任冠群、周浩
(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長沙 410000)
根據(jù)規(guī)范《道路交通反光膜》(GB/T 18833—2012)要求,反光膜的最高使用年限為10年,在使用過程中的維修與養(yǎng)護(hù)均沒有明確的指標(biāo)要求,我國高速公路與城市道路僅依靠長期以來積累的經(jīng)驗(yàn)來維護(hù)交通標(biāo)志,相應(yīng)的檢查評定規(guī)程也沒有統(tǒng)一的規(guī)定。這種做法造成大量無法達(dá)到使用要求的交通標(biāo)志得不到有效更換,造成極高的風(fēng)險(xiǎn)隱患,而有些使用效果依舊良好的交通標(biāo)志受到了過度維護(hù),增加了不必要的財(cái)政負(fù)擔(dān)。
道路交通反光膜是制作道路交通標(biāo)志牌的重要材料,對該材料的光特性研究是保證其使用效果的重要手段,對于反光膜逆反射系數(shù)衰減的預(yù)測是指導(dǎo)道路交通標(biāo)志板養(yǎng)護(hù)和更換的基礎(chǔ)。我國現(xiàn)使用的技術(shù)規(guī)范《道路交通反光膜》(GB/T 18833—2012)只規(guī)定了固定使用期限后逆反射系數(shù)的下限值,而對反光膜使用的整個(gè)過程中的衰變并沒有詳細(xì)說明,本文研究的主要目的在于得出反光膜(以美國3M 反光膜為例)逆反射系數(shù)衰減模型,分析道路交通標(biāo)志反光膜光度性能衰減規(guī)律,為標(biāo)志管養(yǎng)提供理論參考[1]。
1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國對逆反射材料的研究起步相對較晚,開始于20 世紀(jì)90年代,在交通運(yùn)輸部實(shí)驗(yàn)場中,研究者將230 個(gè)不同生產(chǎn)廠家、不同規(guī)格的交通標(biāo)志樣本以一定角度露天放置,長期記錄交通標(biāo)志隨時(shí)間的變化情況,并用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬,得到了寶貴的第一手資料,為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)[2]。
1.3.2 國外研究現(xiàn)狀
美國學(xué)者Black、Bischoff 等在美國各地設(shè)置反光膜試驗(yàn)區(qū),對不同顏色、不同等級的反光膜進(jìn)行布設(shè),得到相關(guān)數(shù)學(xué)模型[3]。
英國早2005年率先擯棄傳統(tǒng)的規(guī)范制定手段,不再以材料的結(jié)構(gòu)、工業(yè)制作方法和光學(xué)參數(shù)對交通標(biāo)志反光材料進(jìn)行分類,轉(zhuǎn)而從人的角度,以駕駛員為中心,對交通標(biāo)志的設(shè)置方式和制作技術(shù)進(jìn)行規(guī)范,這種變化更能體現(xiàn)人在交通中的主導(dǎo)地位,符合人的主觀感受[4]。
采用RT-100A 逆反射測量標(biāo)準(zhǔn)裝置及美國RoadVista 932 便攜式逆反射系數(shù)測量儀,模擬自然環(huán)境,對美國3M 各顏色反光膜進(jìn)行人工加速老化,對逆反射系數(shù)進(jìn)行跟蹤觀測,利用觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析逆反射系數(shù)衰減曲線,再于同一時(shí)期,對不同顏色反光膜樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角變化檢測,得出旋轉(zhuǎn)角與逆反射系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。主要研究方法如下:
第一,選取時(shí)間作為自變量,標(biāo)志的逆反射系數(shù)作為應(yīng)變量。
第二,預(yù)測規(guī)律的擬合度高的模型類別。
第三,使用相關(guān)軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算。
第四,使用決定系數(shù)法確定反光膜逆反射系數(shù)衰減值的預(yù)測模型。
根據(jù)逆反射系數(shù)的測試原理,需要在光源、光接收器、樣品角度控制上選用相應(yīng)的設(shè)備,依托湖南省交通科學(xué)研究院有限公司試驗(yàn)室,此項(xiàng)研究采用設(shè)備規(guī)格如下:光源,CIE 準(zhǔn)直A 光源;色溫,2856K;光接收器,photo-2000 微光照度計(jì);轉(zhuǎn)角系統(tǒng),委托杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司定制轉(zhuǎn)角試驗(yàn)架;測試距離,30.48m(采用國外100 英尺標(biāo)準(zhǔn)測試距離);配套計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng);人工老化試驗(yàn)箱;試樣。
根據(jù)國標(biāo)《道路交通反光膜》(GB/T 18833—2012)要求,I~Ⅴ類反光膜觀測角取值為:0.2o、0.5o、1o,入射角取值為:-4o、15o、30o,Ⅵ、Ⅶ類反光膜觀測角無1o要求。對于駕駛者而言,在前進(jìn)過程中,觀察角會隨著空間位置變化而變化,一般車輛與被觀察物越近,觀察角也越大。車輛的型號大小,也影響觀察角的大小,同等觀測距離的情況下,通常越大的車輛,觀察角越大。逆反射光線在觀察角越大時(shí),所觀測到的亮度也越低,在對交通標(biāo)志進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),會考慮一個(gè)最佳角度,滿足經(jīng)濟(jì)型要求的同時(shí),還要使駕駛員能視認(rèn)清晰,并且有足夠的操控反應(yīng)時(shí)間[5](見表1)。
表1 動態(tài)距離作用下各車型的觀測角
夜間道路行駛中,駕駛者首先會發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的交通標(biāo)志,但由于距離還較遠(yuǎn),無法完全看清標(biāo)志內(nèi)容,隨著距離縮短,標(biāo)志逐漸進(jìn)入可識別區(qū)域后,駕駛者才開始閱讀并分析,隨后標(biāo)志距離與駕駛者進(jìn)一步縮短,直到看不到標(biāo)志內(nèi)容,標(biāo)志的作用也隨之結(jié)束。那么駕駛者從觀察到脫離觀察的這段距離就稱為觀察的有效距離,這段距離就是駕駛者觀察信息、做出分析、開始操控車輛的黃金距離。相關(guān)研究表明,在距離標(biāo)志150m 左右時(shí),駕駛者識讀交通標(biāo)志信息比較順暢,此時(shí)開始閱讀,在距離標(biāo)志100m 左右時(shí),駕駛者不再關(guān)注標(biāo)志的信息,識讀完畢。由此可見,交通標(biāo)志的關(guān)鍵識認(rèn)距離為100~150m,結(jié)合我國高速限速100km/h 或120km/h、跟車距離100m 的實(shí)際情況,該項(xiàng)研究將采用0.2o的觀測角,-4o的入射角。
選取1800 小時(shí)的人工老化模擬36 個(gè)月的自然條件老化,試驗(yàn)中平均每老化48h 最少測試1 次逆反射系數(shù)。
對每個(gè)老化周期試樣,反光膜的逆反射系數(shù)用公式(1)計(jì)算
式(1)中:RA——逆反射系數(shù),cd.lx.m-2;
mb——背景讀數(shù);
m1——在觀測位置上逆反射式樣讀數(shù);
m2——試樣上垂直于光源的平均照度讀數(shù);
d——測試距離,m;
A——試樣面積,m2。
該項(xiàng)研究選取了美國3M 公司Ⅳ類白、綠、紅、藍(lán)、黃色反光膜,將反光膜剪裁成65×142mm 試樣,放置于老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行老化,老化箱中采用氙弧燈模擬自然光,周期性進(jìn)行噴水,定期對老化后的試樣進(jìn)行逆反射系數(shù)檢測,每個(gè)樣品檢測3 個(gè)點(diǎn)平均值作為逆反射系數(shù)取值,試驗(yàn)進(jìn)行91 天,最終每個(gè)樣品得到51組試驗(yàn)數(shù)據(jù),以各顏色反光膜時(shí)間為橫坐標(biāo)、逆反射系數(shù)為縱坐標(biāo)繪制圖形,并選取一次函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)為模型分別進(jìn)行回歸分析,并計(jì)算決定系數(shù)來確定擬合度最高的模型類型。
通過數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,可知反光膜隨著使用時(shí)間的增長其逆反射系數(shù)逐漸下降,且三次函數(shù)的決定系數(shù)較高,各顏色的函數(shù)模型如表2 所示。
表2 各顏色反光膜數(shù)學(xué)模型
將該項(xiàng)研究結(jié)果與放置在北京的試驗(yàn)場內(nèi)的自然條件下逆反射系數(shù)衰減研究結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型均符合三次函數(shù),區(qū)別在于該項(xiàng)研究的決定系數(shù)較高,逆反射系數(shù)的衰減規(guī)律更加有跡可循,同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn),自然條件下環(huán)境更加復(fù)雜,地理環(huán)境、氣候環(huán)境對交通標(biāo)志逆反射系數(shù)的影響較大,受到各種不可控因素的影響,實(shí)際情況中標(biāo)準(zhǔn)反射系數(shù)衰減離散性比較大,所以僅通過試驗(yàn)室下模擬一種可控環(huán)境得出規(guī)律收效并不盡如人意。
我國地域遼闊,山巒起伏,大河蜿蜒,經(jīng)緯度跨度大,存在各種不同的氣候條件,針對每種地理氣候情況來建立模型是不現(xiàn)實(shí)也是不科學(xué)的,在研究中單純地使用一種數(shù)學(xué)模型來對這種現(xiàn)象進(jìn)行歸納描述,其結(jié)果也必然不理想,但在一定程度上,數(shù)學(xué)模型可以反映出設(shè)置時(shí)間與逆反射系數(shù)衰減值之間存在的關(guān)聯(lián)。本文的研究方法得到的數(shù)學(xué)模型仍然可以反饋出交通標(biāo)志逆反射系數(shù)衰減的總體趨勢,對于交通道路設(shè)施管養(yǎng)部門具有一定的參考意義,同時(shí)也會對以后的類似研究有借鑒意義。
本文針對反光膜逆反射系數(shù)人工加速老化狀態(tài)下的衰減,采取試驗(yàn)的形式,采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行建模數(shù)學(xué)分析,取得以下研究成果:第一,闡述了交通標(biāo)志的組成以及逆反射系數(shù)的最低使用要求,結(jié)合反光膜的結(jié)構(gòu),對逆反射的基本原理進(jìn)行了分析,利用現(xiàn)有儀器設(shè)備和相關(guān)規(guī)程規(guī)范,設(shè)計(jì)人工加速老化后逆反射系數(shù)衰減的測試方法。第二,經(jīng)過分析,得出Ⅳ類白、綠、黃、紅、藍(lán)色反光膜經(jīng)人工加速老化后逆反射系數(shù)衰減模型,預(yù)測反光膜的使用年限,并通過數(shù)學(xué)分析,揭示該方法的局限性,為后續(xù)研究提供參考。
目前微棱鏡型逆反射材料的核心技術(shù)還掌握在美國3M、日本恩希愛等少數(shù)國外企業(yè)手中,受制于基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展,我國的光學(xué)材料甚至是光學(xué)設(shè)備都嚴(yán)重依賴進(jìn)口,國內(nèi)幾個(gè)大的光學(xué)儀器廠家也僅僅處在購買、模仿階段。我國汽車市場活躍,交通壓力逐年增加,安全問題日益凸顯,在國家強(qiáng)盛這條道路上,需要更多的人來投入到工業(yè)發(fā)展的短板上,以前仆后繼之勢將前路點(diǎn)綴得熠熠生輝。