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影响道路照明质量的要素

发布日期:2018-07-26 点击次数:198

孙卫平

道路照明的主要作用是保障夜间交通安全,为道路使用者提供舒适、可靠的视觉环境。由于在夜间道路使用者中,机动车驾驶员的视觉作业远比行人的视觉作业复杂。而道路照明的质量与驾驶员视觉可靠性之间存在一定关系,如果视觉可靠性得到改善,必然减少事故发生。因此,评价道路照明质量的优劣,必须从影响驾驶员视觉可靠性的基本因素和要求出发。

     视觉可靠性包含两个方面:视功能和视觉舒适。视功能是指驾驶员在他的视野中看清物体及其变化的功能,即视觉的生理作用是否处于正常状态。视觉舒适是指在道路照明产生的视觉环境中,驾驶员在心理上是否感到舒适。直接影响驾驶员视觉可靠性的基本因素有如下几条:

  • 路面或道路附近的物体亮度;

  • 道路背景的普遍亮度;

  • 辨认物体和细部的尺寸;

  • 物体与背景之间的亮度对比;

  • 车道路面与观察到的环境之间的亮度对比;

  • 观察物体的有效时间;

  • 眩光程度等。

根据上述因素,下面分几个方面讨论驾驶员的视觉可靠性与道路照明参数之间的各种关系,从而确定影响道路照明质量的因素和要求。

  1. 建立照明参数的基础——亮度

一个物体之所以能被看见,引起视觉反应。是由于其表面发射的光线进入了观察者的眼睛,进入的光线越多,视觉知觉就越强。道路表面上的照度,是作为观察对象的道路表面单位面积上接收的光线数量,它不能直接给出观察者视觉知觉的强弱。只有道路表面的亮度的高低,才能直接正比于观察者视觉知觉的强弱。实际的道路表面是一种介于漫反射和定向反射之间的表面,这类表面上某一点的亮度,是该点照度和光线入射角、表面反射特性以及观察方位角的函数。所以路面上即使是照度相同的不同点,由于相对于观察者位置的不同,其亮度也不同。

因此,对于使用者来说,道路表面的明暗不直接决定于照度,而决定于亮度。道路表面的照度只反映了路面接受光通量的情况,并不反映路面对这些光线的反射情况,因此它不是一个直接反映道路照明质量的量。而直接影响驾驶员视功能的是在他视野范围内存在的各种亮度图案。由此可见,只有基于亮度概念上建立的各种照明参数,才能很好的满足视觉可靠性的要求。

国际上自1940年开始以亮度来评价道路照明系统,70年代又增加了可见度、识别几率等视功能指标来综合评价,以求更客观更完整准确的反映道路照明的质量。

  1. 视功能

  1. 照明水平:

要能看见并分辨一个物体就,就需要物体与背景间存在一定的亮度区别。在一般的道路上,照明水平较低,所以颜色的视觉较贫乏。而对于驾驶员来说,所必须获取的视觉信息是能在背景(路面)上发觉障碍物的存在,不必区分是什么颜色。同时由于人眼对物体与背景间的亮度差别,比颜色差别更容易区别。所以引出了亮度对比度这一概念,其定义为:

式中:C—亮度对比度

Lb背景亮度

Lo物体亮度

如果物体比背景暗,这个对比度可称之为负对比度,反之则称为正对比度,道路照明一般产生负对比度。因为在明亮背景上的一个黑影,比暗背景上的一个明亮物体更容易被发现,驾驶员只要能看到障碍物的轮廓并判断其方向就行了,并不需要了解细节。

路面上一个物体的亮度Lo与它表面漫反射率RO和它垂直面上的照度Ev的乘积成正比。在亮度为Lb的道路上,一个为Lo的物体在视觉上可能出现下列三种情况:

  1. Lo<Lb,可以明亮的背景上看到黑影

  2. Lo=Lb,二者融合,不能区别

  3. Lo>Lb,可以看到明亮的影子。

显然,第二种情况应该避免。道路照明通常以满足Lo<Lb为原则。因为Lo>LbEv值必然高,Ev值高就很容易引起眩光。

由此可见,增加背景亮度或减少垂直面照度,能提高亮度对比度。从而影响视功能。在控制垂直照度的条件下,路面的平均亮度Lav就可以作为评价道路照明质量的一个重要参数。

  1. 均匀度:

为满足驾驶员的视功能需求,不仅要有一定的路面平均亮度,而且要求路面亮度分布要有一定的均匀度。这就是影响照明质量的第二个参数——亮度总均匀度Uo,其定义为:

式中:Uo亮度总均匀度

Lmin路面最小亮度

Lav路面平均亮度

在一般情况下,最差的对比度往往出现在路面亮度低的区域,以致不易识别出在这些区域里的障碍物。同时,当驾驶员观察道路较暗的部分时,较亮的部分作为眩光源也会对视功能产生影响。因此需要确定路面最小亮度和平均亮度之间的比值,即亮度总均匀度Uo,这对视觉可靠性来说同样是十分重要的参数。

  1. 眩光:

眩光作用会导致识别能力下降,这是由于光在人眼里发生散射所造成的。在没有眩光时,位于驾驶员视野正方向上景物的影像,清楚的聚焦在眼睛的视网膜上,这时的视觉灵敏度与景物的亮度成正比。若在偏离视野正方向的位置上有一眩光源,这个眩光源的光线也会进入眼睛,但这部分光线不会被聚焦,会在眼睛里部分的散射。这部分散射光落到视网膜上,就好像在原来清晰的影像上叠加了一层光亮的幕。这层幕的亮度称为等效光幕亮度,可用如下经验公式求得:

式中:Lv等效光幕亮度

K—年龄因素(平均值=10

Eii个眩光源在眼睛(与视线相垂直的平面)上产生的照度

θi—从第i个眩光源来的光线方向与视线方向间的夹角

由于这层光幕的存在,导致识别能力降低。这是因为在原来的两个亮度(LoLb)上,每个都加上了等效光幕亮度Lv,形成了新的对比度。可用下面两式说明:

  1. 由于有效背景亮度增加,阈值对比度Cth减小,识别能力提高。

    式中:Lbeff有效背景亮度

  2. 有效对比度减小

    式中:Ceff有效亮度对比度

一方面由于背景亮度增加引起阈值对比度减小,另一方面对比度减小了,但是阈值对比度减小的正效应是不能足够补偿有效对比度减小的损失的。也就是说,在没有眩光的情况下,一个物体刚好能看见(阈值对比度)。在眩光的作用下,就看不清了,必须增加对比度才能看清。这部分增加的对比度和原来的对比度有关,它是表达由于失能眩光导致视功能降低的一种度量,称为阈值对比度增量,简称阈增量。CIE1976年提出使用相对阈增量TI来表示失能眩光的程度。在路面平均亮度为0.05cd/m2<Lb<5cd/m2的范围内,相对阈增量可用如下近似公式来表示:

 

k—年龄系数,由                  得出;

A —观察者年龄,岁;

Lav —路面平均亮度,cd/m2;

Ee —观察者视野中的一个灯具在其眼睛处(路面上方1. 5m)垂直于视线方向的表面上产生的初始照度,Lx

θ —视线与人眼至一个灯具光中心连线的夹角(视线位于水平线以下并经过观察者眼睛的沿道路轴线的纵向垂直面上)

这个TI就是评价照明质量的第三个参数。

  1. 视觉舒适

视觉舒适的要求和视功能的要求一样,目的都是为了保证驾驶员的视觉可靠性,从而保障行车安全。视觉舒适是一种心理作用,主要靠主观评价来确定,但可以通过对部分参数的限制来保证一定的照明质量。和视功能一样,视觉舒适也受照明水平、均匀度、眩光三个照明参数的影响,分述如下:

  1. 照明水平:

在保持眩光水平较低的条件下,高的路面平均亮度会使驾驶员感到更舒适,能在一定程度上延缓精神疲劳的产生。因此,路面平均亮度不但对视功能是个重要的参数,对视觉舒适也是一个有影响的参数。

  1. 均匀度:

当车辆在道路上行驶时,前方路面上相继出现的明暗区,会形成有节奏的闪烁。也就是称之为“斑纹效应”的现象。这种现象会对驾驶员产生干扰,引起视觉和精神疲劳。这也是影响视觉可靠性造成事故的一个原因。由此,提出了第四个影响视觉可靠性的照明参数——纵向均匀度(UL),它的定义为:车道中心线上最小亮度与最大亮度之比,即:

式中:UL纵向均匀度

Lmin车道中心线上最小亮度

Lmax车道中心线上最大亮度

  1. 眩光

眩光对驾驶员的视觉舒适感,同样有很大影响。根据实验研究表明,不舒适眩光的程度可以用眩光控制等级(G)来度量。这就是影响视觉可靠性的第五个参数,它主要受灯具特性和装置特性两方面的影响。其表达式如下:

式中:G—眩光控制等级

I80I88—照明器在平行于路轴的垂直面与灯具垂直轴夹角80度和88度方向上的绝对光强;

F—照明器在平行于路轴的垂直面与灯具垂直轴夹角76度方向上的发光面积;

C—光源颜色修正系数;(低压钠灯=+0.4;高压钠灯=+0.1;高压汞灯=-0.1;其他灯泡=0

Lav—路面平均亮度;

h,—水平视线高度和照明器高度间的垂直距离(灯具高度—1.5m;

P—每公里照明器的数量。

上式为一经验公式,其中方括号内的部分代表了灯具特性,称之为灯具指数(SLI)。

  1. 诱导性:

将照明器沿道路走向适当的配置,使车辆、行人对前方道路的方向、路线及有关配置物等有一个明确的视觉条件,这个功能称之为道路照明的诱导性。对于这方面虽然不能给出一个定量的参数,但对于视觉可靠性来说,它同样是一个不可忽略的重要因素。在道路照明中,为增强光学诱导性,一般采用如下几种处理方法:

  1. 直线段道路照明器的配置,应与道路平行,排列整齐;

  2. 道路转弯处照明器应设置在弯道外沿;

  3. 交叉口采用不同于道路光色的光源照明;

  4. 不同的街道使用不同类型的光源;

除上述要素外,不同的光源由于其发射的光谱不同,对视觉可靠性也有一定的影响。近年来随着LED光源的发展,其在道路照明领域的应用也日渐普及,但关于LED光源对视觉可靠性的影响的研究还不够全面和深入,尚有待于进一步拓展,以科学的推进绿色照明的发展。

 

作者简介:

孙卫平
CJJ45-2015
《城市道路照明设计标准》主要起草人之一
GB/T31832-2015
LED城市道路照明应用技术要求》主要起草人之一
CJ/T457-2014
《高杆照明设施技术条件》主要起草人之一
GB/T34923-2017
《路灯管理控制系统》主要起草人之一
CJJ89-2012
《城市道路照明工程施工及验收规程》主要审查人之一
中国市政工程协会城市照明专业委员会技术工作部顾问
四川省电气照明学会副理事长

 

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