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        低安裝高度燈具道路照明質(zhì)量綜合評價體系

        2011-08-08 08:08:28初醒悟
        照明工程學報 2011年5期
        關(guān)鍵詞:均勻度照度燈具

        初醒悟

        (上海廣茂達光藝科技股份有限公司,上海 200233)

        1 引言

        以往,在某些大型立交橋的匝道照明和城市景觀橋梁照明工程中,人們曾嘗試以側(cè)壁燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的立桿式道路照明的路燈。如上海浦東機場立交匝道 (高壓鈉燈)、蘇州官瀆里立交橋 (高壓鈉燈)、無錫蓉湖大橋 (金鹵燈)、昆山玉峰大橋 (熒光燈)等。這種照明方式,在降低安裝及維護成本、提升視覺感受等方面,收到了很好的預期效果。

        但是,這種照明方式也有一系列的問題有待解決。最突出的問題是眩光的控制,特別是以高壓鈉燈和金鹵燈作為光源的側(cè)壁燈。還有就是這種照明方式很難滿足總體均勻度、縱向均勻度等道路照明設(shè)計標準。

        近年,LED作為高效、低耗的新興光源發(fā)展十分迅猛。諸多路燈廠家紛紛進行LED取代高壓鈉燈方面的研究和探索。而LED也可以作為側(cè)壁燈的光源用于道路照明,并很好地解決以上問題。

        本文的目的是探求一種適合于低高度道路照明質(zhì)量的綜合評價體系。

        2 道路照明的目的

        駕駛員的行車行為是一個復雜的人—機交互過程,在這個過程中駕駛員必須連續(xù)地采集大量信息:方位、線型、路況、周圍車輛、環(huán)境和行人等,并且需要對這些龐大的信息進行快速處理,及時做出正確判斷和采取措施。為了對行車時信息作出快速篩選、判斷和操作,應(yīng)提高道路照明質(zhì)量,尤其是減少光幕亮度,即減小失能眩光對道路照明安全的影響程度,保證交通安全[4]。

        道路照明的目的,主要是夜間為機動車駕駛員提供良好的視覺條件。包括及時察覺路面障礙物的存在,了解障礙物的形體輪廓極其移動情況或趨勢,隨時掌握道路極其設(shè)施的情況,以及在駕駛過程中保持一定的舒適感[1]。

        駕駛員辨別路面的物體 (或障礙)是靠物體與路面亮度的差異來完成的。當物體亮度高于路面亮度時是正對比;當物體亮度低于路面亮度時是負對比。在道路照明中主要使用的是負對比[1]。

        3 低高度道路照明質(zhì)量綜合評價體系

        《城市道路照明設(shè)計的標準》對道路照明質(zhì)量的要求主要包括:視功能方面的評價指標,包括路面平均亮度Lav(或路面平均照度Eav)、路面亮度總均勻度U0(或路面照度總均勻度E0)、閾值增量TI等。視舒適方面的評價指標,包括路面亮度縱向均勻度UL、眩光值等。其他指標還包括像環(huán)境比SR、視覺誘導性、照明功率密度等。

        3.1 路面平均亮度的測量及計算公式

        測量方式:觀測點位于距離右側(cè)路緣石邊緣1/4路寬處,縱向位置距測量區(qū)域邊界60米,觀測點高度1.5米。以靜態(tài)路面亮度近似地代替動態(tài)路面亮度 (見圖1)。

        注意:因為透視面積相等的測點布置,在實際的路面上距離并不相等。近處的測點多,遠處的測點少,如圖所示。應(yīng)先行根據(jù)亮度計里的測量區(qū)域梯形視場,用目標小、深色不反光,但可容易在亮度計鏡頭中發(fā)現(xiàn)的材料,做好測點標記 (見圖2)。

        路面平均亮度按下式計算:

        式中 Lav——路面平均亮度 (cd/m2);

        n——測量點數(shù);

        Li——在第i個測點上測得的亮度值。

        路面平均亮度Lav也可用專用的成像亮度計直接測得。

        3.2 路面亮度縱向均勻度的測量及計算公式

        測量方式:觀測點位于每條車道的中心線上,縱向位置距測量區(qū)域邊界60米,觀測點高度1.5米,對該車道中心線上的測點進行亮度測量,至少測5個不重疊的測點。然后分別找出最小值和最大值,縱向均勻度按下式計算:

        圖1 路面平均亮度測量平面圖

        圖2 路面平均亮度測點布置示意圖

        求出每條車道的UL后,再對它們進行比較,找出其中最小者,即為整個路面的亮度縱向均勻度(見圖3)。

        圖3 路面亮度縱向均勻度測量方式示意圖

        3.3 路面平均照度的測量及計算公式

        測量方式:照度計探頭水平置于路面各個測點上,分別讀數(shù)并記錄。

        測點網(wǎng)格 (見圖4):

        圖4 路面平均照度測點網(wǎng)格示意圖 (中心法布點)

        中心法布點平均照度計算公式:

        式中 Eav——平均照度 (lx);

        M——道路路段縱方向上劃分的網(wǎng)格數(shù);

        N——道路路段橫方向上劃分的網(wǎng)格數(shù);

        Ei——在第i個測點上測得的照度值 (lx)。

        3.4 閾值增量TI的計算公式

        閾值增量是失能眩光的度量。表示為存在眩光源時,為了達到同樣看清物體的目的,在物體及其背景之間的亮度對比所需要增加的百分比。[2]

        閾值增量是將平均路面亮度作為背景亮度。當背景亮度范圍為0.05cd/m2<Lb<5cd/m2時,TI的計算公式近似為[1]:

        式中 TI——閾值增量 (%);

        Lv——等效光幕亮度 (cd/m2),假定觀察者總是以與水平線成1°角注視與路軸平行的正前方 (即一直注視其前方90米路面上的一點);

        Lav——路面平均亮度 (cd/m2)。

        由上述公式,算得的TI與 Lv及 Lav之間的關(guān)系表如表1。

        很明顯,當路面平均亮度Lav為定值時,TI與Lv成正比。即,Lv越大,TI也就越大。將以上數(shù)據(jù)化成圖5時,可以清晰地看出這一點。

        高等級道路路面平均亮度 Lav通常是1.0~2.0cd/m2,而閾值增量TI要求在10%以下,所以Lav為 1.0cd/m2時,等效光幕亮度 Lv不應(yīng)大于0.15cd/m2。Lav為1.5cd/m2時,等效光幕亮度Lv不應(yīng)大于0.20cd/m2。Lav為2.0cd/m2時,等效光幕亮度 Lv不應(yīng)大于0.25cd/m2。

        表1 閾值增量TI與Lv及L av之間的關(guān)系表 %

        圖5 閾值增量與Lv及Lav之間的關(guān)系圖

        等效光幕亮度Lv的計算公式:

        式中 EVi—— 第 i盞燈具在觀察者眼中的垂直照度(lx);

        θi——第i盞燈具發(fā)光中心與觀察者視線之間的夾角(度)。(1.5°< θ< 60°)

        Lv——對所有與視看目標夾角成1.5度 ~60度的燈具的10Eeye/θ2求和,在燈具排布,即所有角度 θ一定的情形下,Eeye越小越好。

        低高度道路照明的眩光評價會遇到一個新問題:那就是并不像常規(guī)路燈那樣因為車頂遮擋而只能看見與視線成20°角以內(nèi)的遠處燈具亮點,而是能看見與視線左右各成90°的180°內(nèi)的所有亮點。這就使得駕駛員在試圖通過反光鏡觀察后部車輛狀況時產(chǎn)生較大眩光。因為此時視看目標是車輛的反光鏡,它與眩光源間的夾角θ很小,這導致等效光幕亮度Lv非常之大。而此時的背景亮度Lb一般都小于路面平均亮度Lav,于是眩光會比較嚴重。這也是低高度道路照明問題的關(guān)鍵之所在。

        所以,必須設(shè)法將燈具在人眼高度上的垂直照度降至最低,才能有效地控制低高度道路照明燈具的眩光 (見圖6)。

        圖6 低高度道路照明情形下駕駛員的視線示意圖

        閾值增量TI也可用專用的成像亮度計直接測得。

        3.5 低高度道路照明質(zhì)量綜合評價指標

        采用主、客觀綜合評分的評價方法。評分表如表2。

        附注:

        (1)以上技術(shù)指標主要參照我國 CJJ45—2006《城市道路照明設(shè)計標準》表3.3.1,機動車交通道路照明標準值中的I級道路,即快速路與主干路中的低檔值。

        (2)燈具應(yīng)為截光型燈具。

        (3)維護系數(shù)取0.7。(參考 CJJ45-2006中附錄B。要求燈具防護等級>IP54)

        路面平均亮度 Lav初裝值最佳為:1.5/0.7=2.14 cd/m2。

        路面平均照度Eav初裝值最佳為:20/0.7=28.6 lx。

        表2 低高度道路照明質(zhì)量綜合評價表

        3.6 綜合評價指數(shù)計算

        低高度道路照明質(zhì)量綜合評價指數(shù) (Overall Evaluation Number)按下式計算確定:

        其中,C1~C9為根據(jù)各分項重要性所定義的權(quán)重系數(shù)。

        權(quán)重系數(shù)取值建議:C1=3.0;C2=1.0;C3=2.0;C4=3.0;C5=1.0;C6=-3.0;C7=-2.0;C8=3.0;C9=0.5。

        前三項亮度評價指標和第四、五項照度評價指標,二者取其一即可。當有條件測量亮度指標時,優(yōu)先以亮度指標做評價。不做評價時,相應(yīng)系數(shù)取零。

        高速公路等無人行道情形,SR不做要求。C9=0.0。

        3.7 眩光主觀評價值GSEV調(diào)查及打分方式

        調(diào)查對象:人數(shù)不少于10人,男女各半,年齡20~50歲。身體健康,視力正常,身高1.6~1.8米,職業(yè)以司機為佳。

        調(diào)查方式:60米之外正常駕駛機動車或60米之外站立靜態(tài)。

        調(diào)查卡片式樣如下:

        編號□ 性別□ 年齡□ 職業(yè)□ 駕齡□身高□ 視力□ 健康狀況□

        表3 眩光主觀評價表

        4 閃爍頻率對視覺舒適度的影響

        不同于常規(guī)路燈30米左右的燈桿間隔,低高度道路照明燈具間隔通常很近。這就會產(chǎn)生一個新問題:由于同一高度、亮度相近的成排燈具亮點依次進入人的眼睛,某些不適合的燈具間距,會造成令人不舒適的頻閃效應(yīng)。特別是當駕駛員試圖觀察反光鏡時,頻閃效應(yīng)更為明顯。

        每秒鐘出現(xiàn)在人眼中光點的數(shù)量,即是閃爍頻率f,單位為赫茲 (Hz)。它主要取決于兩個因素:燈具間距S(spacing,單位為米)和行車速度V(velocity,單位為米/秒)。三者之間的關(guān)系是:f=V/S。

        那么,人眼感受的臨界閃爍頻率是多少呢?物理學中,閃爍的光在主觀上引起的感覺介于閃爍和穩(wěn)定之間時的頻率叫做臨界閃爍頻率 (critical flickcr frequency),或臨界融合頻率 (critical fusion frequency),簡寫為CFF。發(fā)光體的特性 (強度、波長、大小、位置及背景等)對臨界閃爍頻率有影響。觀察者的特點,以及更為復雜的生理和心理因素對臨界閃爍頻率也起作用。此外,觀察者瞳孔的大小、年齡、藥物與酒精的作用、疲勞等等對臨界閃爍頻率都有影響。

        研究表明,當閃爍頻率由低上升到1Hz左右時,人眼開始不適應(yīng)。當閃爍頻率達到10Hz時,人眼感覺最不舒服。目前還不能解釋為什么人眼對10Hz的閃爍特別敏感。有人試圖用人的腦電圖節(jié)律有類似的頻率來解釋,但這一理論目前還沒有被公認。閃爍頻率繼續(xù)升高,當其超過46Hz時,人眼就基本感覺不到閃爍了。

        以高速公路為例,我國《道路交通安全法實施條例》第七十八條規(guī)定:高速公路應(yīng)當標明車道的行駛速度,最高車速不得超過每小時120公里,最低車速不得低于每小時60公里。亦即Vmax=33.3米/秒;Vmin=16.7 米/秒。

        對應(yīng)閃爍頻率f=10Hz,當燈具布置間距S在1.67米~3.33米間時,人眼感覺最不舒服。若考慮避開5~20Hz的閃爍頻率,則應(yīng)避免燈具布置間距S在0.83米~6.66米間。更嚴格地避開2.5~40Hz的閃爍頻率,則應(yīng)避免燈具布置間距S在0.42米~13.32米間。

        JTJ 026.1—1999《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》4.2.2中規(guī)定,燈具布置應(yīng)滿足閃爍頻率低于2.5Hz或高于15Hz。

        5 小結(jié)

        本文提出的低高度道路照明質(zhì)量綜合評價體系,是對該領(lǐng)域的有益的探索。下一步研究的方向是在實踐中檢驗這套體系的科學性和完備性。

        [1]李鐵楠編著.城市道路照明設(shè)計.機械工業(yè)出版社.2007.

        [2]CJJ 45—2006.城市道路照明設(shè)計標準.中國建筑工業(yè)出版社.2006.

        [3]徐萬剛,袁景玉.低高度平光道路照明新技術(shù).照明2009.7.

        [4]楊春宇,劉錫成.失能眩光對道路照明安全影響的研究.照明工程學報,2007.4.

        [5]RAMI,Jean-Paul.A Driving Simulator for Road Lighting Using Fixed Low Mounting Height Luminaires.CIE 26thSession-Beijing 2007.

        [6]J.R.柯頓,A.M.馬斯登主編.陳大華等譯.光源與照明 (第四版).復旦大學出版社.2001.4

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