and 60 minutes after fully wet

从图3可以发现，所测的路面样品，在完全淋湿并放置0 min后，平均Q0=0.068，平均S1′=36.38。其中大部分路面测试样品属于CIE W1或CIE W2类别。20块样品中有9块属W1类，其平均Q0=0.038，平均S1′=6.36，将这9块样品的r表值进行同比例缩放，使其Q0值为平均Q0值即0.038，再将这9张表进行算术平均从而得到一张“新W1表”，发现其S1′=7.27。同理，20块样品中有5块属W2类，其平均Q0=0.054，平均S1′=17.54，将这5块样品的r表值进行同比例缩放，使其Q0值为平均Q0值即0.054，再将这5张表进行算术平均从而得到一张“新W2表”，发现其S1′=21.18。

对于完全淋湿并放置30 min后的样品，随着其湿度的降低，其Q0值和S1′值均较0 min时有所降低，平均Q0=0.052，平均S1′=16.40，其样品集中在W1或W2类的程度更高。有13块属于CIEW1类别，平均Q0=0.038，平均S1′=3.85，此时的“新W1表”的S1′=4.11；有5块属于CIE W2类别，平均Q0=0.059，平均S1′=13.08，此时的“新W2表”的S1′=15.40。

而对于完全淋湿并放置60 min后的样品，其Q0值和S1′值进一步降低，平均Q0=0.043，平均S1′=7.30，只有1块样品不属于W1或W2类。有14块属于CIE W1类别，平均Q0=0.038，平均S1′=3.31，此时的“新W1表”的S1′=3.59；有5块属于CIE W2类别，平均Q0=0.046，平均S1′=11.19，此时的“新W2表”的S1′=12.74。

干燥状态下样品的测试结果并未标注在图3中，其平均Q0=0.033，S1=1.85。

3 推荐湿路面简化亮度系数表

不同的降水量，路面对应不同的潮湿程度，具有不同的反射特性。雨停之后，在路面缓慢的干燥过程中，其反射特性也在持续改变，这是个动态变化的过程，因此只能从统计的角度来考虑一个地区的某个时期内的平均路面反射特性。

一般说来，对同一种材料的路面，湿度越高，镜面反射程度越高，S1′值越大。如果道路照明设计能使某种镜面反射程度较高的湿路面满足照明均匀度的要求，那么对于镜面反射程度较它低的“更干”的路面，均匀度一般也能满足要求。同时，考虑到照明设计的经济性，以能覆盖92%的夜晚时长为目标[2]，来定义推荐湿路面r表，具体方法如下：

以一年为研究周期，从气象局数据库中，查找某气象站点按小时记录的天气数据，分别统计下雨、雨停60 min后和干燥状态分别占夜晚时长的比例，以上海闵行站为例，从2016年8月至2017年7月，这三种状态占夜晚时长的比例分别为9.3%、2.5%和88.2%，其对应路面的S1′/S1值分别为前面所述的所有样品的S1′/S1平均值，即36.38、7.3和1.85(不考虑30 min数据，因气象数据最小以小时为单位进行记录)。将三种状态对应的时长比例转化为累加比例，即S1=1.85对应时长比例为88.2%，S1′=7.3对应为88.2%+2.5%=90.7%，而S1′=36.38对应为88.2%+2.5%+9.3%=100.0%，并作得累加比例与S1′之间的曲线，如图4所示。对该曲线在92%点进行插值计算，所得到的S1′值即推荐湿路面r表的S1′值。

图4 推荐湿路面r表的定义方法(以闵行气象观测站为例)Fig.4 Definition method of recommended wet road r-table (taking Minhang meteorological station for example)

我们统计了闵行、宝山、嘉定、崇明、徐家汇、南汇、浦东、金山、青浦、松江和奉贤11个市区从2016年8月至2017年7月一年的夜间实时降雨量数据，将所有这些站点分别计算得到的S1′值进行平均，从而得到了适用于上海地区的推荐湿路面r表的S1′值=11.1。将该值与此前分析所得的6张新W1/W2表进行比对，选择S1′值与该值最接近的新W表，作为上海市的推荐湿路面r表，其可覆盖92%夜间时长下的照明需求。

对于其他不同气候的地区，需要重新采集当地天气数据进行统计。如果所采用的路面材料也不尽相同，还需对路面测试样品进行重新采样测试。

4 道路照明应用分析

我们利用Calculux 7.7.0.1进行道路照明质量仿真计算分析。按照实际工程应用中的典型情况，将仿真中的道路照明参数统一设置为：每个车道的宽度W为4 m，灯杆间距s为30 m，灯具安装高度H为10 m，灯具悬挑长度O为1 m，灯具仰角T为12°，如图5所示。维护系数设为0.7。

图5 道路照明参数设置示意图Fig.5 Schematic diagram of parameter setting for road lighting

照射方式考虑6种典型情况：单向单车道单侧布置、单向两车道对称布置、双向两车道对称布置、双向四车道对称布置、双向六车道对称布置和双向八车道对称布置。

灯具方面，选取15款典型路灯的实测配光数据，其中12款为LED路灯，3款为高压钠灯，其中某一款路灯的配光曲线示例如图6所示。

图6 所仿真的某一款路灯的配光曲线图Fig.6 Luminous intensity distribution curve of a simulated road lamp

路面反射特性数据采用前面所得的推荐湿路面r表，以及CIE W1、W2、W3和W4表。

最终要考察的目标照明指标以平均亮度(Lave)、亮度均匀度(Lmin/Lmax)和纵向亮度均匀度(Ul)为准。

以单向单车道单灯布置的照明方式为例，对15款灯分别计算其以推荐湿路面r表和W1表为路面反射特性数据，在平均亮度、亮度均匀度和纵向亮度均匀度三个指标上两者之间的相对偏差的绝对值，结果如表1所示。

表1 15款灯在单向单车道单灯布置照明方式下，推荐湿路面r表与CIE W1之间仿真结果偏差的绝对值

对15款灯具的偏差值分别作算术平均后得到表1中最后一行的结果。换一种照明方式，重复上面的偏差计算，可以得到6种照明方式下与W1的平均偏差值，如表2所示。

对6种照明方式也进行算术平均，从而得到表2中最后一列的结果，这就是推荐湿路面r表与CIE W1表之间在三个照明指标上的平均相对偏差。对CIE W2、W3和W4也进行相同的计算并汇总，最终结果如表3所示。

从表3可以看出，推荐湿路面r表与CIE W1、W2、W3和W4表的仿真计算结果相差较大，尤其是平均亮度。也就是说在照明设计时，如果没有实测r表，采用CIE W1表进行仿真计算，其计算值与实测值的相对偏差平均可能达到223%；如果采用W4表，则平均相对偏差最大，达到了376%。因此CIE W系列表对于雨天路面反射特性的描述不适用于上海地区。

表2 6种照明方式下，推荐湿路面r表与CIE W1之间的平均偏差值(对15款灯进行平均)Table 2 Average deviations of simulation results between recommended wet road r-table and CIE W1 table (averaging 15 road lamps), under 6 lighting installations %

表3 推荐湿路面r表与CIE W1、W2、W3和W4表之间的平均相对偏差(对15款灯、6种照明方式进行平均)

不过除了不同的路面材料和天气条件对路面的反射特性存在较大影响外，路面样品自身较大的离散性也是产生上述较大偏差的原因。我们进一步分析所测的20块路面样品的Q0值后发现，在干燥状态下，20块样品中最小值和最大值相差达到了近3倍，个体与平均值之间的最大偏差达到了62%；在淋湿状态下的偏差更大，如在完全淋湿30 min后，最小值和最大值相差达到了10倍，个体与平均值之间的最大偏差甚至达到了283%，如表2所示。这也是道路照明亮度计算较难实现高精度的主要原因之一。

表4 不同湿度状态下的Q0值的个体差异

5 总结

我们搭建了湿路面反射特性测试系统，对20块路面样品进行了测试，得到了4种状态(完全淋湿放置0 min后、完全淋湿放置30 min后、完全淋湿放置60 min后、干燥状态)下的简化亮度系数表及其S1′/S1和Q0值。根据上海市一年的降水数据，按照统计的方法得出了一张适用于上海天气的推荐湿路面r表。在典型照明设置条件下，将其照明计算结果与CIE W系列表进行比对，发现CIE的W系列表与我们的实测表之间在平均亮度、亮度均匀度和纵向亮度均匀度上的计算结果偏差较大，CIE W表不适用于上海地区雨天路面反射特性的描述。

本文所搭建的雨天路面反射特性测试系统、相应的测试和分析方法以及初步取得的一些测试数据，不仅可以直接指导实际的道路照明工程设计，也可为今后相关标准的制定提供参考。

鉴于湿路面样品自身离散性大的特点，今后的研究过程中如有条件可增大测试的样本量以提高收敛性；根据不同材料之间表现出来的差异性，可以考虑根据材料类型精细化地给出r表；另外，根据湿路面反射特性随时间快速变化的特点，也可以考虑将时间因素纳入r表的建模中去。