常見城市道路交會區(qū)照明設(shè)計模擬現(xiàn)狀分析與優(yōu)化

孫雁飛 上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200125

0 前言

交會區(qū)（Conflict Areas）[1]是第一個在城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（CJJ45—2015）中出現(xiàn)的專業(yè)術(shù)語，其定義為道路的出入口、交叉口、人行橫道等區(qū)域。在此類區(qū)域中，機(jī)動車之間、機(jī)動車和非機(jī)動車或行人之間、車輛與固定物體之間的碰撞有增加的可能。其中，道路交會區(qū)照明是作為提高城市道路功能性照明的重點之一，通過這種方式能有效提高道路交通安全性，降低交會區(qū)碰撞的可能性。

LED作為21世紀(jì)最具競爭力的新型固體光源，在道路照明中被越來越廣泛的使用。但在目前規(guī)范中，尚未完善定義使用特定的配光燈具。這種情況促使現(xiàn)狀路口交會區(qū)功能性照明成為發(fā)現(xiàn)問題最多的地方，其主要存在照度過量，眩光超標(biāo)，均勻度不達(dá)標(biāo)等問題。

基于現(xiàn)有問題對其調(diào)研并分析，尋求一種合理、高效、簡單的方法，以下研究分析中，逐項對上述情況分析并解決了目前最常見的十字交叉口照明設(shè)計不合理的問題。

1 上海常見路口交會區(qū)照明設(shè)計現(xiàn)狀調(diào)研及分析

目前，上海常見路口交會區(qū)采用高度為12m的中桿平面對稱型投光燈。十字路口多為4角對稱布置，T型路口常見為道路盡端設(shè)置1處或3角布置[2]。照明燈具普遍采用以高壓鈉燈為主的投光燈，通常每根燈桿上，設(shè)置有2或3套燈具。實際使用中，這種設(shè)置可使機(jī)動車司機(jī)及行人感受到路口區(qū)域照度的明顯提升。但由于高壓鈉燈的顯色性較差，實際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，機(jī)動車駕駛者觀察到非機(jī)動車所消耗的反應(yīng)時間相對較長。

同時，隨著LED作為高效路燈光源被廣泛投入市場，上海近年來也開始大范圍推廣LED路燈的使用。LED燈具與高壓鈉燈除了在色溫及顯色性上有明顯差異外，實際使用時LED燈具還可依據(jù)環(huán)境進(jìn)行二次或三次配光，大大提高了燈具有效光通量的利用系數(shù)。但是在路口區(qū)域，由于其獨特的受光形式，正常路段使用的LED燈具不能適用在常見十字路口照明的布設(shè)形式中。因此，路口照明多采用與原先高壓鈉燈投光相同的布局設(shè)計，甚至連路口照明桿件都保持一致的配用方式。這樣的通用布設(shè)使得路口照明往往缺乏針對LED燈具的合理優(yōu)化[3]。

圖1 常見路口LED燈具配光

圖1所示為目前上海廣泛使用的LED投光燈常用配光，此種配光多是由景觀照明配光遷用至道路路口的功能性照明設(shè)計。通常依據(jù)光束角的不同，區(qū)分為投光燈與泛光燈。投光燈照射出的光束角度一般在30°～60°，而泛光燈照射出的光束角度一般是60°～120°。

在實際使用投光燈或泛光燈作為路口照明燈具的過程中發(fā)現(xiàn)，投光燈與泛光燈在路口照明設(shè)計中的適用性較差。原因共有以下3點：

（1） 路口使用的LED投光燈具并未依據(jù)路口照明的特點進(jìn)行二次配光，導(dǎo)致未能有效提高使用LED燈具帶來的良好照明效果；

（2）由于燈具配光時未考慮抑制眩光，導(dǎo)致路口眩光超標(biāo)，增加了行人及機(jī)動車的危險性；

（3）LED投光燈截光性明顯，桿后照明效果不佳。

2 交會區(qū)不合理照明行人及車輛影響

實際使用過程中，由于采用LED投光燈或泛光燈作為路口照明燈具后，人眼感受無法被具體量化分析。因此在下述案例中，使用圖1中的投光燈配光曲線在DIALux軟件中進(jìn)行照明模擬，對使用此類燈具的路口照明效果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并評價。

2.1 仿真分析

在上海市臨港某道路中，路口寬度約為65m，燈具采用光束角為50°的LED投光燈具，功率為200W，光通量為23000lm，四角對稱布置投光桿燈，燈具離地12 m。

圖2 路口采用50°投光燈配光偽色圖

在沒有周圍路燈補(bǔ)光的條件下，照明效果如圖2所示，亮度較高區(qū)域形成“×”狀，沒有被“×”覆蓋的區(qū)域則照度較低。同時，兩盞投光燈照射的高亮區(qū)域被放大，形成極度明顯的四點光斑，最大照度達(dá)到56 lx，而桿下區(qū)域有著明顯的低照度區(qū)域。實際運用過程中，此種配光對燈具安放位置也有要求，燈桿與被考察區(qū)域有最少距離要求，一般5 m左右，如果距離要求不滿足，則容易形成“燈下黑”的效果。從照度值看，其中亮度最高的區(qū)域成塊狀分布在燈的下方不遠(yuǎn)處，而其他區(qū)域照度相對下降，如圖3所示。

圖3 路口采用50°投光燈配光燈照度圖

表1 路口采用50°投光燈配光燈照度結(jié)果

在沒有其他燈光補(bǔ)光條件下，均勻度也相應(yīng)較低，見表1。由于角度范圍限制，在安裝時，一個位置需要兩盞角度適中的投光燈進(jìn)行一定角度照射，如圖4所示。使用單個投光燈時，角度太大則溢出光太多，而角度太小，均勻度則不夠。

圖4 路口采用50°投光燈照射角度示意圖

2.2 均勻度影響

LED投光燈或泛光燈的配光特點是沿透光方向圓周對稱照射。安裝使用時，只需校準(zhǔn)透光方向即可。但依據(jù)《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》2015版中表3.4.1[1]的要求，照度均勻度需不小于0.4。因此，在進(jìn)行路口區(qū)域照明設(shè)計時，還需要周圍路燈進(jìn)行補(bǔ)光。但實際安裝調(diào)試時，路口照度均勻度調(diào)整難度較大，其數(shù)值常常只能達(dá)到0.2。上述仿真模擬中，均勻度僅能達(dá)到0.232，遠(yuǎn)低于國標(biāo)中要求的最低值0.4。均勻度較差時，有亮斑出現(xiàn)，容易形成“黑洞”效應(yīng)，即當(dāng)人眼望向亮斑時，亮斑后的物體應(yīng)對比度較差，潛在問題無法被觀測到。

同時，路口中心區(qū)域照度僅能達(dá)到15lx，這對于提高交會區(qū)中易碰撞區(qū)域的照明度并無實際或明顯的成效，那么設(shè)置加強(qiáng)照明的意義在某種程度上就無效了。

2.3 眩光影響

為了量化分析眩光對駕駛者及行人的影響[4]，在2.1節(jié)模擬的交會區(qū)域設(shè)置了36個眩光測試點用來計算 GR值（如圖5所示）。為了模擬駕駛者的實際情況，眩光測試點采用離地1.5 m，觀測斜坡為-2°，即駕駛者視線為水平方向朝下2°，觀測范圍為四周360°區(qū)域，采集頻率為15°。

圖5 路口眩光測試點位圖

表2 路口眩光測試結(jié)果

眩光測試結(jié)果見表2，GR平均值約62。依據(jù)GB/Z 26214—2010中表2場地照明推薦眩光限定值[5]，照明應(yīng)用類型為運動與安全的情況下，路口交會區(qū)應(yīng)屬于正常交通情況，由表中可得推薦GR最高值應(yīng)限制在45。

由此可見，采用普通LED投光型燈具不僅均勻度差，眩光也無法滿足實際安全需求。

3 交會區(qū)照明設(shè)計優(yōu)化方案

依據(jù)路口照明需求，下面針對現(xiàn)有交會區(qū)照明設(shè)計提出優(yōu)化方案，從而提高照明效果，提升交會區(qū)安全性。

3.1 燈具配光優(yōu)化

LED燈具本身可以進(jìn)行二次配光，甚至有三次配光的潛在特性。依據(jù)目前常用的路口照明形式，進(jìn)行過二次配光的路口照明燈具主要能保證路口的中心照度，即提高燈具朝向路口中心的光通量。同時，為避免燈桿桿下黑的情況出現(xiàn)，桿下區(qū)域需保證一定的光通量。由于桿下區(qū)域距離較近，少許的光通量即可達(dá)到配光需求。同時為了控制眩光，交會區(qū)應(yīng)能夠?qū)ε涔馇€保持抑制。依據(jù)市場上現(xiàn)有產(chǎn)品，尋找了兩款專為路口照明設(shè)計的燈具（配光曲線如圖6和圖7所示），并對其應(yīng)用效果進(jìn)行驗證。

圖6 路口專用燈具1配光曲線

圖7 路口專用燈具2配光曲線

3.2 優(yōu)化后照明模擬結(jié)果

沿用2.1節(jié)的模擬環(huán)境，僅修改燈具配光以及投射角度，計算表面、燈具位置、燈具高度、燈具功率、燈具光效及周圍環(huán)境均保持不變。

在采用路口專用燈具1配光曲線時，模擬結(jié)果見圖8、表3和表4。

圖8 路口專用燈具1配光點照度圖

表3 路口專用燈具1配光照度結(jié)果

表4 路口專用燈具1配光眩光測試結(jié)果

在采用路口專用燈具2配光曲線時，模擬結(jié)果見圖9、表5和表6。

圖9 路口專用燈具2配光點照度圖

表5 路口專用燈具2配光照度結(jié)果

表6 路口專用燈具2配光眩光測試結(jié)果

由模擬結(jié)果可見，路口專用燈具1和路口專用燈具2都能夠有效提高路口均勻度，燈具1和燈具2的均勻度分別為0.5和0.48。燈具1模擬結(jié)果 GR平均值為55，而燈具2的GR平均值為58.9。因此，路口專用燈具1比路口專用燈具2能夠更加有效地抑制眩光。但使用燈具1時，路口平均照度只能達(dá)到14 lx，而燈具2可以達(dá)到20lx。綜合考慮各項指標(biāo)，LED路口專用燈具需根據(jù)其特性，對路口交會區(qū)進(jìn)行優(yōu)化布設(shè)方案，從而更加有效地提高道路交通安全，降低交會區(qū)碰撞的可能性。

4 結(jié)論

在道路交會區(qū)中，使用路口專用配光曲線的LED燈具不僅可以有效地提高路口區(qū)域光照的均勻度，同時能夠有效地降低眩光出現(xiàn)的情況。但是目前，模擬得出的GR值仍然超過了限定眩光值。如何在保證均勻度的情況下降低GR值，從而進(jìn)一步確保交會區(qū)域行車安全性將作為下一步研究探討的內(nèi)容。