透光混凝土基LED主动发光交通标线的光纤设置

朱本成， 郭忠印， 宋灿灿

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

交通标线在维持道路使用秩序、提升交通安全水平、提高车辆通行效率等方面具有十分重要的作用[1].研究表明交通标线的效能取决于其视认性[2].

2002年，透光混凝土被匈牙利建筑师Losonczi[11]发明，通过埋入混凝土中的光纤实现构件侧表面的光线传输.此后，匈牙利、意大利、法国、美国和中国等国家均有所应用，例如2010年上海世博会意大利馆的外墙采用了透光混凝土试块砌筑[12].目前透光混凝土主要用于建筑领域，如博物馆、歌剧院[13]及公共建筑地下入口[14]等；也被用于户外LOGO展示和广告宣传[15].透光混凝土的制备工艺，目前主要有光纤先植和光纤后植两种[16].透光混凝土的力学性能、透光性能、微观性能受光纤种类和用量的影响，王信刚等[17]的研究表明，其抗压和抗折强度分别可达70和7.5 MPa以上.

本文将透光混凝土引入公路建设领域，以LED作为光源创造一种新型交通标线——透光混凝土基LED主动发光交通标线.光纤是透光混凝土基LED主动发光交通标线的核心材料，具有光线传输的关键作用，其导光性能、使用特性及掺量是影响标线视认性、经济性和使用效能的重要因素，故确定所用光纤的材质、直径和掺量等参数是设置透光混凝土基LED主动发光交通标线的首要环节.通过国内外文献调研，未见有关透光混凝土基LED主动发光交通标线光纤参数设置方面的研究.

基于上述分析，本文通过室内实验和室外场地实验，研究确定透光混凝土基LED主动发光交通标线的光纤类型、直径及掺量等相关参数.

1 基于物理/导光/经济性的光纤选型

1.1 物理特能

透光混凝土基LED主动发光交通标线结构特殊、制备工艺复杂、应用条件严苛，因此，要求光纤应有与之匹配的物理性能.第一，透光混凝土块体成型需经过插捣、振实等工艺，骨料难免与光纤碰撞；标线设置路段难免出现车辆换道与压线行驶，因此光纤需要承受车辆碾压作用，这就要求光纤韧性好、不易破损.第二，光纤有一定的光谱范围，根据发光标线的使用要求，光纤必须能够传导红黄绿等可见光，即光谱范围约为490～700 nm.第三，研究表明光纤性能受温度影响显著，我国大部分地区的道路路表温度范围约为-20 ℃～65 ℃[18]，故光纤适用温度需要包含路面温度场的阈值范围.从上述三个方面对比市场上光纤的物理性能，见表1.

表1 不同种类光纤的物理性能

由表1，4种光纤光谱范围均满足要求.但玻璃光纤韧性差、易破损，液芯光纤易破损且适用温度不满足要求，故从物理性能看，塑料光纤和石英光纤可用于透光混凝土基LED主动发光交通标线.

1.2 导光性能

针对塑料和石英光纤，进一步开展导光性能实验，比较不同种类光纤的导光能力.

1.2.1实验方案

(1) 实验材料

根据光纤外包材质的差异，选择PMMA(Polymethyl Methacrylate)塑料光纤、硬树脂包层石英光纤(CS-H)、硅橡胶包层石英光纤(PCS)、双包层石英光纤(HCS)，规格见表2.

表2 实验光纤样本规格

基于道路用户对常用交通颜色所示含义的固有理解，如红色表示禁止、绿色表示通行、黄色表示警告，选择直径5 mm的红黄绿三色LED灯珠作为光源.

(2) 实验仪器

实验采用TASI-8731型分体式数字照度计.该照度计的测量范围是0-20 000 Lux，精度为0.01 Lux，可以在Lux和Fc两种照度单位之间转换，取样速度为2次·S-1，具有峰值锁定和读值锁定、数据自动记录功能.

(3) 实验流程

实验在暗室内进行，具体流程如下：① 点亮LED灯珠，将其垂直至于照度计感光面中心，记录照度计读数L1作为光源初始照度值；② 光纤其中一端垂直紧贴LED灯珠，另一端即出光端垂直至于照度计感光面中心，记录照度计读数L2作为光纤出光端照度值；③ 每个组合工况下均重复步骤①～②三次，结果取其平均值.

1.2.2导光率分析

通过光纤导光率比较不同光纤的导光性能，其计算公式定义为

f=L2/L1

(1)

式中：f为光纤导光率，%；L1为光源初始照度均值，Lux；L2为光纤出光端照度均值，Lux.

实验结果如图1所示.

a PMMA光纤

b CS-H光纤

c PCS光纤

d HCS光纤

图1 不同种类光纤的导光率

Fig.1 Light-transmitting rate of different optical fibers

由表3，在α=0.05的显著性水平下，PMMA与HCS，CS-H与PCS对红色光的导光率无显著性差异；PMMA与PCS，CS-H与PCS对黄色光的导光率无显著性差异，其余条件下均有显著性差异.

综上，HCS光纤对红黄绿色光的导光率均比其他三种小，且差异性显著，故不采用HCS光纤.CS-H与PCS的红、黄色光导光率无明显差异，CS-H的绿色光导光率优于PCS；CS-H的三色光导光率均优于PMMA.PCS与PMMA的导光率各有优劣.故需在CS-H、PCS与PMMA中选择合适的光纤.

1.3 经济性

通过性价比指标进一步比较PMMA、CS-H和PCS光纤.本文定义光纤性价比计算公式为

R=S/C

(2)

式中：R为光纤性价比；S为红黄绿三种色光的导光率之和，%；C为光纤价格，元·m-1.

表3 多重比较结果

PMMA、CS-H和PCS光纤的R值见表4.

表4 光纤性价比计算值

由表4，PMMA的性价比最高，PCS次之，CS-H最低，通过方差分析，PCS与CS-H的性价比没有显著差异.

基于本节分析，综合考虑光纤的物理性能、导光性能以及经济性，透光混凝土基LED主动发光交通标线选用PMMA光纤.

2 基于导光率的光纤直径分析

2.1 理论分析

透光混凝土基LED主动发光交通标线的发光源是灯珠，光纤是光波传输通道，两者所构成的发光-导光体系如图2所示.图中,θ为光强空间分布角.

图2 发光-导光体系示意图

LED灯珠的发光强度在空间中呈不均匀分布形态，如图3所示.

图3 LED光强空间分布曲线

由图3，LED灯珠的光强主要分布在40°～140°的空间范围内，故图2中虚线所示θ为40°～140°空间锥形体内集中了LED光源的大部分光强.根据图2灯珠与光纤的几何特征分布，计算得到最优光纤直径d=5.96 mm.当光纤直径大于5.96 mm时，随着直径的增大导光率仍会增加，但增幅较小.而光线在PMMA光纤中发生全反射的最大入射角为60°，故由于光线的折射损失，即使光纤直径无穷大其导光率也不会达到100%.因此，为保证透光混凝土具有较高的导光率，同时又不至使直径过大而浪费，光纤直径应该选用6 mm.

2.2 实验验证

为检验2.1节推论的可靠性，采用与第1节相同的光源、实验仪器及实验流程，探究导光率随直径的变化规律.本次实验采用的光纤样本是直径分别为8、6、5、3、2.5、2、1.5、1 mm的PMMA光纤，长度均为15 cm，如图4所示.

图4 实验光纤样本

实测导光率随直径的变化规律如图5所示.

图5 导光率随直径的变化

图5显示，随着光纤直径的增大，导光率的增长先快后慢.为定量表征其变化规律，采用S型曲线对不同光源颜色条件下导光率f与光纤直径d的关系进行拟合，结果见表5.

拟合结果显示，S型曲线方程的R2接近1，P值满足α=0.05的显著性水平，拟合度非常好.根据拟合公式，红黄绿色光的实测导光率上限值分别为60.49%、47.06%、62.74%.当光纤直径为6 mm时，红黄绿色光的导光率可分别达到上限值的90.56%、91.81%、92.97%；当光纤直径大于6 mm时，导光率增速明显下降且随后的增长幅度较小，这与理论分析结果相吻合.而整体上看实测导光率低于理论分析值，一方面是由于光波在光纤介质中传播存在一定的衰减；另一方面，实验操作过程中LED和光纤的中心线未能完全重合，造成一定的偏差.

表5 导光率与光纤直径回归关系结果

基于理论推导和实验验证，透光混凝土基LED主动发光交通标线选用的光纤直径是6 mm.

3 基于视认性实验的光纤掺量设定

采用直径6 mm的PMMA光纤制作透光混凝土，以视认距离为评价指标，通过现场实验研究透光混凝土块体的视认性，确定透光混凝土基LED主动发光交通标线中的光纤掺量.

3.1 实验方案

3.1.1实验变量

根据研究目的，设置外界环境照度、光源颜色、光纤掺量三个自变量，因变量是视认距离.

(1) 外界环境照度：中午(13:00，光照度大于20 000 Lux)、黄昏(17:30，光照度约为3 000 Lux)、夜晚(20:00，光照度约为0.08 Lux).

(2) 光源颜色：红色、黄色、绿色.

(3) 光纤掺量：本文定义光纤掺量为每个发光块体所包含的光纤根数(pcs)，本次实验拟设置光纤掺量范围为1～25 pcs(非零整数).

3.1.2发光实物

采用直径5 mm的红黄绿三色LED灯珠和直径6 mm的PMMA光纤，基于现有混凝土试模，制作了边长为15 cm的发光立方体.光纤的两端分别是集光面和发光面，立方体其余4个面不参与集光和发光.结构实物及发光效果分别如图6和图7所示.

图6 透光混凝土基LED主动发光立方体实物图

a 红色

b 绿色

3.1.3实验驾驶员

参与实验的驾驶员共10人，均拥有C1驾照，其中女性3人，男性7人.年龄22～28岁(平均年龄24.1岁，标准差1.6岁)，矫正视力均在1.0以上.

3.1.4实验流程

实验在同济大学实验场地进行，具体流程为：① 将发光块体安放在原有标线位置，调控光源颜色与灯珠点亮数量；② 被试驾驶员驾驶小汽车从远处以不超过5 km·h-1的速度缓缓向发光块体驶近，直至被试驾驶员能明显观察到块体所发出的光并能正确辨认其颜色处停车；③ 测量发光块体和车辆之间的直线距离，即作为其视认距离.

实验过程中，中午和黄昏环境下不开车灯，夜晚环境下开启远光灯.实验流程示意图及不同时段的测试场地环境分别如图8和图9所示.

图8 实验流程示意图

a 中午(13:00)

b 黄昏(17:30)

c 夜晚(20:00)

3.2 数据汇总

实验发现，光纤掺量达到5 pcs时，视认距离已经较大，故实测光纤掺量范围为1～5 pcs.夜晚红色光的视认性能好，限于场地范围，实验仅测量了1 pcs时的视认距离.依据拉依达准则检验，每种工况下10名测试者的实验数据中均无异常值.实验结果如图10所示.

a 夜晚-红色

b 夜晚-黄色

c 夜晚-绿色

d 黄昏-红色

e 黄昏-黄色

f 黄昏-绿色

g 中午-红色

h 中午-黄色

i 中午-绿色

3.3 光纤掺量的确定

图10显示，发光标线的视认距离随光纤掺量的增加而增大，且增幅逐渐趋缓.中午照度条件下三种颜色标线的视认距离均小于252 m；夜晚照度条件下三种颜色标线的视认距离均大于252 m；黄昏照度条件下黄色标线的视认距离小于252 m，而红色和绿色标线的视认距离均大于252 m.在外界光照度较强的中午，现有逆反射型标线具有良好的视认性能，可以满足驾驶员的视认需求，故中午照度条件下不采用主动发光交通标线进行诱导.黄昏照度条件下，太阳光的色温较低，外界环境中黄色光的成分较多，导致黄色发光标线的视认距离较小，且随光纤掺量的增多其视认距离的增长缓慢，故使用黄色光进行诱导是不经济的；而从实际功能需求的角度分析，发光标线应能够指示通行、警告、禁止三种交通流状态，即需要三种颜色来实现三级控制；基于人眼视认特性，红、橙、黄三种色光的醒目性和视认性连续变化[22]，通过控制波长可使橙色标线的视认距离介于红色和绿色之间，故根据行车风险程度的高低，透光混凝土基LED主动发光交通标线采用绿色表示通行、橙色表示警告、红色表示禁止.由于夜晚照度条件下的视认距离大于黄昏照度条件，故满足黄昏照度条件下的视认距离需求即可同时满足夜晚照度条件下的视认距离需求.

综上，本文以黄昏照度条件下绿色标线的视认距离作为光纤掺量的控制依据，可实现透光混凝土基LED主动发光交通标线的三级调控.

选择对数模型，对黄昏照度条件下绿色标线视认距离与光纤掺量之间的关系进行回归，相关参数见表6.

表6 黄昏条件下绿色标线视认距离与光纤掺量回归分析

表6显示，回归参数和回归方程的P值均满足α=0.05的显著性水平，黄昏照度条件下绿色标线视认距离与光纤掺量之间的回归方程是：

y=92.423+102.021lnx

(3)

式中：y为视认距离，m；x为光纤掺量，pcs.

将y=252 m代入式(3)，求得x=4.77，即倾斜角度为90°的5 pcs光纤就可以满足设计速度为120 km·h-1时的停车视距要求.

此外，考虑1.2的安全系数，设计速度为120 km·h-1时透光混凝土基LED主动发光交通标线的光纤掺量设置为5×1.2=6 pcs.

考虑经济性，不同设计速度的高速公路和一级公路路段的停车视距需求不同，对应的合理光纤掺量也应不同.因此，针对不同设计速度路段，其光纤掺量应实行差异化设置.采用与设计速度为120 km·h-1时同样的计算方法，得到不同设计速度对应的合理光纤掺量见表7.

表7 不同设计速度对应的合理光纤掺量

3.4 应用分析

透光混凝土基LED主动发光交通标线的视认性能良好，可用于小半径、长大纵坡、桥梁隧道、交织区等不良道路条件和雨雾、冰雪、风沙等复杂气象条件引起的高风险路段，通过增强驾驶员视线诱导能力的方式提供一种新型交通安全保障方案.同时，依托智慧型主动发光交通标线搭建救援管理平台，可以控制与减少由于高风险路段突发气象、突发事件等信息发布不及时带来的二次事故.

一方面，透光混凝土基LED主动发光交通标线可进行前向道路线形诱导和车辆尾迹显示，根据实时检测的气象条件、车型、车速及事件等交通参数，划分行车风险等级，确定交通管控策略，将一定长度范围内的交通标线对应设置为不同的颜色，如采用绿色表示通行、橙色表示警告、红色表示禁止，起到视觉诱导、信息发布、安全保障的作用.通过设置一定的闪频，并切换不同的颜色方案，对预防疲劳驾驶也会产生良好的效果.

另一方面，透光混凝土基LED主动发光交通标线与压电路面、太阳能光伏路面等新型路面结构紧密结合，采用压电、太阳能综合供电方式，是绿色公路、平安公路、智慧公路理念的融合实践.

此外，交通标线的全天候识别是自动驾驶车辆面临的一项技术难题，基于本文开发的透光混凝土基LED主动发光交通标线，嵌入电子通讯元件，提高了交通标线的数字化、智能化与信息化水平，为自动驾驶车辆对道路交通标线的全天候识别提供一种新的解决方案.

4 结语

本文研究确定了透光混凝土基LED主动发光交通标线的光纤种类、直径、掺量.综合考虑光纤的物理性能、导光性能和经济性，PMMA光纤是透光混凝土基LED主动发光交通标线的最佳选择.通过光纤导光率的理论计算与实验验证，确定传导红、黄、绿三色光的PMMA光纤的直径采用6 mm.视认距离随外界环境照度的降低而增大、随光纤掺量的增加而增大，同一外界环境照度和光纤掺量下标线的视认距离红色最大、绿色次之、黄色最小.基于不同颜色光源视认距离与光纤掺量的对数回归模型，综合考虑车辆前进过程中驾驶员视觉的连续性和均匀性，设计速度为120、100、80、60 km·h-1的高速公路和一级公路对应的光纤掺量合理值分别为6、4、3、2 pcs.

透光混凝土基LED主动发光交通标线在保障交通安全、提升车路协同技术等方面具有广阔的应用前景，符合“四个交通”的总体要求，对行业发展具有一定的引领作用.

本文也存在不足之处，如对LED主动发光标线的视认性能研究中，仅考虑了外界环境、光源颜色、光纤掺量的影响，未考虑道路线形、交通流特征等因素.此外，对于该新型标线的设置间距、光源闪频等参数还有待进一步研究.