邊艷妮，汪文妹，王雄斌

(陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710054)

引言

隨著2019年底全國(guó)高速公路完成撤銷(xiāo)省界收費(fèi)站，切換為電子不停車(chē)收費(fèi)(ETC)，ETC門(mén)架在高速公路行業(yè)全面推廣使用。ETC門(mén)架高清攝像機(jī)作為門(mén)架系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，為了確保其在光線較差及夜晚環(huán)境拍照功能的可靠性與穩(wěn)定性，每一臺(tái)攝像機(jī)都配備了補(bǔ)光燈以保證拍照的亮度要求。而補(bǔ)光燈在實(shí)際使用中，由于廠家生產(chǎn)技術(shù)，安裝工藝及使用環(huán)境等因素的影響，使得補(bǔ)光燈對(duì)駕駛員造成一定的眩光影響，從而影響高速公路夜間行車(chē)安全。因此，在補(bǔ)光燈亮度滿足拍照需求的同時(shí)，降低補(bǔ)光燈對(duì)駕駛?cè)藛T的眩光影響，確保高速公路行車(chē)安全是當(dāng)前亟需解決的重要安全問(wèn)題。

針對(duì)補(bǔ)光燈造成的眩光問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已有一系列相關(guān)研究[1,2]。殷曉川等[3]設(shè)計(jì)了一種用于交通領(lǐng)域的補(bǔ)光燈防眩光罩，通過(guò)該裝置遮蔽補(bǔ)光燈正面、側(cè)面多余的眩光，讓補(bǔ)光燈光照區(qū)域相對(duì)集中，以此來(lái)減少對(duì)人眼造成的眩光影響。全利等[4]對(duì)城市道路監(jiān)控補(bǔ)光燈眩光影響進(jìn)行了探討分析。針對(duì)高速公路補(bǔ)光燈的眩光研究國(guó)內(nèi)暫無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)，本文將根據(jù)高速公路ETC門(mén)架拍照補(bǔ)光燈特定運(yùn)行環(huán)境及其相關(guān)參數(shù)對(duì)其眩光問(wèn)題進(jìn)行建模分析，并通過(guò)實(shí)地測(cè)量分析計(jì)算，提出可減小其眩光影響的可行性措施，為高速公路安全運(yùn)營(yíng)提供有效參考依據(jù)。

1 ETC門(mén)架拍照補(bǔ)光燈眩光建模分析及理論光照區(qū)域計(jì)算

1.1 補(bǔ)光燈眩光建模分析

在公路照明領(lǐng)域主要是使用眩光閾值增量(TI)和眩光控制等級(jí)(G)作為公路照明設(shè)計(jì)指導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)[5,6]。本文使用眩光閾值增量的概念分析補(bǔ)光燈對(duì)駕駛員的眩光影響，眩光閾值增量是眩光條件下剛好看見(jiàn)物體時(shí)需要增加的對(duì)比與有效對(duì)比的比值[7]，其計(jì)算如式(1)所示：

(1)

其中LAV為路面平均亮度(cd/m2)，1.05為其指數(shù)，LV為等效光幕亮度(cd/m2)，是由入射到人眼中的光線發(fā)生散射而形成的光幕[8]。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

其中Eθ為垂直于人眼平面上的垂直照度，θ為視線和眩光源入射光線方向間的夾角，K、m為常數(shù)，K值取決于θ的單位，當(dāng)θ用角度表示時(shí)，k=10，θ≥2°時(shí)，m=2。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)規(guī)定TI須小于15%，即TI小于15%時(shí)不會(huì)引起眩光或使人眼感到不適。

1.2 補(bǔ)光燈理論光照區(qū)域計(jì)算

高速公路ETC門(mén)架布設(shè)如圖1所示，補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)及安裝要求如表1所示，其中發(fā)光角度為L(zhǎng)ED光束的中心亮度到光強(qiáng)降至中心最大光強(qiáng)50%時(shí)的夾角。

圖1 高速公路ETC門(mén)架布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ETC portal frame layout of expressway

表1 LED頻閃補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)及安裝要求

將門(mén)架布設(shè)圖用平面圖表示為圖2，其中H 為門(mén)架高度，δ為發(fā)光角度，A為光強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)，即A點(diǎn)距門(mén)架20 m，根據(jù)LED 配光曲線計(jì)算可知，發(fā)光角度外光強(qiáng)較弱，不會(huì)引起眩光。根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算可得理論光照區(qū)域?yàn)?5.8～26.5 m。

圖2 補(bǔ)光燈光照區(qū)域平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of illumination area of fill light

2 補(bǔ)光燈光照度實(shí)地測(cè)量及眩光分析計(jì)算

2.1 補(bǔ)光燈光照度實(shí)地測(cè)量

為更好的解決高速公路ETC門(mén)架補(bǔ)光燈眩光問(wèn)題，選取陜西高速西安至略陽(yáng)路段進(jìn)行實(shí)際光照度測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為2020年3月19日21：00—22：00，天氣晴，空氣質(zhì)量指數(shù)為44，測(cè)量具體地點(diǎn)為西略ETC G7011 420B，補(bǔ)光燈占空比為5(對(duì)占空比為1、3時(shí)的光照度也分別進(jìn)行了測(cè)量，其部分位置不滿足拍照設(shè)計(jì)要求)，測(cè)量?jī)x器使用TES-1339專(zhuān)業(yè)級(jí)照度計(jì)，測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 補(bǔ)光燈光照度實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)

由實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)可知，ETC門(mén)架補(bǔ)光燈實(shí)際應(yīng)用中滿足拍照需求的光照區(qū)域?yàn)?3～50 m，其中主要光照區(qū)域位于距離門(mén)架25～35 m處，與上述理論計(jì)算的主要光照區(qū)域位置不同。因此，本文將基于實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)ETC門(mén)架補(bǔ)光燈眩光影響進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 測(cè)量結(jié)果計(jì)算分析

基于實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，選取25 m、30 m、35 m三個(gè)位置分析計(jì)算補(bǔ)光燈對(duì)人眼的致眩影響，同時(shí)對(duì)于不同大小的車(chē)型，人眼視線與補(bǔ)光燈入射光線方向之間的夾角大小不同，從而對(duì)駕駛員造成的眩光影響不同，因此本文選取小客車(chē)和大貨車(chē)兩種車(chē)型對(duì)補(bǔ)光燈造成的眩光影響進(jìn)行計(jì)算分析。

高速公路夜間行車(chē)開(kāi)啟遠(yuǎn)光燈后，駕駛員視線與ETC門(mén)架補(bǔ)光燈的位置關(guān)系如圖3所示，汽車(chē)遠(yuǎn)光燈照射距離一般為80～120 m，設(shè)定高速公路駕駛員夜間行車(chē)時(shí)視覺(jué)中心位于前方80 m處，小客車(chē)與大貨車(chē)駕駛員視野高度分別為1.2 m、2 m，根據(jù)圖3計(jì)算兩種車(chē)型分別在L=25 m、30 m、35 m三個(gè)位置時(shí)，駕駛員視線與補(bǔ)光燈入射光線方向間的夾角θ如表3所示。

圖3 補(bǔ)光燈與駕駛員視線位置關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship diagram between fill light and driver’s line of sight

表3 高速公路夜間行車(chē)駕駛員視線與補(bǔ)光燈入射光線方向之間的夾角

一般情況高速公路夜間背景亮度由補(bǔ)光燈和汽車(chē)車(chē)燈組成，其中車(chē)燈亮度由車(chē)輛數(shù)及車(chē)型等因素決定，因此，高速公路夜間背景亮度值難以進(jìn)行明確計(jì)算，本文將通過(guò)計(jì)算不引起眩光條件下高速公路夜間行車(chē)背景亮度的需求，從而定性分析補(bǔ)光燈眩光影響極其解決方案。根據(jù)式(1)、式(2)可知，背景亮度LAV計(jì)算公式如式(3)所示：

(3)

其中Eθ=Ecosθ，θ取值如表3所示，K=10，m=2，TI=15%，分別計(jì)算小客車(chē)與大貨車(chē)在三個(gè)測(cè)試距離不同位置不引起眩光所需要的背景亮度如表4所示。

表4 不引起眩光條件下不同位置所需的背景亮度值

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析，高速公路夜間行車(chē)過(guò)程中，當(dāng)上述不同距離不同位置的背景亮度大于該計(jì)算值時(shí)，補(bǔ)光燈亮度才不會(huì)對(duì)駕駛員造成眩光影響。《汽車(chē)用LED前照燈》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，汽車(chē)遠(yuǎn)光燈照度值為70～180 lx[9]，高速公路瀝青路面的反射系數(shù)取0.14[10]，粗略估計(jì)一輛車(chē)的車(chē)燈照射到人眼的亮度小于25.2 lx，而補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)要求中規(guī)定，補(bǔ)光區(qū)域內(nèi)平均光照度應(yīng)小于50 lx，則高速公路行車(chē)數(shù)量為一輛的情況下，背景亮度應(yīng)小于75.2 lx，遠(yuǎn)小于上述計(jì)算中不引起眩光條件下所需的背景亮度值。因此，在上述測(cè)量路段，當(dāng)補(bǔ)光燈占空比為5時(shí)，其亮度會(huì)引起眩光，影響駕駛員的行車(chē)安全。

3 結(jié)論

綜合上述理論分析及實(shí)地測(cè)量計(jì)算分析，減小補(bǔ)光燈眩光影響的解決方案從兩個(gè)方向考慮，一是增大路面背景亮度；二是降低補(bǔ)光燈亮度?？紤]到增加背景亮度成本較高，實(shí)際可行性較低，因此從降低眩光源亮度考慮，按照工程量及實(shí)施難度由易到難，建議措施如下：

1)增大補(bǔ)光燈照射角度(即增加補(bǔ)光燈與水平線的夾角)。保持拍照區(qū)域不變，增大駕駛員視線與補(bǔ)光燈入射光線方向之間的夾角。由實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，測(cè)量路段實(shí)際應(yīng)用中滿足拍照需求的光照范圍為23～50 m，而設(shè)計(jì)要求為16～25 m。因此增大補(bǔ)光燈照射角度，使其光照范圍縮短至設(shè)計(jì)要求的拍照范圍內(nèi)，可以進(jìn)一步降低補(bǔ)光燈的亮度需求，減小補(bǔ)光燈對(duì)駕駛員的眩光影響。

2)拍照區(qū)域向門(mén)架靠近。假如相機(jī)在更大俯仰角(相機(jī)光軸與水平方向夾角)也可以滿足拍照要求，則拍照區(qū)域可由當(dāng)前設(shè)計(jì)要求的16～25 m移動(dòng)至更靠近門(mén)架的位置，可以進(jìn)一步增大駕駛員視線與補(bǔ)光燈入射光線方向之間的夾角θ，從而減少補(bǔ)光燈對(duì)駕駛員的眩光影響。

3)設(shè)計(jì)聚光燈罩，縮短光照區(qū)域。補(bǔ)光燈光照區(qū)域設(shè)計(jì)要求為9 m，實(shí)際測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的補(bǔ)光區(qū)域?yàn)?7 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)要求，致使補(bǔ)光燈亮度過(guò)高的同時(shí)造成光能量浪費(fèi)。因此，通過(guò)加設(shè)聚光燈罩，將光照范圍約束在拍照所需范圍內(nèi)，一方面減小了對(duì)駕駛員可能的致眩區(qū)域，另一方面提高了光能量的利用率，減小了補(bǔ)光燈功率，達(dá)到節(jié)能減排效果。