雨天路面反射特性及其對(duì)道路照明質(zhì)量的影響

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(guó)研究院，上海 200233)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，車輛數(shù)量急劇增長(zhǎng)，交通安全也越來(lái)越受到關(guān)注。根據(jù)交警部門統(tǒng)計(jì)[1]，在被雨水濕潤(rùn)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(dòng)距離都會(huì)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(jiǎn)化亮度系數(shù)表(簡(jiǎn)稱r表)。由于實(shí)際路面千差萬(wàn)別，精確的亮度系數(shù)或簡(jiǎn)化亮度系數(shù)只有通過實(shí)測(cè)才能獲得，但由于其測(cè)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(chǎng)測(cè)試。因此國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)和世界道路協(xié)會(huì)(PIARC)共同推薦了幾套標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)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(duì)歐洲當(dāng)時(shí)典型路面材料所作的研究工作[2-4]，與我國(guó)現(xiàn)在廣泛使用的道路材料已然差異很大，但國(guó)內(nèi)針對(duì)路面材料反射特性的研究十分匱乏，至今還沒有專門針對(duì)中國(guó)路面材料的標(biāo)準(zhǔn)路面反射率數(shù)據(jù)，作者與國(guó)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(zhǎng)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(duì)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(jiǎn)化亮度系數(shù)表已然無(wú)法滿足道路照明設(shè)計(jì)的要求。因此歐盟于2016年啟動(dòng)了“SURFACE”項(xiàng)目，研究新的路面反射特性測(cè)試方法及測(cè)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(guó)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(cè)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(lái)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(jiǎn)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(dòng)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(gè)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(cè)試和計(jì)算。這時(shí)，r僅是β和γ的函數(shù)，r表的測(cè)試只需對(duì)這兩個(gè)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(gè)特征參數(shù)來(lái)進(jìn)行路面分類，其定義為

(6)

(7)

其中Q0為q在一個(gè)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(duì)于濕路面，CIE推薦用另一個(gè)特征參數(shù)S1′來(lái)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(lái)源于荷蘭、比利時(shí)和德國(guó)等國(guó)的路面反射特性測(cè)試數(shù)據(jù)；N類主要來(lái)源于丹麥、瑞典等北歐國(guó)家的路面反射特性測(cè)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(lái)描述。

2 樣品及測(cè)試結(jié)果

我國(guó)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(huì)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(lái)的影響，我們將測(cè)量對(duì)象按使用時(shí)間分為新、舊兩個(gè)組，按材料分為AC與SMA兩組。本文一共完成對(duì)20塊瀝青路面樣品的簡(jiǎn)化亮度系數(shù)表的測(cè)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(cè)試樣品Fig.2 Test samples of asphalt road surface materials

測(cè)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(cè)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(wú)對(duì)流空氣)放置至少1天，測(cè)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(cè)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(duì)濕路面只測(cè)到60 min。最后將所有測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(jiǎn)化亮度系數(shù)表

不同的降水量，路面對(duì)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(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，因此只能從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)考慮一個(gè)地區(qū)的某個(gè)時(shí)期內(nèi)的平均路面反射特性。

一般說(shuō)來(lái)，對(duì)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(duì)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(zhǎng)為目標(biāo)[2]，來(lái)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(kù)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(zhǎng)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(zhǎng)的比例分別為9.3%、2.5%和88.2%，其對(duì)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(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)比例轉(zhuǎn)化為累加比例，即S1=1.85對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)比例為88.2%，S1′=7.3對(duì)應(yīng)為88.2%+2.5%=90.7%，而S1′=36.38對(duì)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(duì)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(cè)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(gè)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(duì)，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(zhǎng)下的照明需求。

對(duì)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(duì)路面測(cè)試樣品進(jìn)行重新采樣測(cè)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(gè)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(zhǎng)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：?jiǎn)蜗騿诬嚨绬蝹?cè)布置、單向兩車道對(duì)稱布置、雙向兩車道對(duì)稱布置、雙向四車道對(duì)稱布置、雙向六車道對(duì)稱布置和雙向八車道對(duì)稱布置。

燈具方面，選取15款典型路燈的實(shí)測(cè)配光數(shù)據(jù)，其中12款為L(zhǎng)ED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(duì)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(gè)指標(biāo)上兩者之間的相對(duì)偏差的絕對(duì)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(duì)值

對(duì)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(duì)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(gè)照明指標(biāo)上的平均相對(duì)偏差。對(duì)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(shuō)在照明設(shè)計(jì)時(shí)，如果沒有實(shí)測(cè)r表，采用CIE W1表進(jìn)行仿真計(jì)算，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)偏差平均可能達(dá)到223%；如果采用W4表，則平均相對(duì)偏差最大，達(dá)到了376%。因此CIE W系列表對(duì)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(duì)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(duì)偏差(對(duì)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(duì)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(cè)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(gè)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(gè)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(gè)體差異

5 總結(jié)

我們搭建了濕路面反射特性測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)20塊路面樣品進(jìn)行了測(cè)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(jiǎn)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(duì)，發(fā)現(xiàn)CIE的W系列表與我們的實(shí)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)、相應(yīng)的測(cè)試和分析方法以及初步取得的一些測(cè)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(cè)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(lái)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。