高于程， 曾超， 白婧榮

(1.淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 江蘇 淮安 223003；2.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，夜間交通事故約為白天的3倍，良好的道路照明可使城市道路交通事故下降30%，深入分析道路光環(huán)境和夜間照明對提高夜間行車安全具有重要作用。城市快速路夜間光環(huán)境是一個(gè)受各種因素綜合影響的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不僅包括路燈等人造光源，還包括各種指路交通標(biāo)志、誘導(dǎo)標(biāo)志和道路外側(cè)光源，城市快速路照明不僅要滿足日常照明要求，還應(yīng)結(jié)合道路周圍環(huán)境提升城市形象，同時(shí)照明的高效利用可降低道路照明的能源消耗。該文在夜間城市快速路進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，獲得不同駕駛速度、駕駛視認(rèn)距離和道路照明之間的定量數(shù)據(jù)，評價(jià)城市快速路照明環(huán)境，分析道路照明、駕駛行為和照明高效利用程度之間的關(guān)系，提高駕駛員夜間行駛安全度和駕駛舒適性，節(jié)約能源。

1 城市快速路夜間照明條件分析

1.1 照明系統(tǒng)光環(huán)境結(jié)構(gòu)組成

光環(huán)境作為物理環(huán)境的一部分，包含室內(nèi)和室外光環(huán)境系統(tǒng)，根據(jù)光源種類可分為天然光和人工光2種。它不僅要滿足物理科學(xué)要求，還要滿足人們的生理、心理需求及不同程度的審美和社會(huì)要求。城市快速路照明不僅發(fā)揮著城市夜景照明功能，還是城市文化的展示空間。照明方式主要有單側(cè)布燈、雙側(cè)交錯(cuò)布燈、雙側(cè)對稱布燈、中央(橫向懸索)布燈和中央對稱布燈等，選擇合適的照明方式，對提高照明能源利用效率和城市空間藝術(shù)感具有重要意義。

《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求根據(jù)光照強(qiáng)度、均勻度、環(huán)境比和誘導(dǎo)性等設(shè)計(jì)道路光環(huán)境。光照強(qiáng)度E是入射在表面某一點(diǎn)上的光通量除以該元素的面積[見式(1)、式(2)]，有水平照度和垂直照度之分。環(huán)境比SR為機(jī)動(dòng)車道路緣石外側(cè)帶狀區(qū)域內(nèi)的平均水平照度與路緣石內(nèi)側(cè)等寬度機(jī)動(dòng)車道上平均水平照度之比。誘導(dǎo)性表現(xiàn)為駕駛員受到照明系統(tǒng)影響的誘導(dǎo)效果，主要受照明設(shè)施布設(shè)方式、光色、光強(qiáng)和間隔等影響。各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 機(jī)動(dòng)車道照明標(biāo)準(zhǔn)值

(1)

(2)

式中：dφ為光通量；dA為工作面面積；Eav為平均照度；Ei為各測點(diǎn)的照度(lux)；n為測量數(shù)。

1.2 快速路照明光環(huán)境影響因素

城市快速路是城市道路的主動(dòng)脈，承擔(dān)著大部分城市機(jī)動(dòng)車出行，其車速快、車流量大，一旦發(fā)生事故，后果嚴(yán)重甚至影響區(qū)域通行能力?？焖俾芬归g照明光環(huán)境對駕駛員駕駛生理和心理有著重要影響，故快速路照明要求標(biāo)準(zhǔn)較高。城市快速路照明光環(huán)境的直接影響因素包括照明燈具類型、光源顏色和亮度等，間接影響因素包括指路交通標(biāo)志、誘導(dǎo)標(biāo)志、道路橫向?qū)挾群蛙囕v特征等。道路照明的光源主要有高壓鈉燈、金鹵燈和LED燈等，根據(jù)規(guī)范，快速路、主干路需采用截光型、半截光型燈具，宜采用高壓鈉燈，也可選擇發(fā)光二極管燈或陶瓷金屬鹵化物燈。道路照明傳統(tǒng)光源的光色是白黃光和白光?，F(xiàn)有道路交通指路標(biāo)志多為主動(dòng)發(fā)光標(biāo)志牌，借用路燈和車燈等光線投射到標(biāo)志牌上達(dá)到主動(dòng)發(fā)光效果，燈具的延伸長度可確定有效的道路照明寬度。夜間眩光是指城市中各種照明或非照明光源產(chǎn)生的光干擾，燈具亮度和照度過大時(shí)，駕駛員會(huì)產(chǎn)生極不舒適的眩光。等效光幕亮度是指在車內(nèi)測量得到的適應(yīng)亮度，即考慮汽車擋風(fēng)玻璃影響的適應(yīng)亮度。由于汽車擋風(fēng)玻璃的影響較小，且對于既定的汽車，其影響是恒定的。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)路段

選取重慶市內(nèi)環(huán)快速路東環(huán)立交—人和立交路段作為試驗(yàn)路段，其基本情況見表2。該道路的燈具布設(shè)方式為雙側(cè)對稱與中心對稱組合布燈，其缺點(diǎn)是在彎道處駕駛員無法準(zhǔn)確識(shí)別燈桿左右位置，導(dǎo)致較遠(yuǎn)處視覺導(dǎo)向性較差。試驗(yàn)時(shí)間為夜間23：30—00：30，道路周邊光源基本關(guān)閉。試驗(yàn)車輛為夜間道路使用率較高的出租車，試驗(yàn)設(shè)備為照度計(jì)和行車記錄儀，照度計(jì)的高度為小轎車駕駛員視線所在高度，利用相機(jī)錄取速度儀表盤獲取實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)。駕駛員按照日常習(xí)慣自然駕駛，夜間受到照明亮度的影響，視線范圍在車輛前方150 m以內(nèi)，故測量區(qū)域?yàn)榫嗾斩扔?jì)150 m范圍(見圖1)。

表2 試驗(yàn)路的基本情況

圖1 試驗(yàn)路場景

2.2 試驗(yàn)過程

為探究車輛行駛速度、駕駛車輛內(nèi)部光照強(qiáng)度和駕駛員視認(rèn)行為三者的耦合關(guān)系，選取3名出租車駕駛員，從東環(huán)匝道入口駛?cè)雰?nèi)環(huán)快速路，再從人和立交下匝道由西行方向換為東行方向，途經(jīng)五童立交調(diào)轉(zhuǎn)方向，最后駛出東環(huán)立交(見圖2、圖3)，分別統(tǒng)計(jì)以60、80和100 km/h速度行駛的距離，用照度計(jì)測量并記錄駕駛室內(nèi)駕駛員感受到的光照強(qiáng)度，同時(shí)選取不同地點(diǎn)測量實(shí)際道路照明光照強(qiáng)度。

圖2 試驗(yàn)路西行方向

圖3 試驗(yàn)路東行方向

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

異常值是指明顯偏離所屬樣本絕大部分觀測值的值，它會(huì)扭曲X和Y之間的相關(guān)關(guān)系、回歸關(guān)系等，異常值較多或異常稍大時(shí)會(huì)直接扭曲結(jié)論。采用SPSS軟件，采用散點(diǎn)圖圖示法對異常值進(jìn)行檢測，并對缺失數(shù)字按照平均值進(jìn)行補(bǔ)充。駕駛室內(nèi)照明強(qiáng)度小于零和大于30 lux的值、行駛速度小于40 km/h和大于110 km/h的值視為異常值。

3 照度感應(yīng)差異特性分析與適應(yīng)模型構(gòu)建

3.1 不同速度下駕駛室內(nèi)照度感應(yīng)差異特性分析

3.1.1 描述統(tǒng)計(jì)

按照統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)生的頻率繪制直方圖(見圖4)，從中可見大部分?jǐn)?shù)據(jù)在20%范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

圖4 照度的帕累托圖

如表3所示，速度在60 km/h及以下時(shí)，駕駛室內(nèi)照度的中位數(shù)為7.100 lux，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為6.107 lux；速度為80～100 km/h時(shí)，駕駛室內(nèi)照度的中位數(shù)為8.405 lux，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為8.455 lux；速度為100～110 km/h時(shí)，駕駛室內(nèi)照度的中位數(shù)為6.450 lux，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為4.098 lux。速度60 km/h及以下和100～110 km/h對應(yīng)的駕駛室內(nèi)照度最大值超過平均值的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，說明數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，相對于平均值，使用中位數(shù)描述整體水平更適合。

表3 不同速度下駕駛室內(nèi)照度值分布描述統(tǒng)計(jì)量

3.1.2 不同速度下駕駛室內(nèi)照明強(qiáng)度變化

將各車速下樣本數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖(見圖5～8)。從圖5～8可看出：車速為100～110 km/h時(shí)駕駛員感受到的照明亮度較低，部分駕駛員選擇打開車燈增加道路前方亮度。各車速下，駕駛員感受到的照度大都處于低值，結(jié)合描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果，速度為80 km/h左右時(shí)道路照明體驗(yàn)感最佳。運(yùn)行速度超過該路段的第85%分位速度值v85時(shí)，車速越高，要求的照明值也越高。

圖5 速度60 km/h及以下對應(yīng)的照度散點(diǎn)圖

圖6 速度80～100 km/h對應(yīng)的照度散點(diǎn)圖

圖7 速度100～110 km/h及以上對應(yīng)的照度散點(diǎn)圖

圖8 不同運(yùn)行狀態(tài)下駕駛員感受照度值

快速路夜間良好照明條件是保障夜間交通出行安全的重要前提。通過對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)環(huán)快速路的照明由于受到車行道兩側(cè)樹木遮擋和匝道兩側(cè)燈具數(shù)量較少等因素的影響，在均勻度與環(huán)境比方面參差不齊，還有很大提升空間。

3.2 駕駛員感應(yīng)照度與反饋行駛速度適應(yīng)模型

3.2.1 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)度是指不同度量系統(tǒng)之間各組因素在可持續(xù)發(fā)展過程中的相互影響作用，可反映車輛以不同速度行駛過程中駕駛員感受到的照明強(qiáng)度的適應(yīng)性程度。耦合協(xié)調(diào)度模型用于分析事物的協(xié)調(diào)發(fā)展水平，其中耦合度C、協(xié)調(diào)指數(shù)T、耦合協(xié)調(diào)度D的計(jì)算公式見式(3)～(5)，根據(jù)D值和協(xié)調(diào)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表4)得出耦合協(xié)調(diào)程度。

(3)

T=0.5(A+v)

(4)

(5)

式中：v為速度水平指數(shù)；A為駕駛員感受到的照度水平指數(shù)。

表4 耦合協(xié)調(diào)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

文中選取的指標(biāo)在數(shù)量和單位上差異較大，需通過式(6)將具有實(shí)際含義的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成只有指示意義而沒有實(shí)際含義的無量綱值。

(6)

式中：Nij為指標(biāo)歸一化值；xij為各指標(biāo)變量值。

將實(shí)測數(shù)據(jù)帶入耦合協(xié)調(diào)度模型進(jìn)行計(jì)算，得：車速為80～100 km/h時(shí)，耦合協(xié)調(diào)程度最好，為初級協(xié)調(diào)；車速在60 km/h及以下和100～110 km/h時(shí)，為勉強(qiáng)協(xié)調(diào)(見表5、圖9)。夜間駕車駕駛員視覺的光環(huán)境獲取主要來自道路照明，依靠車行道兩側(cè)燈光照明獲取道路信息和周圍車輛信息，從而作出判斷和決策。內(nèi)環(huán)快速路兩側(cè)燈具缺乏維護(hù)、被樹木遮擋、路燈散射的光纖與疊加不均，駕駛員獲取的照明均勻度較低，直接影響駕駛員的視覺負(fù)荷，因而該路段的總體耦合協(xié)調(diào)程度較低。

表5 不同速度下駕駛室內(nèi)照度值耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算結(jié)果

圖9 不同速度下耦合度與協(xié)調(diào)指數(shù)的變化

3.2.2 熵權(quán)TOPSIS模型

熵權(quán)TOPSIS法將評價(jià)指標(biāo)問題列成矩陣，通過矩陣歸一化確定最理想狀態(tài)方案解和最差狀態(tài)方案解，計(jì)算并對比每個(gè)被評價(jià)對象與這2個(gè)解之間的距離，得出最優(yōu)對象解，最優(yōu)選擇對象的特征與最理想方案解最近。步驟如下：

(1) 構(gòu)建評價(jià)矩陣。假設(shè)有m個(gè)需要評價(jià)的情形，評價(jià)指標(biāo)為n個(gè)，第i種情形下第j個(gè)指標(biāo)值為xij，則初始矩陣X為：

(7)

(2) 按式(8)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化，得到規(guī)范化矩陣R[見式(9)]。

(8)

(9)

(3) 確定指標(biāo)權(quán)重。運(yùn)用熵的原理確定指標(biāo)權(quán)重，可較好地避免主觀因素的影響。各指標(biāo)的決策信息熵值E按式(10)計(jì)算，第j個(gè)指標(biāo)的差異度Dj、權(quán)重因子Wj分別按式(11)、式(12)計(jì)算。

(10)

Dj=1-Ej(j=1,2,…,n)

(11)

(12)

(4) 構(gòu)建加權(quán)判斷矩陣。將各指標(biāo)的權(quán)重因子Wj引入規(guī)范化矩陣R，構(gòu)建加權(quán)判斷矩陣V：

(13)

(5) 分別按式(14)、式(15)計(jì)算正、負(fù)理想解。

(minvij|j∈I)}

(14)

(maxvij|j∈I)}

(15)

(6) 按式(16)、式(17)計(jì)算歐式距離。

(16)

(17)

(7) 按式(18)計(jì)算TOPSIS評價(jià)值，對評價(jià)指標(biāo)大小進(jìn)行排序。

(18)

通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行熵權(quán)TOPSIS模型計(jì)算，根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的正、負(fù)理想解A+和A-(見表6)，計(jì)算出評價(jià)對象與正、負(fù)理想解的距離值D+和D-，得到評價(jià)指標(biāo)的排序(見表7)。

表6 TOPSIS評價(jià)正、負(fù)理想解

表7 TOPSIS評價(jià)計(jì)算結(jié)果

由表7可知：車速為80～100 km/h時(shí)，駕駛員感應(yīng)照度與反饋行駛速度的耦合協(xié)調(diào)程度最好，其次為車速為100～110 km/h時(shí)。與耦合度協(xié)調(diào)模型計(jì)算結(jié)果一致。

4 結(jié)論和建議

(1) 城市快速路照明光環(huán)境的直接影響因素包括照明燈具類型、光源顏色和亮度等，間接影響因素包括指路交通標(biāo)志、誘導(dǎo)標(biāo)志、道路橫向?qū)挾群蛙囕v特征等。采用實(shí)車試驗(yàn)方法采集車輛運(yùn)行速度與駕駛員室內(nèi)感知照明程度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到速度60 km/h及以下和100～110 km/h對應(yīng)的駕駛室內(nèi)照度值波動(dòng)較大，速度為80 km/h左右時(shí)道路照明體驗(yàn)感最佳。速度超過該路段的v85時(shí)，車速越高，要求的照明值也越高。

(2) 選取耦合協(xié)調(diào)度模型和熵權(quán)TOPSIS模型構(gòu)建駕駛員感應(yīng)照度與反饋行駛速度適應(yīng)模型，模型計(jì)算結(jié)果如下：車速為80～100 km/h時(shí)耦合協(xié)調(diào)程度最好，為初級協(xié)調(diào)；車速在60 km/h及以下和100～110 km/h時(shí)，為勉強(qiáng)協(xié)調(diào)。該路段的總體耦合協(xié)調(diào)程度較低。

(3) 內(nèi)環(huán)快速路的行車速度較高，包含匝道處，燈具設(shè)置需按高標(biāo)準(zhǔn)照度設(shè)計(jì)。要從道路照明電氣節(jié)能目標(biāo)出發(fā)，充分結(jié)合道路特點(diǎn)和照明要求選擇合理的燈具，建議選取雙光源燈具，在不影響照明均勻度的情況下，可選擇在車輛稀少時(shí)關(guān)閉一個(gè)光源，以降低能源消耗。同時(shí)路管公司加強(qiáng)對燈具的維護(hù)和行道樹的修剪。