汽車前照燈夜間照明評(píng)價(jià)方法探究

張栓栓 Zhang Shuanshuan

汽車前照燈夜間照明評(píng)價(jià)方法探究

張栓栓 Zhang Shuanshuan

（北京現(xiàn)代汽車有限公司重慶分公司，重慶 400000）

汽車燈光照射效果的好壞直接影響著行車和行人安全，但目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的整車級(jí)別的前照燈照明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這一問題，提出了一種整車級(jí)別前照燈近光夜間照明評(píng)價(jià)方法。該方法通過選取3個(gè)特征指標(biāo)，即25 m特征點(diǎn)照度、5 lx照射面積、路面照射均勻度，并對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分求和，實(shí)現(xiàn)了對(duì)前照燈照明效果的客觀量化評(píng)價(jià)。該方法既考慮了特征點(diǎn)的照度，又從全局角度評(píng)價(jià)了光照效果，可在新車開發(fā)階段為提升車燈照明效果指出改善方向，也為量產(chǎn)車整車照明效果的一致性提供衡量指標(biāo)。

前照燈；評(píng)價(jià)；25 m特征點(diǎn)照度；照射面積；均勻度

0 引 言

汽車前照燈是汽車重要的主動(dòng)安全性部件，對(duì)夜間行車安全起著非常重要的作用，因此用戶對(duì)前照燈的夜間照明效果尤為關(guān)注。根據(jù)JD.Power調(diào)查結(jié)果顯示，客戶對(duì)前照燈夜間照明的效果有許多不滿[1]。2018年12月，豐田汽車因?yàn)檐嚐艚鉄粞Ｄ慷倩?3 048輛卡羅拉品牌轎車。對(duì)于車輛照明評(píng)價(jià)，目前國際上的主流評(píng)價(jià)方法包括CIE 188（國際照明委員會(huì)汽車前照燈系統(tǒng)性能評(píng)估方法），NTHSA（National Highway Traffic Safety Administration，美國高速交通安全管理局）和IIHS（Insurance Institute for Highway Safety，美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)）評(píng)價(jià)體系。CIE 188 評(píng)價(jià)方法是對(duì)車燈零部件進(jìn)行照度測(cè)量，但其不能完全反映整車的實(shí)際道路照明效果[2]；NTHSA 評(píng)價(jià)方法能夠較好地反映測(cè)量點(diǎn)的照度和眩目情況，但是并未對(duì)車燈的照明范圍和照明效果等其他方面做出評(píng)價(jià)；IIHS評(píng)價(jià)體系評(píng)分方法采用了大量的經(jīng)驗(yàn)公式和曲線，但其經(jīng)驗(yàn)公式并未公開論證，且測(cè)試通過率太低[3]，未受到公正認(rèn)可。在我國，目前尚未發(fā)布整車照明性能評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，GB 4599—2007《汽車用燈絲燈泡前照燈》[4]屬于零部件級(jí)別車燈的測(cè)評(píng)[5]；GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[6]僅僅規(guī)定了整車燈光的坐標(biāo)范圍，未對(duì)具體照明性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，不能很好地體現(xiàn)出整車車燈照明性能水平；因此，提出一種有效的整車近光照明性能評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車車燈的客觀量化評(píng)價(jià)，指導(dǎo)新車開發(fā)和量產(chǎn)車車燈照明性能的一致性評(píng)價(jià)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

提出適合整車測(cè)評(píng)的特征點(diǎn)照度檢測(cè)指標(biāo)，由于用戶希望燈光能夠有足夠?qū)拸V的路面照明范圍和平順且均勻的照明視野，以及沒有使駕駛員產(chǎn)生視覺上或心理上不舒適的明條紋或暗條紋[7-8]，所以從全局照射效果方面提取光照的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)選定的特征參數(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車照明效果的客觀定量評(píng)價(jià)。為驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法的可行性，在市場(chǎng)上選取了3種不同車型A車、B車和C車（均滿足GB 4599—2007、GB 25991—2010和GB 7258—2017）作為試驗(yàn)樣本。

1.1 特征點(diǎn)照度檢測(cè)——25 m處特征點(diǎn)照度

雖然GB 4599—2007為實(shí)驗(yàn)室配光測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但其選取的測(cè)試點(diǎn)在實(shí)際道路行駛中均有重大實(shí)際意義。因此參考該標(biāo)準(zhǔn)，在道路環(huán)境中對(duì)整車同樣實(shí)行25 m處、同樣參照點(diǎn)照度測(cè)試，檢測(cè)點(diǎn)示意如圖1所示，相關(guān)特征點(diǎn)解釋見表1。

圖1 整車25 m道路檢測(cè)點(diǎn)示意

相比暗室測(cè)量，由于整車為左右燈同時(shí)照明，且道路環(huán)境中必定存在反射干擾，對(duì)部分參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改。修改方法遵循光學(xué)相關(guān)原理，以B50L標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置方法為例說明。參照NTHSA 評(píng)價(jià)方法，將炫目限值設(shè)定為0.634 lx[3]35，根據(jù)B50L含義，50m前方大型車駕駛員視線不眩目，即表示該處照度值小于0.634 lx。定義25 m和50 m處照度分別為25和50，光源距離分別為25、50。光照幾何示意如圖2所示，點(diǎn)為燈光源位置，點(diǎn)為B50L檢測(cè)點(diǎn)位置，點(diǎn)為B50L在道路上的實(shí)際位置。

圖2 近光燈B50L點(diǎn)幾何示意

由光學(xué)知識(shí)可知照度與距離的平方成反比，即

再根據(jù)幾何轉(zhuǎn)換，

令50=0.634 lx，計(jì)算得25=2.5 lx。

采用上述方法，對(duì)試驗(yàn)車輛A車、B車和C車分別進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見表1。

表1 25 m處道路檢測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)

分析表1發(fā)現(xiàn)，各車型不滿足參考標(biāo)準(zhǔn)的特征點(diǎn)數(shù)量分別為A車A=1，B車B=2，C車C=2。3臺(tái)測(cè)試車輛在近距離標(biāo)識(shí)牌PT7 和PT8處容易超過參考值，尤其B車實(shí)測(cè)值超出較多，在駕駛時(shí)，近距離標(biāo)識(shí)牌可能對(duì)駕駛員產(chǎn)生眩目的風(fēng)險(xiǎn)；另外，C車在75R點(diǎn)照度偏低，說明其遠(yuǎn)距離可視性可能不佳。

設(shè)第款車型的該特征指標(biāo)評(píng)分為P1，參考IIHS評(píng)價(jià)體系，依據(jù)不良特征點(diǎn)數(shù)量計(jì)算該指標(biāo)的最終評(píng)分P1，具體評(píng)分方法見表2。

表2 特征點(diǎn)照度檢測(cè)得分規(guī)則

注：權(quán)重分指該評(píng)價(jià)指標(biāo)滿分占總分的權(quán)重，P1見式（3）。

1.2 照射范圍評(píng)價(jià)——5 lx照射面積

前照燈的照射范圍很大程度上影響行車安全和駕乘體驗(yàn)。充足的照射距離能夠幫助駕駛員及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方道路狀態(tài)，為采取緊急措施預(yù)留更多反應(yīng)時(shí)間；足夠的照射寬度會(huì)幫助駕駛員及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛兩側(cè)突發(fā)狀況，并能夠給予更好的彎道行車視野。GB 4599—2007檢測(cè)左右4 m寬度區(qū)域照明效果，這一寬度僅能達(dá)到相鄰道路的中央，在實(shí)際駕乘中稍顯不足。

以A、B、C車為研究對(duì)象，首先擬合其相應(yīng)燈光照射范圍圖。在中國城市道路中，單車道一般寬3～3.5m[9]，為能體現(xiàn)相鄰車道及人行道照明情況，以1 m為步長(zhǎng)，測(cè)量車中心線左右6 m垂直線上光照。對(duì)于照度值的選取，在IIHS評(píng)價(jià)方法中，5 lx光照為可以基本看到事物的照度值，12 lx為較清晰看到事物的照度值，20 lx則為很清晰看清事物的照度值。在試驗(yàn)中，以5 lx、12 lx、20lx光照為關(guān)鍵照度值，測(cè)量其距離車頭的垂直距離，并繪制圖3、圖4和圖5。圖6為A、B、C 3車的5 lx照射面積對(duì)比示意圖。

圖3 A車近光燈照射范圍

圖4 B車近光燈照射范圍

圖5 C車近光燈照射范圍

圖6 A、B、C車近光燈5 lx照射范圍對(duì)比

分析圖3～6可知，對(duì)同一車輛，5 lx、12 lx、20 lx均呈現(xiàn)相似特性的光型輪廓，因此選取5 lx作為特征照度值。

就5 lx光型輪廓而言，3個(gè)車輛照射風(fēng)格不同，A車燈光向正前方集中，B車燈光向兩側(cè)分散，而C車則明顯集中于近處。表3從照射寬度和照射距離兩個(gè)維度對(duì)比3種試驗(yàn)車型。

表3 車燈照射范圍評(píng)價(jià)

通過上述分析，單從照明光型、寬度或者距離某一個(gè)維度來評(píng)判車燈的照明性能并不全面，但照射面積卻能很好地平衡以上指標(biāo)，因此提出5 lx光照面積這一評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立求解模型。

設(shè)5 lx光照區(qū)域是由個(gè)離散的頂點(diǎn)P（=1，2，3，…，）首尾相連構(gòu)成的封閉不規(guī)則區(qū)域，其中任意一條邊可表示為PP+1（P+1=1），其面積為。該區(qū)域?yàn)閱芜B通區(qū)域，適用于格林公式。格林公式定義了曲線積分與面積分之間的關(guān)系，由格林公式進(jìn)一步推導(dǎo)可得5 lx照射面積為[10]

式中：=1，2，3，…，；，分別為P點(diǎn)的軸坐標(biāo)和軸坐標(biāo)。

依據(jù)以上求解模型，利用Matlab軟件進(jìn)行求解，計(jì)算得到A車照射面積為A=453 m2，B車照射面積為B=509 m2，C車照射面積為C=363 m2

為便于衡量特征值，根據(jù)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，以長(zhǎng)70m、寬12m的矩形框面積的0.7倍作為參考面積area，即area=588 m2，則第款車型的該特征指標(biāo)評(píng)分P2為

1.3 照明效果評(píng)價(jià)——路面照度均勻度

車燈的照射暗區(qū)或者條紋會(huì)影響駕乘感受，同時(shí)也容易使駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞。以A、B、C車為試驗(yàn)對(duì)象，分別采集了車中心線左右3 m（步長(zhǎng)0.75 m）、前方5 m到25 m（步長(zhǎng)5 m）范圍內(nèi)的54個(gè)點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)，并通過插值擬合方法，繪制三維照度曲面，如圖7所示，等照度線如圖8所示。

圖7 三維照度曲面圖

圖8 等照度線圖

實(shí)際駕駛過程中，駕駛員主要視線集中區(qū)域?yàn)楸拒嚨溃ㄖ行木€左右1.5 m）前方5～20 m位置，這一區(qū)域的照度效果會(huì)直接影響駕駛員駕駛舒適度。分析圖7和圖8發(fā)現(xiàn)，在中心線左右1.5 m區(qū)域照度跨度較大，出現(xiàn)亮度不均勻問題點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)大，因此選擇該區(qū)域照明效果重點(diǎn)分析。參考CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，提出以路面照度均勻度來衡量照明效果，標(biāo)準(zhǔn)中的定義為路面上最小照度與平均照度的比值。

設(shè)個(gè)測(cè)量點(diǎn)照度值分別為u，其中最小值為min，個(gè)測(cè)量點(diǎn)均值為avg，則路面照度均勻度為

利用Matlab軟件計(jì)算，得A車、B車、C車均勻度分別為A=0.15，B=0.21，C=0.16。

結(jié)合結(jié)果分析圖7和圖8，從照射寬度角度，車中心線左右1.5 m范圍內(nèi)，A車等照度線較密集，照度值變化幅度較B車大（A車140～200 lx，B車140～170 lx），這是A結(jié)果偏低的原因，檢查A車燈實(shí)際路面照明，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)路面光線存在暗條紋；B車照度相對(duì)均勻，但在中心線左側(cè)1 m，前方10 m處有小范圍奇點(diǎn)，照度比周邊較低，形成了一個(gè)局部輕微暗區(qū)；C車的不足在于高亮度區(qū)域過多集中在道路前方10 m左右位置，而稍遠(yuǎn)區(qū)域照度暗太多（20 m位置照度最小值為46.8 lx），近、遠(yuǎn)處視野亮度不均勻。

為便于衡量特征值，根據(jù)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，定義參考spec=0.25，則第款車型的該特征指標(biāo)評(píng)分P3為

2 評(píng)價(jià)結(jié)果

需要分析3個(gè)特征指標(biāo)的權(quán)重分?jǐn)?shù)。由于特征指標(biāo)1（25 m特征點(diǎn)照度）是基礎(chǔ)安全性檢測(cè)，權(quán)重分較高為50分；特征指標(biāo)2（5 lx照射面積）和特征指標(biāo)3（路面照射均勻度）是對(duì)照明效果的評(píng)價(jià)，分別給予25分權(quán)重分。夜間照明等級(jí)評(píng)定見表4。

表4 夜間照明等級(jí)評(píng)定

綜上，第款車型的3個(gè)特征指標(biāo)最終得分P為

由式（8）計(jì)算出A、B、C 3款車的評(píng)分分別為

整體上近光燈照明性能評(píng)價(jià)結(jié)果為B車＞A車＞C車，詳細(xì)評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

表5 夜間照明總結(jié)評(píng)價(jià)

3 總 結(jié)

針對(duì)整車級(jí)別前照燈近光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)缺失問題，提出了衡量前照燈照明效果的25 m特征點(diǎn)照度、5 lx照射面積、路面照射均勻度3個(gè)特征指標(biāo)。通過加權(quán)求和，得到了前照燈近光的客觀量化評(píng)分。在工程實(shí)踐中，運(yùn)用該方法對(duì)多款車型進(jìn)行測(cè)評(píng)，評(píng)價(jià)效果良好，能夠較好地指導(dǎo)整車照明效果的改善。該方法會(huì)在后期使用中進(jìn)一步完善。

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U463.65+1.025

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.001

1002-4581（2020）01-0001-06