交通标志照明技术的前世今生

2018-10-26官阳

汽车与安全 2018年8期

文官阳

近年，在交通安全领域，越来越多的人开始关注交通标志的夜间视认性问题，这是个非常积极的变化。这说明我国的道路交通安全需求已经发展到了一个新的高度，人们对于交通标志向道路使用者传递信息时的展现质量，对掌控道路使用者注意力的重视，都有了长足的进步。但在如何实现标志的照明的问题上却有很多误解，导致出现了不少浪费。本文就此回顾一下世界上标志照明技术的前世今生。

《统一交通控制实施手册》（第一版）首次提及标志照明需求

说起交通标志照明，不能不说世界上第一部具备法律约束力的标志标线设置标准，美国的《统一交通控制设施手册》（英文简称MUTCD）。该标准在1935年的第一版（统一）版中，提到了标志需要照明，并且总结了当时存在的三种照亮标志的方法，原文翻译如下：

第134节标志的照明方法

照亮标志的灯应该是白色光，除非是停标志（STOP SIGN）上的字要用红色光。现将标志照明的方法介绍如下，以备参考。

（a）照明灯可以安装在标志的内部或者后面，也可以是发光管，照亮标志的轮廓和主要的信息，无论是符号还是文字。灯光可以是闪烁的，也可以是稳定的，使用闪烁的灯光更好。

（b）附着在标志上或者独立安装的射灯，要求其光线照射于标志版面。

（c）标志面上要安装反光元素。

标志内部稳定或者持续闪烁的灯，及发光管、标志外部的射灯，都可以最大限度地提高标志的视认性。但这种方法会导致成本和供电连接服务等增加，很多乡村地区可以不使用这种方法。

在黄底黑框的标志上安装勾勒标志轮廓的反光钮时，要避开黑色边框，安装在黄色底板的面上。

不难看出，1935年，标志照明已经从技术标准的角度，指出了三种方式：内部照明、外部照明和利用车灯作用与标志表面的反光元素实现照明。这三种方式历经90多年，没有改变。

需要特别指出的是，现在使用最多的标志照明措施—— 反光膜，在1935年时尚未问世，所以那时的标志照明，虽然已经有了利用大尺寸玻璃珠做反光钮的技术，但是效果并不理想，因为反光钮尺寸太大，却只有单点能逆反射，效率太低，所以就用了国内现在流行的说法：“主动发光”。其实从英文和技术上讲，“Illumination”不是发光，而是“使发光”，也就是通过安装照明灯使标志变亮。也就是说，无论是在标志内部安装发光管还是在标志外部使用射灯照亮标志，都不是现在的技术创新，时至今日，这些技术还在一些有特殊需要的领域使用，只是使用的手段越来越好，应用领域也越来越科学，成本也越来越低了。

商用户外标识和机场跑道上的引导标识是使用内部照明方式最多的领域，也正是因为这种应用的需求非常旺盛，所以内部照明型的标识技术从未停止过发展，今天的灯箱技术，已经登峰造极，人们可以用很少的光源和很轻质的材料制作出漂亮的内部照明标识。

图1 1935年版MUTCD的封面

图2 1935年MUTCD第134节的原文页面截图

但是这种技术并没有被广泛应用于交通标志领域，其原因有两个，一是因为相对于另外两种方式，其可靠性和维护复杂且成本太高；二是与驾驶过程的安全需求有关。如果全程把标志都用内照灯照亮，有时会影响进程感，特别是高架的大型标志，远远望去，可能一次看到好几层的设置，信息相互干扰……相比之下，外照明会好很多，因为外照明使用反光膜，只在车灯照射不佳的距离和角度里补光，所以驶近时，标志亮度会降低，解放驾驶人的注意力去观察路况。这也是为什么在美国1935年提出标志需要照亮的标准后，很多大型标志一直在使用外照补光方式的原因，而且维修也比内照更方便。

图3 美国在上世纪30年代安装的使用反光钮的交通标志，白天和夜间的照片

反光膜的问世与创新升级

正是因为考虑到标志照明的需求，特别是需要交通标志的整体耐候性良好、低维护成本、长生命周期、能高效管理汽车前照灯的灯光，才有了反光膜的问世和反光膜的不断创新与升级。

世界上第一块使用反光膜做的交通标志，出现在1939年明尼苏达州的公路上，从这一年开始，交通标志照明的技术路径被有效改写了。这种最初的反光膜，利用了一种直径非常小的玻璃微珠涂布粘贴技术，和大尺寸反光钮的原理一样，把车灯的光反射到驾驶人的眼睛里。只是这种最初的反光膜，反光效率并不高，大约只能捕捉到照射光源的8%。即使是8%的车灯反光，也让人们看到了希望。1942年，还处在战争期间的美国政府，修订了《统一交通控制设施手册》，增加了交通标志反光膜的使用要求。

图4 1942年版《统一交通控制设施手册》MUTCD的封面。封面上标明：“战时紧急状态版”

图5 1942年版MUTCD的第134节，标志照明部分的原页影印件

图5译文如下：

第134节标志的照明方法

照明方法可以是下列方法：

（a）照明灯，安装在标志的内部或者后面，照亮标志的轮廓和主要的信息，无论是符号还是文字。灯光可以是闪烁的，也可以是稳定的。

（b）附着在标志上或者是独立安装的射灯，要求其光线照射于标志版面。

照亮标志的灯应该是白色光，除非是停标志（STOP SIGN）上的字用红色的自照明闪光。

第134.1节－逆反射方法

标志的信息和背景都可以用逆反射光照亮。逆反射的符号或者信息都应该是白色的。如果背景是逆反射照亮，应该是白色或者黄色的，颜色要遵守第126节里描述的颜色规则。

为了通过提高对比度获得更好的视认性，在信息条背景上可以使用与信息颜色形成对比色的色块。

众所周知，1942年，美国正在全面参与第二次世界大战，在这样的时刻，其交通部不忘交通安全和新技术应用，反光膜问世三年就在国家标准里鼓励各地使用这种节能环保、能够改善道路安全通行条件的技术，其对交通安全和科技创新的重视可见一斑。这也从另一个角度说明，道路交通安全伤害对于国家与社会，不亚于战争，需要高度重视。

图6 右侧为使用外射灯结合反光膜的龙门架标志，左侧为使用内部发光管和外照灯（补底板的亮度，在一定角度可以感受到底板颜色）的龙门架标志

工程级反光膜

早期的反光膜，也就是业内非常熟悉的“工程级”反光膜，因为是利用裸露在反光膜胶层表面的玻璃微珠的折射功能实现的逆反射，表面附着露水或水汽后，由于玻璃微珠直径太小，加上水的折射作用，就会引起反射光路的扭曲，影响车灯光的走向。“工程级”一词，是由发明企业最初注册的商标，Engineering Grade，后来因为使用太广泛且延续了几十年，所以逐渐被业界广泛使用成了俗称。

图7 玻璃微珠反光膜的基本光线传输原理

高强级反光膜

直到1970年左右，“高强级”反光膜问世后，这个问题才得以解决。这种“高强级”反光膜，在玻璃微珠表面做了一个密封胶囊，里面含有空气，这不仅保证了玻璃珠与外面温度的趋同和不沾水，也可以使光线在进入玻璃微珠前和离开玻璃微珠反射出来时，利用空气层避免露水等的干扰，使光波在进入空气开始衍射时，能够沿着车灯的照射方向反射回去。高强级的反光膜，因此具备对车灯光14%的反射效率，比工程级材料高了近一倍。

微棱镜反光膜

伴随人类对光学、数学和材料技术认知的进步，玻璃微珠对光线控制的弱点也逐渐被意识到。特别是同等面积下的反光效率问题，玻璃微珠即使再小，也只有一个反光点，而且反射角度单一。尽管反光膜用的玻璃微珠的直径已经仅为2微米，但是人类并没有到此停步。更新的光控制技术在光栅技术原理的发现和进步中出现了，这就是微棱镜技术。通俗讲，微棱镜技术是把玻璃微珠上不反光的部分切掉，只留下光线进入和返回的线路部分，从而在单位面积下，不仅大大地提高了反光单元的数量，而且可以根据棱镜的角度调整与多种微棱镜的组合，大大提高反光效率。

20世纪80年代后期问世的第一代和第二代钻石级反光膜（大角度反光膜的典型代表，因反光原理与钻石的折射光路近似而得名，英文是Diamond Grade，也是发明企业注册的商标称谓，后来被行业很多人误以为是产品级别的俗称），对汽车灯光的捕捉反射能力已经到了32%，特别是第二代钻石级反光膜（Visual Impact Prismatic，简称VIP ），直译为视觉影响微棱镜，一改第一代的远距离反光优势（Long Distance Prismatic远距离微棱镜，简称LDP），是利用改变微棱镜反射角度的方法，让反光膜具备了大角度的反射特性，使得龙门架上和大型道路的路侧的标志也可以被驾驶人看到。

图8 微棱镜反光原理示意

反光膜材料技术的大发展

进入21世纪，交通标志用微棱镜反光膜的研发仍在继续，不仅品种在增加，生产成本和环保排放也在下降，而且性能越来越好。据美国标准材料检测协会的技术统计，已经问世的反光膜产品已经有十几种类型，其中大部分是不同形态和反射性能的微棱镜材料。目前最高等级的交通标志大角度反光膜是已经用可以兼顾远距离光投放和近距离光投放性能的新型微棱镜组合技术制作的，它每平方厘米上有超过80种形态的900多个反光单元来管理入射光和反射光，对车灯的实际反射效率已经高达58%，使得驾驶人不仅可以在大约800米外就能够发现交通标志，而且绝大部分情况下可以让大小车的驾驶人在不开远光灯的情况下，在约150米到50米的距离上获得可以支撑读取标志信息的亮度。

值得关注的是，微棱镜技术问世以前，在高架标志上（龙门架和悬臂）使用射灯为大型交通标志补光，是一种比较普遍的做法，特别是在背景光源复杂、有大型车辆的道路上，直到近15年，这种做法才开始陆续发生变化。美国交通部资助的公路研究合作项目《高架标志夜间视认性指南》（NCHRP REPORT 828号，2016年）介绍“由于标志反光材料的性能越来越高效，可以把更多的车灯光返回给司机，现在有关掉或者拆除高架标志照明灯的趋势。另外，新的字体设计也是为了迎合新的反光材料的特点，也增加了高架标志的视认性，这就进一步明确了高架标志是否需要照明的问题的答案。调查显示，很多交通部门开始采取系统的措施，在高架标志上使用高效率的反光材料来取代标志照明灯。在2008年威斯康星洲交通厅调查的30个州里，仍在使用标志照明灯的只有6个州，而且这6个州也是根据具体情况和个案基础决定的。美国公路和运输官员协会（AASHTO）也进行过类似调查，调查对象包括36个州，其中21个州，因为更换了新型的标志反光材料和节省开支的原因关闭了高架标志的照明灯；另外15个州表示只在城市和高速路出口等处，还保留了原有的高架标志照明，有5个州表示在新建道路上的高架标志，还在使用标志照明灯。”在一些非常复杂、车灯无法满足需要的道路环境中，利用补光提高标志的亮度的技术仍然在使用。

图9 俄罗斯街头遍布利用荧光黄绿钻石级改善视认性的标志，以吸引人们的注意力，优化行人过街秩序

与此同时，借助不可见光改善白天标志视认性能的反光材料也开始出现。以荧光黄绿钻石级和荧光橙钻石级为代表的新一代反光材料，改变了太阳光中的紫外线的波长，使之进入可见光谱，大大加强了材料的色度，为雨雪雾天和逆光、强光环境增加了一种特殊的安全解决方案。

图10 俄罗斯制作的外部使用透光型反光膜，内部有LED光源的内照式交通标志，主要用于背景光源复杂的城市环境里

总体上说，标志标识的照明技术，按照应用环境分类，可以分为室内和户外两大领域；从照明光源的位置分类，则分为内、外部以及车载光源；从观察角度需要分类，则有平视、仰视、远视、近视支持等；从使用材料分类，有透光、反光、透光和反光兼顾等，这些需求和特点都会影响照明方案的最后选择，但其共性需求是一致的，就是尽可能地做到在需要时，让标志够亮；不需要时，则要够暗，并且做到环保、低耗、易维护。在成本合理的范围里，优选能满足每一种视认需要的方案，是个非常复杂和专业的技术活。标志照明技术，事关道路安全通行条件，也事关道路运营成本，科学选择的前提是要具备正确知识，了解标志照明技术的前世今生的意义就在于此。

内部照明标志分类

交通标志的照明方式

1.内部照明，利用标志面板后的光源通过半透明材料照亮标志图案或底板；

2.外部照明，安装专用灯，均匀照亮标志面板；

3.其他设备，如用整形发光管制成标志图案。发光标志一般用荧光材料制成。反光标志的反光膜，用透明树脂(包括粘合剂)、玻璃微珠、反光金属等材料制成，或将玻璃珠压入塑料中制成。当汽车大灯射向反光标志时，反光膜能将光线定向反射回来，使驾驶人在夜间能看清标志。反光膜的反射亮度、色度、耐候性、粘着性、拉伸强度、耐溶剂性等性能都要符合要求。

内部照明标志产品分类

根据发光亮度的不同，内部照明标志分为高亮型、中亮型和低亮型。

根据灯具外壳防护等级的不同，内部照明标志分为三个等级：

一级，外壳防护等级不低于IP55；

二级，外壳防护等级不低于IP44；

三级，外壳防护等级不低于IP34。

根据照明工作时长的不同，内部照明标志分为：

发光间断式，实时检测环境亮度，自动控制标志的开启和关闭；

发光不间断式，24h正常发光。

根据调光方式的不同，内部照明标志分为：

手动控制式，由人工控制内部照明标志的照明工况；

自动控制式，实时检测环境亮度，自动控制照明工况，或按预测程序控制照明工况。