王 剛，李文宜,，曾 旭，劉木清，沈海平

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433；2.飛利浦中國研究院，上海 200233)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，車輛數(shù)量急劇增長，交通安全也越來越受到關(guān)注。根據(jù)交警部門統(tǒng)計(jì)[1]，在被雨水濕潤的路面上交通事故發(fā)生的概率，雨天發(fā)生交通事故的比例較晴天時(shí)高出近25%。由于雨天行車視線不佳、路面濕滑，反應(yīng)時(shí)間和制動距離都會增加，尤其是夜間，如果道路照明不當(dāng)，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員也極易引發(fā)交通事故，因此在雨天條件下仍能保證道路照明的質(zhì)量非常重要。

表征道路照明質(zhì)量最重要的指標(biāo)——路面亮度，不僅與燈具配光有關(guān)，同時(shí)也取決于路面的反射特性。要進(jìn)行路面亮度計(jì)算，除了要知道燈具的光度數(shù)據(jù)外，還必須獲得路面的亮度系數(shù)表或簡化亮度系數(shù)表(簡稱r表)。由于實(shí)際路面千差萬別，精確的亮度系數(shù)或簡化亮度系數(shù)只有通過實(shí)測才能獲得，但由于其測試設(shè)備及方法又比較復(fù)雜，一般情況下很難開展現(xiàn)場測試。因此國際照明委員會(CIE)和世界道路協(xié)會(PIARC)共同推薦了幾套標(biāo)準(zhǔn)簡化亮度系數(shù)表，包括R系列4張表、N系列4張表、C系列2張表和W系列4張表，以此滿足粗略的路面亮度計(jì)算需求。但這些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表大都源于20世紀(jì)60、70年代歐洲科學(xué)家針對歐洲當(dāng)時(shí)典型路面材料所作的研究工作[2-4]，與我國現(xiàn)在廣泛使用的道路材料已然差異很大，但國內(nèi)針對路面材料反射特性的研究十分匱乏，至今還沒有專門針對中國路面材料的標(biāo)準(zhǔn)路面反射率數(shù)據(jù)，作者與國內(nèi)少數(shù)研究者此前已在路面材料的反射特性方面開展了長期的研究工作并取得了一些結(jié)果[5-9]。

雨天條件下，路面的反射特性更為復(fù)雜，相關(guān)研究工作報(bào)導(dǎo)更少。只有在20世紀(jì)70年代，丹麥科學(xué)家Sorensen對潮濕路面的反射特性做了一些研究工作[10-12]，其成果最終形成了W系列標(biāo)準(zhǔn)濕路面表并沿用至今。由于現(xiàn)今智能照明技術(shù)、新型節(jié)能光源和路面材料的大量應(yīng)用，原有的CIE標(biāo)準(zhǔn)簡化亮度系數(shù)表已然無法滿足道路照明設(shè)計(jì)的要求。因此歐盟于2016年啟動了“SURFACE”項(xiàng)目，研究新的路面反射特性測試方法及測試數(shù)據(jù)，最終為新的路面標(biāo)準(zhǔn)化工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13]。作者為了研究適應(yīng)中國路面材料和照明技術(shù)現(xiàn)狀的雨天路面基礎(chǔ)反射率數(shù)據(jù)，在此前干路面研究的基礎(chǔ)上，自行開發(fā)了用于雨天路面反射特性測試的系統(tǒng)與方法，這篇論文主要討論由此獲得的一些數(shù)據(jù)和研究成果。

本文以上海為應(yīng)用分析對象，研究適用于上海地區(qū)路面材料及氣候的推薦濕路面簡化亮度系數(shù)表。并以該表為依據(jù)，開展雨天道路照明質(zhì)量的計(jì)算分析，研究不同r表對道路照明設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。這些研究結(jié)果不僅可以直接指導(dǎo)實(shí)際的道路照明工程設(shè)計(jì)，也可為今后相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

1 路面反射特性描述體系

本研究涉及的研究對象為道路表面鋪裝的瀝青材料。瀝青路面的光學(xué)反射特性可認(rèn)為是由漫反射和鏡面反射組成的混合反射。一般采用雙向反射分布函數(shù)(fBRDF)來描述路面的這種混合反射特性：

fBRDF=q(α,β,γ)

(1)

q稱為亮度系數(shù)，是某一點(diǎn)上的亮度L與該點(diǎn)上的照度E的比值，即

(2)

α是從觀察角度，β是光源入射面與觀察面之間的夾角，γ是光源的入射角，如圖1所示。

圖1 道路照明亮度計(jì)算示意圖Fig.1 Schematic diagram of luminance calculation for road lighting

圖1中，觀察點(diǎn)上的亮度LP可以通過計(jì)算亮度系數(shù)q和水平照度EH計(jì)算而得：

(3)

式中I(c,γ)是路燈的光強(qiáng)空間分布函數(shù)，h是路燈垂直高度。為了方便計(jì)算，又引入新的參量r(α,β,γ)稱之為簡化亮度系數(shù)，其定義如下：

r(α,β,γ)=q(α,β,γ)cos3(γ)

(4)

此時(shí)路面亮度可直接用式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

一般在機(jī)動車駕駛中，駕駛員注意的區(qū)域在前方60～160 m處，駕駛員眼位的平均高度大致為1.5 m，此時(shí)α角的范圍為0.5°～1.5°。在這個范圍內(nèi)亮度系數(shù)變化不大可以忽略，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)一般取1°作為觀察角度進(jìn)行路面亮度的測試和計(jì)算。這時(shí)，r僅是β和γ的函數(shù)，r表的測試只需對這兩個角度進(jìn)行掃描即可。

在CIE路面分類系統(tǒng)中，憑借Q0、S1這兩個特征參數(shù)來進(jìn)行路面分類，其定義為

(6)

(7)

其中Q0為q在一個規(guī)定的矩形立體空間(內(nèi)的平均值，其代表了路面的平均反射率水平，也稱為路面的平均亮度系數(shù)。S1為在β=0°時(shí)，r在γ=63°和0°兩點(diǎn)上的值的比值，其代表了路面的鏡面程度，因此也稱為路面的鏡面系數(shù)。對于濕路面，CIE推薦用另一個特征參數(shù)S1′來描述濕路面的鏡面程度：

(8)

其中S1wet和Q0wet分別為濕路面的S1值和Q0值。

CIE根據(jù)路面的平均亮度系數(shù)Q0和鏡面系數(shù)S1，將干燥路面分成3類：R，N和C類。R類主要來源于荷蘭、比利時(shí)和德國等國的路面反射特性測試數(shù)據(jù)；N類主要來源于丹麥、瑞典等北歐國家的路面反射特性測試數(shù)據(jù)；C類由CIE和PIARC在1984年的聯(lián)合技術(shù)報(bào)告《道路表面和照明》中共同推出。而濕路面的標(biāo)準(zhǔn)反射特性則由1979年推薦的W類來描述。

2 樣品及測試結(jié)果

我國目前普遍使用的瀝青路面材料為瀝青混凝土混合料(AC)和瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)，由于水泥混凝土在上海道路中用得較少，以后也很少會用，因此不在本文研究范圍?？紤]到不同材料的差異和使用過程中材料受磨損帶來的影響，我們將測量對象按使用時(shí)間分為新、舊兩個組，按材料分為AC與SMA兩組。本文一共完成對20塊瀝青路面樣品的簡化亮度系數(shù)表的測量，其中包括SMA新、舊樣品各5塊，AC新樣品數(shù)量6塊和舊樣品數(shù)量4塊，如圖2所示。

圖2 瀝青路面測試樣品Fig.2 Test samples of asphalt road surface materials

測試系統(tǒng)和方法作者在此前發(fā)表的論文中已有描述[9]。具體測試過程為：將路面樣品在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下(25 ℃溫度，60%濕度，無對流空氣)放置至少1天，測試其干燥條件下的r表，然后用模擬降雨裝置將其完全淋濕，在分別放置0、30、60 min后再依次測試樣品。預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下，淋濕樣品在放置2 h后的反射特性與干燥路面已經(jīng)相差很小，可以認(rèn)為其已經(jīng)達(dá)到光學(xué)上的“干燥”，因此對濕路面只測到60 min。最后將所有測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出樣品每種狀態(tài)下的r表及其Q0、S1′。

所有樣品在完全淋濕后，分別放置0、30、60 min后的Q0、S1′的分布結(jié)果如圖3所示， CIE W系列的邊界線也標(biāo)注在圖中，依據(jù)此邊界我們對這些樣品進(jìn)行歸類分析。

圖3 完全淋濕并放置0、30、60 min后，20塊樣品的Q0～S1′分布圖Fig.3 Q0-S1′ diagram of 20 samples, dried for 0, 30 and 60 minutes after fully wet

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，所測的路面樣品，在完全淋濕并放置0 min后，平均Q0=0.068，平均S1′=36.38。其中大部分路面測試樣品屬于CIE W1或CIE W2類別。20塊樣品中有9塊屬W1類，其平均Q0=0.038，平均S1′=6.36，將這9塊樣品的r表值進(jìn)行同比例縮放，使其Q0值為平均Q0值即0.038，再將這9張表進(jìn)行算術(shù)平均從而得到一張“新W1表”，發(fā)現(xiàn)其S1′=7.27。同理，20塊樣品中有5塊屬W2類，其平均Q0=0.054，平均S1′=17.54，將這5塊樣品的r表值進(jìn)行同比例縮放，使其Q0值為平均Q0值即0.054，再將這5張表進(jìn)行算術(shù)平均從而得到一張“新W2表”，發(fā)現(xiàn)其S1′=21.18。

對于完全淋濕并放置30 min后的樣品，隨著其濕度的降低，其Q0值和S1′值均較0 min時(shí)有所降低，平均Q0=0.052，平均S1′=16.40，其樣品集中在W1或W2類的程度更高。有13塊屬于CIEW1類別，平均Q0=0.038，平均S1′=3.85，此時(shí)的“新W1表”的S1′=4.11；有5塊屬于CIE W2類別，平均Q0=0.059，平均S1′=13.08，此時(shí)的“新W2表”的S1′=15.40。

而對于完全淋濕并放置60 min后的樣品，其Q0值和S1′值進(jìn)一步降低，平均Q0=0.043，平均S1′=7.30，只有1塊樣品不屬于W1或W2類。有14塊屬于CIE W1類別，平均Q0=0.038，平均S1′=3.31，此時(shí)的“新W1表”的S1′=3.59；有5塊屬于CIE W2類別，平均Q0=0.046，平均S1′=11.19，此時(shí)的“新W2表”的S1′=12.74。

干燥狀態(tài)下樣品的測試結(jié)果并未標(biāo)注在圖3中，其平均Q0=0.033，S1=1.85。

3 推薦濕路面簡化亮度系數(shù)表

不同的降水量，路面對應(yīng)不同的潮濕程度，具有不同的反射特性。雨停之后，在路面緩慢的干燥過程中，其反射特性也在持續(xù)改變，這是個動態(tài)變化的過程，因此只能從統(tǒng)計(jì)的角度來考慮一個地區(qū)的某個時(shí)期內(nèi)的平均路面反射特性。

一般說來，對同一種材料的路面，濕度越高，鏡面反射程度越高，S1′值越大。如果道路照明設(shè)計(jì)能使某種鏡面反射程度較高的濕路面滿足照明均勻度的要求，那么對于鏡面反射程度較它低的“更干”的路面，均勻度一般也能滿足要求。同時(shí)，考慮到照明設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，以能覆蓋92%的夜晚時(shí)長為目標(biāo)[2]，來定義推薦濕路面r表，具體方法如下：

以一年為研究周期，從氣象局?jǐn)?shù)據(jù)庫中，查找某氣象站點(diǎn)按小時(shí)記錄的天氣數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)下雨、雨停60 min后和干燥狀態(tài)分別占夜晚時(shí)長的比例，以上海閔行站為例，從2016年8月至2017年7月，這三種狀態(tài)占夜晚時(shí)長的比例分別為9.3%、2.5%和88.2%，其對應(yīng)路面的S1′/S1值分別為前面所述的所有樣品的S1′/S1平均值，即36.38、7.3和1.85(不考慮30 min數(shù)據(jù)，因氣象數(shù)據(jù)最小以小時(shí)為單位進(jìn)行記錄)。將三種狀態(tài)對應(yīng)的時(shí)長比例轉(zhuǎn)化為累加比例，即S1=1.85對應(yīng)時(shí)長比例為88.2%，S1′=7.3對應(yīng)為88.2%+2.5%=90.7%，而S1′=36.38對應(yīng)為88.2%+2.5%+9.3%=100.0%，并作得累加比例與S1′之間的曲線，如圖4所示。對該曲線在92%點(diǎn)進(jìn)行插值計(jì)算，所得到的S1′值即推薦濕路面r表的S1′值。

圖4 推薦濕路面r表的定義方法(以閔行氣象觀測站為例)Fig.4 Definition method of recommended wet road r-table (taking Minhang meteorological station for example)

我們統(tǒng)計(jì)了閔行、寶山、嘉定、崇明、徐家匯、南匯、浦東、金山、青浦、松江和奉賢11個市區(qū)從2016年8月至2017年7月一年的夜間實(shí)時(shí)降雨量數(shù)據(jù)，將所有這些站點(diǎn)分別計(jì)算得到的S1′值進(jìn)行平均，從而得到了適用于上海地區(qū)的推薦濕路面r表的S1′值=11.1。將該值與此前分析所得的6張新W1/W2表進(jìn)行比對，選擇S1′值與該值最接近的新W表，作為上海市的推薦濕路面r表，其可覆蓋92%夜間時(shí)長下的照明需求。

對于其他不同氣候的地區(qū)，需要重新采集當(dāng)?shù)靥鞖鈹?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如果所采用的路面材料也不盡相同，還需對路面測試樣品進(jìn)行重新采樣測試。

4 道路照明應(yīng)用分析

我們利用Calculux 7.7.0.1進(jìn)行道路照明質(zhì)量仿真計(jì)算分析。按照實(shí)際工程應(yīng)用中的典型情況，將仿真中的道路照明參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為：每個車道的寬度W為4 m，燈桿間距s為30 m，燈具安裝高度H為10 m，燈具懸挑長度O為1 m，燈具仰角T為12°，如圖5所示。維護(hù)系數(shù)設(shè)為0.7。

圖5 道路照明參數(shù)設(shè)置示意圖Fig.5 Schematic diagram of parameter setting for road lighting

照射方式考慮6種典型情況：單向單車道單側(cè)布置、單向兩車道對稱布置、雙向兩車道對稱布置、雙向四車道對稱布置、雙向六車道對稱布置和雙向八車道對稱布置。

燈具方面，選取15款典型路燈的實(shí)測配光數(shù)據(jù)，其中12款為LED路燈，3款為高壓鈉燈，其中某一款路燈的配光曲線示例如圖6所示。

圖6 所仿真的某一款路燈的配光曲線圖Fig.6 Luminous intensity distribution curve of a simulated road lamp

路面反射特性數(shù)據(jù)采用前面所得的推薦濕路面r表，以及CIE W1、W2、W3和W4表。

最終要考察的目標(biāo)照明指標(biāo)以平均亮度(Lave)、亮度均勻度(Lmin/Lmax)和縱向亮度均勻度(Ul)為準(zhǔn)。

以單向單車道單燈布置的照明方式為例，對15款燈分別計(jì)算其以推薦濕路面r表和W1表為路面反射特性數(shù)據(jù)，在平均亮度、亮度均勻度和縱向亮度均勻度三個指標(biāo)上兩者之間的相對偏差的絕對值，結(jié)果如表1所示。

表1 15款燈在單向單車道單燈布置照明方式下，推薦濕路面r表與CIE W1之間仿真結(jié)果偏差的絕對值

對15款燈具的偏差值分別作算術(shù)平均后得到表1中最后一行的結(jié)果。換一種照明方式，重復(fù)上面的偏差計(jì)算，可以得到6種照明方式下與W1的平均偏差值，如表2所示。

對6種照明方式也進(jìn)行算術(shù)平均，從而得到表2中最后一列的結(jié)果，這就是推薦濕路面r表與CIE W1表之間在三個照明指標(biāo)上的平均相對偏差。對CIE W2、W3和W4也進(jìn)行相同的計(jì)算并匯總，最終結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，推薦濕路面r表與CIE W1、W2、W3和W4表的仿真計(jì)算結(jié)果相差較大，尤其是平均亮度。也就是說在照明設(shè)計(jì)時(shí)，如果沒有實(shí)測r表，采用CIE W1表進(jìn)行仿真計(jì)算，其計(jì)算值與實(shí)測值的相對偏差平均可能達(dá)到223%；如果采用W4表，則平均相對偏差最大，達(dá)到了376%。因此CIE W系列表對于雨天路面反射特性的描述不適用于上海地區(qū)。

表2 6種照明方式下，推薦濕路面r表與CIE W1之間的平均偏差值(對15款燈進(jìn)行平均)Table 2 Average deviations of simulation results between recommended wet road r-table and CIE W1 table (averaging 15 road lamps), under 6 lighting installations %

表3 推薦濕路面r表與CIE W1、W2、W3和W4表之間的平均相對偏差(對15款燈、6種照明方式進(jìn)行平均)

不過除了不同的路面材料和天氣條件對路面的反射特性存在較大影響外，路面樣品自身較大的離散性也是產(chǎn)生上述較大偏差的原因。我們進(jìn)一步分析所測的20塊路面樣品的Q0值后發(fā)現(xiàn)，在干燥狀態(tài)下，20塊樣品中最小值和最大值相差達(dá)到了近3倍，個體與平均值之間的最大偏差達(dá)到了62%；在淋濕狀態(tài)下的偏差更大，如在完全淋濕30 min后，最小值和最大值相差達(dá)到了10倍，個體與平均值之間的最大偏差甚至達(dá)到了283%，如表2所示。這也是道路照明亮度計(jì)算較難實(shí)現(xiàn)高精度的主要原因之一。

表4 不同濕度狀態(tài)下的Q0值的個體差異

5 總結(jié)

我們搭建了濕路面反射特性測試系統(tǒng)，對20塊路面樣品進(jìn)行了測試，得到了4種狀態(tài)(完全淋濕放置0 min后、完全淋濕放置30 min后、完全淋濕放置60 min后、干燥狀態(tài))下的簡化亮度系數(shù)表及其S1′/S1和Q0值。根據(jù)上海市一年的降水?dāng)?shù)據(jù)，按照統(tǒng)計(jì)的方法得出了一張適用于上海天氣的推薦濕路面r表。在典型照明設(shè)置條件下，將其照明計(jì)算結(jié)果與CIE W系列表進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)CIE的W系列表與我們的實(shí)測表之間在平均亮度、亮度均勻度和縱向亮度均勻度上的計(jì)算結(jié)果偏差較大，CIE W表不適用于上海地區(qū)雨天路面反射特性的描述。

本文所搭建的雨天路面反射特性測試系統(tǒng)、相應(yīng)的測試和分析方法以及初步取得的一些測試數(shù)據(jù)，不僅可以直接指導(dǎo)實(shí)際的道路照明工程設(shè)計(jì)，也可為今后相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

鑒于濕路面樣品自身離散性大的特點(diǎn)，今后的研究過程中如有條件可增大測試的樣本量以提高收斂性；根據(jù)不同材料之間表現(xiàn)出來的差異性，可以考慮根據(jù)材料類型精細(xì)化地給出r表；另外，根據(jù)濕路面反射特性隨時(shí)間快速變化的特點(diǎn)，也可以考慮將時(shí)間因素納入r表的建模中去。