中美道路照明標(biāo)準(zhǔn)及測試方法的解析

孟令濤 鄒念育 賀曉陽 曹冠英 楊軼 李德勝 張競輝

(大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034)

1 引言

道路照明為機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，以求達(dá)到保障交通安全、提高交通運(yùn)輸效率、降低犯罪活動(dòng)和美化城市夜晚環(huán)境的效果［1］。道路照明的設(shè)置還有助于創(chuàng)造舒適宜人的夜晚環(huán)境氛圍［2］。此外，優(yōu)良的道路照明設(shè)施也是城市形象和人文修養(yǎng)的重要表現(xiàn)之一［3］。道路照明評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是評價(jià)城市照明設(shè)施好與壞的主要依據(jù)，科學(xué)和詳細(xì)的道路照明標(biāo)準(zhǔn)可以客觀真實(shí)的反映道路照明設(shè)施的質(zhì)量。而道路照明測試方法則是評價(jià)與檢驗(yàn)道路照明設(shè)施的照明效果是否達(dá)標(biāo)的主要手段。本文之所以重點(diǎn)以中美兩國的測試標(biāo)準(zhǔn)為參考基礎(chǔ)，是因?yàn)槊绹牡缆氛彰鞴こ贪l(fā)展比較早，其標(biāo)準(zhǔn)和測試方法參照了國際照明委員會 (CIE)的有關(guān)規(guī)定，而且美國的地理位置和氣候條件與我國相似，因此研究和解析中美兩國的道路照明標(biāo)準(zhǔn)及測試方法，對我國道路照明的開展與檢測有實(shí)際價(jià)值。

2 中美道路照明標(biāo)準(zhǔn)的解析

中國道路照明標(biāo)準(zhǔn)和美國道路照明標(biāo)準(zhǔn)對照明評價(jià)參數(shù)都作出了詳細(xì)的規(guī)定，本文對其進(jìn)行了詳細(xì)的解析和比較，如表1所示。

表1 中美道路照明標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的比較［3～13］

我國根據(jù)使用功能和車流量的大小，將城市道路照明按快速路與主干路、次干路、支路分為三級［7］。美國在道路分級上將高速公路照明納入該國的道路照明標(biāo)準(zhǔn)，將道路照明按A類高速公路、B類高速公路、快速路與主干路、次干路、支路分為五級［7］，而在我國，高速公路一般歸交通運(yùn)輸部系統(tǒng)管理，高速公路照明標(biāo)準(zhǔn)需另見交通部制訂的標(biāo)準(zhǔn)。

我國的平均亮度值和照度值規(guī)定了高檔和低檔兩個(gè)值，在選定照明標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，應(yīng)考慮城市的性質(zhì)和規(guī)模，中小城市和車流量較小的道路以及交通控制系統(tǒng)和道路分隔設(shè)施完善的道路可選擇標(biāo)準(zhǔn)中的低檔值［7］，而大城市和車流量大的道路應(yīng)該選擇標(biāo)準(zhǔn)中的高檔值，這是我國標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)精確之處，既滿足了不同道路的照明功能，又節(jié)約了能源。因此，平均亮度的高低擋值規(guī)定應(yīng)該繼續(xù)保留在我國標(biāo)準(zhǔn)中。

美國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)道路表面反射系數(shù)的不同和車流人流的大小，把每個(gè)分級道路的平均照度標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定為三個(gè)值或三個(gè)范圍。而我國標(biāo)準(zhǔn)直接給出的平均照度僅適用于瀝青路面，水泥混凝土路面對應(yīng)的平均照度值可相應(yīng)降低約30%，這一數(shù)值是根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)附錄A給出的水泥混凝土路面的簡化亮度系數(shù)表算出的。同時(shí)，在我國標(biāo)準(zhǔn)中，平均照度標(biāo)準(zhǔn)值只適用于干燥路面，沒有考慮到雨雪等天氣的濕滑路面的情況，，我國應(yīng)該將平均照度值的范圍擴(kuò)大，把雨雪天氣因素納入到標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，進(jìn)一步完善我國平均照度的標(biāo)準(zhǔn)值。而美國標(biāo)準(zhǔn)存在同樣的問題［10］

中美兩國在眩光限制標(biāo)準(zhǔn)值方面也存在差異。在各個(gè)級別的道路上，我國和CIE一致，采用閾值增量的評價(jià)方法，而美國的標(biāo)準(zhǔn)采用光幕亮度比的評價(jià)方法［13］。兩國的評價(jià)方法不同，但是都有其科學(xué)性和合理性。

3 道路照明測試方法的解析

道路照明測試方法是測試和檢驗(yàn)道路照明設(shè)施照明效果的主要手段，也是評價(jià)照明質(zhì)量的主要依據(jù)［7］。因此，解析中美兩國道路照明測試方法，對我國照明質(zhì)量的提高有重要的意義。

3.1 照度測試方法的解析

中美兩國的照度測試方法基本一致，根據(jù)測量點(diǎn)的選擇方式的不同，兩國道路照明照度測量的布點(diǎn)方法都采用四點(diǎn)法和中心法兩種。如圖1示，四點(diǎn)法是把同一側(cè)兩燈柱間的測量路段分成若干個(gè)大小相等的矩形網(wǎng)格，把測點(diǎn)設(shè)置在每個(gè)矩形網(wǎng)格的四角。如圖2示，中心法是把同一側(cè)兩燈柱間的測量路段劃分成若干個(gè)大小相等的矩形網(wǎng)格，把測點(diǎn)設(shè)在網(wǎng)格中心。

圖1 四點(diǎn)法示意圖 (圖中圓點(diǎn)為測量點(diǎn))

四點(diǎn)法的平均照度計(jì)算:若M為縱方向劃分的網(wǎng)格數(shù)，N為橫方向劃分的網(wǎng)格數(shù)，則被測區(qū)域的總網(wǎng)格數(shù)為 M×N(本文中的 M和 N的值以4×4為例)。網(wǎng)格的劃分方法和數(shù)量在我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5700－2008《照明測量方法》已有規(guī)定，而平均照度為 Eav，

其中:E0為圖一中測量區(qū)4個(gè)角處測點(diǎn)的照度;E1為圖一中除4個(gè)角處4條外邊上測點(diǎn)的照度;E2為圖一中測量區(qū)4個(gè)外邊以內(nèi)測點(diǎn)的照度。

圖2 中心法示意圖 (圖中的圓點(diǎn)為測量點(diǎn))

而中心布點(diǎn)法的平均照度計(jì)算公式為，

其中，Eav為平均照度值，E0為圖二中各個(gè)測量點(diǎn)測量的照度值。

本文既考慮到某些數(shù)值的特殊性，又考慮到計(jì)算的整體性，而采用了式 (3)所示的加權(quán)平均算法，該公式將測量區(qū)域歸納為三類，第一類是四個(gè)燈桿正下方的位置;第二類是兩燈桿中心位置;第三類是為除前兩類之外的位置。第一類型測量區(qū)域(四個(gè)燈桿正下方的位置)的測量點(diǎn) E0的點(diǎn)數(shù)最少，也是司機(jī)使用頻率最少的區(qū)域，將其乘以系數(shù)1，第二類型測量區(qū)域 (兩燈桿中心位置)的測量點(diǎn)E2是司機(jī)使用頻率最多的區(qū)域，將其乘以系數(shù)4，第三類型區(qū)域中測試點(diǎn)E1的使用頻率介于第一類和第二類之間。將其乘以系數(shù)2，并且考慮到布點(diǎn)區(qū)域 (M和N)，M為橫向網(wǎng)格數(shù)，N為縱向網(wǎng)格數(shù)。進(jìn)而根據(jù)公式 (3)計(jì)算獲得的平均照度值。綜上所述，在測試區(qū)域相同的條件下，本文有效地避免了傳統(tǒng)四布點(diǎn)測試方法中機(jī)動(dòng)車道測量點(diǎn)與人行道測量點(diǎn)相重合的問題，并且計(jì)算的平均照度值更加精確［14］。其改進(jìn)的公式為，

3.2 亮度測試方法的比較

首先，選擇亮度測量路段應(yīng)該考慮的因素也較多，選擇測量地段時(shí)，應(yīng)從燈具的間距、高度、懸挑、仰角等的安裝規(guī)整性及光源的一致性等方面選擇有代表性的路段［15～18］。亮度測量范圍在道路縱向應(yīng)為從一根燈桿起100m距離以內(nèi)的區(qū)域，至少應(yīng)包括同一側(cè)兩根燈桿之間的區(qū)域;對于交錯(cuò)布燈，應(yīng)為觀測方向左側(cè)燈丁開始的兩根燈桿之間的區(qū)域。在道路橫向應(yīng)為整條路寬。亮度計(jì)的觀測點(diǎn)高度應(yīng)距路面1.5m，亮度計(jì)的觀測點(diǎn)的縱向位置應(yīng)距第一排測量點(diǎn)為60m。亮度測點(diǎn)的布置方法也詳見國標(biāo)GB/T 5700－2008，這里不再贅述。在美國RP－8－00《道路照明》附錄 A之A9中也規(guī)定了路面亮度測量方法，其布點(diǎn)方法和我國的方法略有不同，但這還不是最主要的，主要差別在于其規(guī)定亮度計(jì)的高度為1.45m，且亮度計(jì) (觀測者)隨著測試點(diǎn)平行于道路移動(dòng)，始終保持1°視線，與測點(diǎn)縱向距離為83m。我國的測量標(biāo)準(zhǔn)和CIE保持一致，而對于美國標(biāo)準(zhǔn)我們無從評價(jià)。

測量高度的一致性需三角架來控制。平均亮度的值是設(shè)定的點(diǎn)上測得的各點(diǎn)亮度的平均值，它是衡量照明效果的主要參數(shù)。路面亮度總均勻度為路面上最小亮度與平均亮度的比值。路面亮度縱向均勻度是同一條車道中心線上最小亮度與最大亮度的比值［18－20］。

3.3 亮度測試和照度測試的關(guān)系

評價(jià)機(jī)動(dòng)車道路照明的質(zhì)量，是從機(jī)動(dòng)車駕駛者角度來衡量，考慮其視覺的功能和舒適性兩個(gè)方面。概括而言，主要指道路的平均亮度、亮度的均勻度，對使用者產(chǎn)生的眩光控制水平等。雖然依據(jù)亮度建立標(biāo)準(zhǔn)比依據(jù)照度建立標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)合理。但是如果要檢查或核對亮度的設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際 (或符合規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn))，也可通過測量照度來進(jìn)行，即如果照度的設(shè)計(jì)值和實(shí)測值是符合的話，則亮度的設(shè)計(jì)值和實(shí)際值也會符合。當(dāng)然，這是以路面的反光性能接近設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的數(shù)值為前提的。由于測量亮度需要亮度計(jì)，實(shí)際測量工作也比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而測量照度的方法要簡單方便得多，照度計(jì)的使用和攜帶也比亮度計(jì)方便，因此，沒有條件進(jìn)行亮度測量的地方，不但不能放棄反而要重視照度測量。

綜上所述，美國制定的照度和亮度相互補(bǔ)充的照明標(biāo)準(zhǔn)和測量方法是可取的。目前，我國也采用了照度和亮度兩套標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 眩光的限制方法

目前，中美兩國眩光的限制方法主要有兩個(gè)方面，即失能眩光和不舒適眩光，失能眩光損害眼睛看物體的能力，直接影響到駕駛員察覺路面情況的可靠性;不舒適眩光通常會引起視覺上的不舒服或疲勞。

失能眩光的限制值，我國規(guī)定了閾值增量(TI)的范圍。閾值增量是將平均路面亮度作為背景亮度，當(dāng)背景亮度范圍為0.005cd/m2＜Lb＜5cd/m2時(shí)，TI的計(jì)算公式近似為下式，

其中，TI是相對閾值增量 (%)，Lv是等效光幕亮度，Lav為平均路面亮度，而等光效光幕亮度的計(jì)算方法式 (5)

其中，Lv為等效光幕亮度，Eeye為眩光源在觀察者眼睛上 (位于垂直于視線的平面上)所產(chǎn)生的照度，θ為視線與眩光源入射方向之間的夾角，K為比例常數(shù)，當(dāng)θ以度為單位時(shí)，K=10，當(dāng)θ以弧度為單位時(shí)，K=3×10－3。在實(shí)際情況中，視場中會出現(xiàn)多個(gè)眩光源，此時(shí)總的等效光幕亮度是每個(gè)眩光源所產(chǎn)生的等效光幕亮度之和。

美國的失能眩光限制則是采用根據(jù)式 (6)計(jì)算得到的光幕亮度比Lvmax/Lavg來評價(jià)的。

式中 Lv=一個(gè)燈具產(chǎn)生的光幕亮度 ;K=10×在25歲觀察者眼睛平面上產(chǎn)生的垂直照度 ;θ=以度為單位的角度。Lavg為路面平均亮度

請注意，式 (5)和式 (6)還是有一些差別的

目前，LED路燈大范圍應(yīng)用于道路照明，其低能耗、高亮度、壽命長等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。然而如果高亮度的LED路燈布燈不合理，就會也會造成比傳統(tǒng)光源更強(qiáng)的眩光。因此，眩光的限制應(yīng)該進(jìn)一步加以重視。

3.5 討論及建議

LED作為一種新型光源，與傳統(tǒng)光源相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、重量輕、節(jié)省空間、光譜范圍廣、易于設(shè)計(jì)、能耗低等。而且可靠性好、壽命長，有著廣闊的發(fā)展前景。表2可顯現(xiàn)出LED路燈相對傳統(tǒng)高壓鈉路燈具有的優(yōu)勢。目前，為了引導(dǎo)我國半導(dǎo)體照明應(yīng)用的健康和快速發(fā)展，科技部啟動(dòng)了“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用工程。由于LED自身的優(yōu)勢和國家的大力倡導(dǎo)，LED取代傳統(tǒng)光源的進(jìn)程勢必加快。因此，我國照明標(biāo)準(zhǔn)是否應(yīng)該針對LED隨之有所增補(bǔ)和完善。雖然與傳統(tǒng)光源相比LED具有很多優(yōu)勢，但是作為道路照明，仍然還存在一些技術(shù)上的問題急需要解決。與普通的高壓鈉燈或金鹵燈相比，雖然LED光源發(fā)光角度較小，有效照射面的亮度更大，方向感強(qiáng)，在局部照明上有優(yōu)勢，然而將其應(yīng)用到道路照明后，每根路燈燈桿之間都有規(guī)定的距離，由于每支光源發(fā)光角度小，光線比較集中，就導(dǎo)致了兩個(gè)燈桿之間部分的亮度明顯暗于燈下，這也就是通常所說的“斑馬線”，其對于路面照明來說是非常不利的，容易引發(fā)安全事故。因此LED路燈在亮度均勻度和照度均勻度方面還有待提高。

表2 LED 路燈和高壓鈉燈的對比

作為新光源，LED路燈不可避免地與現(xiàn)有主流照明，特別是高壓鈉燈反復(fù)比較，色溫正是主要的比較點(diǎn)。LED路燈支持者認(rèn)為，高色溫白光用于道路照明有中間視覺效應(yīng)，可視性好，感覺比低色溫黃光更明亮;高壓鈉燈支持者則認(rèn)為，黃光透霧性好，感覺溫暖，比白光更受市民歡迎。從研究角度看，我國道路照明標(biāo)準(zhǔn)有必要從研究內(nèi)容、研究方法等方面找出LED路燈色溫在規(guī)模推廣前最需要解決的問題。

同時(shí)與傳統(tǒng)道路照明器件相比，LED路燈研制中散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與檢測也非常重要，沒有很好散熱結(jié)構(gòu)的LED路燈，會由于升溫太大而降低發(fā)光效率，太高的結(jié)溫不僅會使路燈的LED功率器件加速光通量的衰減，降低使用壽命，嚴(yán)重的甚至?xí)斐墒?。因此，我國?biāo)準(zhǔn)應(yīng)該對LED路燈的散熱標(biāo)準(zhǔn)有所規(guī)定。

4 總結(jié)

我國道路照明標(biāo)準(zhǔn)在道路分級、不同路面材料所對應(yīng)的照度值、濕滑路面參數(shù)值方面有待提高，而我國在平均亮度的高低兩檔值規(guī)定方面要優(yōu)于美國標(biāo)準(zhǔn)。在測試方法方面，中美兩國目前采用的照度測試方法基本一致，本文對照度的現(xiàn)場測試方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。在機(jī)動(dòng)車道路測試方面，由于主要使用者是司機(jī)，CIE及包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家現(xiàn)在都建議采用亮度測量，而美國認(rèn)為行人和道路清潔施工人員也是機(jī)動(dòng)車道路的使用者，因此照度測量應(yīng)該保留。綜上所述，研究結(jié)果對提高我國道路照明的質(zhì)量具有一定的參考價(jià)值。

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