常见城市道路交会区照明设计模拟现状分析与优化

孙雁飞 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海200125

0 前言

交会区（Conflict Areas）[1]是第一个在城市道路照明设计标准（CJJ45—2015）中出现的专业术语，其定义为道路的出入口、交叉口、人行横道等区域。在此类区域中，机动车之间、机动车和非机动车或行人之间、车辆与固定物体之间的碰撞有增加的可能。其中，道路交会区照明是作为提高城市道路功能性照明的重点之一，通过这种方式能有效提高道路交通安全性，降低交会区碰撞的可能性。

LED作为21世纪最具竞争力的新型固体光源，在道路照明中被越来越广泛的使用。但在目前规范中，尚未完善定义使用特定的配光灯具。这种情况促使现状路口交会区功能性照明成为发现问题最多的地方，其主要存在照度过量，眩光超标，均匀度不达标等问题。

基于现有问题对其调研并分析，寻求一种合理、高效、简单的方法，以下研究分析中，逐项对上述情况分析并解决了目前最常见的十字交叉口照明设计不合理的问题。

1 上海常见路口交会区照明设计现状调研及分析

目前，上海常见路口交会区采用高度为12m的中杆平面对称型投光灯。十字路口多为4角对称布置，T型路口常见为道路尽端设置1处或3角布置[2]。照明灯具普遍采用以高压钠灯为主的投光灯，通常每根灯杆上，设置有2或3套灯具。实际使用中，这种设置可使机动车司机及行人感受到路口区域照度的明显提升。但由于高压钠灯的显色性较差，实际调研中发现，机动车驾驶者观察到非机动车所消耗的反应时间相对较长。

同时，随着LED作为高效路灯光源被广泛投入市场，上海近年来也开始大范围推广LED路灯的使用。LED灯具与高压钠灯除了在色温及显色性上有明显差异外，实际使用时LED灯具还可依据环境进行二次或三次配光，大大提高了灯具有效光通量的利用系数。但是在路口区域，由于其独特的受光形式，正常路段使用的LED灯具不能适用在常见十字路口照明的布设形式中。因此，路口照明多采用与原先高压钠灯投光相同的布局设计，甚至连路口照明杆件都保持一致的配用方式。这样的通用布设使得路口照明往往缺乏针对LED灯具的合理优化[3]。

图1 常见路口LED灯具配光

图1所示为目前上海广泛使用的LED投光灯常用配光，此种配光多是由景观照明配光迁用至道路路口的功能性照明设计。通常依据光束角的不同，区分为投光灯与泛光灯。投光灯照射出的光束角度一般在30°～60°，而泛光灯照射出的光束角度一般是60°～120°。

在实际使用投光灯或泛光灯作为路口照明灯具的过程中发现，投光灯与泛光灯在路口照明设计中的适用性较差。原因共有以下3点：

（1） 路口使用的LED投光灯具并未依据路口照明的特点进行二次配光，导致未能有效提高使用LED灯具带来的良好照明效果；

（2）由于灯具配光时未考虑抑制眩光，导致路口眩光超标，增加了行人及机动车的危险性；

（3）LED投光灯截光性明显，杆后照明效果不佳。

2 交会区不合理照明行人及车辆影响

实际使用过程中，由于采用LED投光灯或泛光灯作为路口照明灯具后，人眼感受无法被具体量化分析。因此在下述案例中，使用图1中的投光灯配光曲线在DIALux软件中进行照明模拟，对使用此类灯具的路口照明效果进行数据分析并评价。

2.1 仿真分析

在上海市临港某道路中，路口宽度约为65m，灯具采用光束角为50°的LED投光灯具，功率为200W，光通量为23000lm，四角对称布置投光杆灯，灯具离地12 m。

图2 路口采用50°投光灯配光伪色图

在没有周围路灯补光的条件下，照明效果如图2所示，亮度较高区域形成“×”状，没有被“×”覆盖的区域则照度较低。同时，两盏投光灯照射的高亮区域被放大，形成极度明显的四点光斑，最大照度达到56 lx，而杆下区域有着明显的低照度区域。实际运用过程中，此种配光对灯具安放位置也有要求，灯杆与被考察区域有最少距离要求，一般5 m左右，如果距离要求不满足，则容易形成“灯下黑”的效果。从照度值看，其中亮度最高的区域成块状分布在灯的下方不远处，而其他区域照度相对下降，如图3所示。

图3 路口采用50°投光灯配光灯照度图

表1 路口采用50°投光灯配光灯照度结果

在没有其他灯光补光条件下，均匀度也相应较低，见表1。由于角度范围限制，在安装时，一个位置需要两盏角度适中的投光灯进行一定角度照射，如图4所示。使用单个投光灯时，角度太大则溢出光太多，而角度太小，均匀度则不够。

图4 路口采用50°投光灯照射角度示意图

2.2 均匀度影响

LED投光灯或泛光灯的配光特点是沿透光方向圆周对称照射。安装使用时，只需校准透光方向即可。但依据《城市道路照明设计标准》2015版中表3.4.1[1]的要求，照度均匀度需不小于0.4。因此，在进行路口区域照明设计时，还需要周围路灯进行补光。但实际安装调试时，路口照度均匀度调整难度较大，其数值常常只能达到0.2。上述仿真模拟中，均匀度仅能达到0.232，远低于国标中要求的最低值0.4。均匀度较差时，有亮斑出现，容易形成“黑洞”效应，即当人眼望向亮斑时，亮斑后的物体应对比度较差，潜在问题无法被观测到。

同时，路口中心区域照度仅能达到15lx，这对于提高交会区中易碰撞区域的照明度并无实际或明显的成效，那么设置加强照明的意义在某种程度上就无效了。

2.3 眩光影响

为了量化分析眩光对驾驶者及行人的影响[4]，在2.1节模拟的交会区域设置了36个眩光测试点用来计算 GR值（如图5所示）。为了模拟驾驶者的实际情况，眩光测试点采用离地1.5 m，观测斜坡为-2°，即驾驶者视线为水平方向朝下2°，观测范围为四周360°区域，采集频率为15°。

图5 路口眩光测试点位图

表2 路口眩光测试结果

眩光测试结果见表2，GR平均值约62。依据GB/Z 26214—2010中表2场地照明推荐眩光限定值[5]，照明应用类型为运动与安全的情况下，路口交会区应属于正常交通情况，由表中可得推荐GR最高值应限制在45。

由此可见，采用普通LED投光型灯具不仅均匀度差，眩光也无法满足实际安全需求。

3 交会区照明设计优化方案

依据路口照明需求，下面针对现有交会区照明设计提出优化方案，从而提高照明效果，提升交会区安全性。

3.1 灯具配光优化

LED灯具本身可以进行二次配光，甚至有三次配光的潜在特性。依据目前常用的路口照明形式，进行过二次配光的路口照明灯具主要能保证路口的中心照度，即提高灯具朝向路口中心的光通量。同时，为避免灯杆杆下黑的情况出现，杆下区域需保证一定的光通量。由于杆下区域距离较近，少许的光通量即可达到配光需求。同时为了控制眩光，交会区应能够对配光曲线保持抑制。依据市场上现有产品，寻找了两款专为路口照明设计的灯具（配光曲线如图6和图7所示），并对其应用效果进行验证。

图6 路口专用灯具1配光曲线

图7 路口专用灯具2配光曲线

3.2 优化后照明模拟结果

沿用2.1节的模拟环境，仅修改灯具配光以及投射角度，计算表面、灯具位置、灯具高度、灯具功率、灯具光效及周围环境均保持不变。

在采用路口专用灯具1配光曲线时，模拟结果见图8、表3和表4。

图8 路口专用灯具1配光点照度图

表3 路口专用灯具1配光照度结果

表4 路口专用灯具1配光眩光测试结果

在采用路口专用灯具2配光曲线时，模拟结果见图9、表5和表6。

图9 路口专用灯具2配光点照度图

表5 路口专用灯具2配光照度结果

表6 路口专用灯具2配光眩光测试结果

由模拟结果可见，路口专用灯具1和路口专用灯具2都能够有效提高路口均匀度，灯具1和灯具2的均匀度分别为0.5和0.48。灯具1模拟结果 GR平均值为55，而灯具2的GR平均值为58.9。因此，路口专用灯具1比路口专用灯具2能够更加有效地抑制眩光。但使用灯具1时，路口平均照度只能达到14 lx，而灯具2可以达到20lx。综合考虑各项指标，LED路口专用灯具需根据其特性，对路口交会区进行优化布设方案，从而更加有效地提高道路交通安全，降低交会区碰撞的可能性。

4 结论

在道路交会区中，使用路口专用配光曲线的LED灯具不仅可以有效地提高路口区域光照的均匀度，同时能够有效地降低眩光出现的情况。但是目前，模拟得出的GR值仍然超过了限定眩光值。如何在保证均匀度的情况下降低GR值，从而进一步确保交会区域行车安全性将作为下一步研究探讨的内容。