道路照明动态测量探讨

摘  要：道路照明的主要服务对象是驾驶员，应以驾驶员的视觉感受为基础进行道路照明设计和测量，即应测量道路的亮度及其均匀度，因为引起驾驶员视觉感应的是路面亮度而不是路面照度.

关键词 ：道路亮度、 眩光、 动态测量

动态测量契合人体工效学的需求,符合驾驶员的视觉感觉，测量的数据比逐点测量法更客观，大大减少了主观因素的影响，提供的是全过程、全方位的测量数据。动态测量还具备快速的特点，不必封锁道路，大大降低了不同时刻光环境变化的影响，

动态测量的难题和他的优点一样突出,即如何符合静态标准的要求，如何实现低路面亮度下的动态测量， 如何解决图像的“拖影”问题，如何给出亮度和眩光值等

一、道路照明的目的：

1、照亮路面及障碍物，为机动车驾驶员提供良好的视觉环境，保证交通安全；；

2、为非机动车和行人提供舒适、安全的视觉环境；

3、提高夜间交通运输效率，降低犯罪率，美化城市夜晚环境。

二、道路照明的测量与计算

国家标准规定的道路照明测量标准同时以照度及亮度做为评价指标，而在实际操作中，由于照度测量方法简单，常以照度为评价值。

1、亮度与照度？

     道路照明指标的着眼点应是路面亮度而非路面照度，路面照度人眼感觉不到（如图1所示）。路面照度系单位路面面积所获取的光通量，即：E = dΦ/dA*cosα = I*dω/(dA/cosα) = I*cos α /r² = (I/r₀²)*cos³α；它与路灯光源投射到路面各点的光强和投射角有关，而与路面性质无关，也与人眼观察角无关;

图1路面照度与路面亮度

路面亮度就不同了，它是光线射到路面后，部分被吸收、部分被漫反射，其中，一小部分进入人眼，引起视觉感应，被人眼所“看见”，从眼睛端观察：路面亮度Lv = Iv/cosα*dA, 其中路面反射光光强Iv除了与灯具照射在该点的光强有关外，还与路面性质、观察点的坐标、光线的入射角以及人眼的观察视角有关（如图2所示）。

图2  路面照明观测图

路面照度和路面亮度并无准确的转换关系，它与路面位置、灯光入射角及其光强有关，还因灯具的光强分布不同而不同。

2、定点观测与动态测量的缺陷

路面亮度除了与路面性质有关外，还与观测点坐标（x、y、z）、以及视轴（α）有关：EN、CIE、IESNA以及GB规定的标准为：观测点位于观测路面前方60m、横向距右边路缘1/4道路宽度、高度为1.5m处，视轴为正前方向下1°( 即观测点在正前方约86m处)，如图3所示

图3 观测点位置图

这个规定考虑了驾驶员的观察姿态，但是它是静态的，是定点观测的状态，是驾驶员在驾驶过程中在特定瞬间观察到的路面照明情况；在这一瞬间、这一位置所看到的路面照明质量能否代表整个路面的照明质量？很显然，这是不行的，因为驾驶员在不同的位置下观察到的路面照明情况是不一样的。

路面照明应为驾驶员服务，从驾驶员的需求出发，驾驶员是在行驶过程中观察路面，是动态的、全过程的，所以只是考察特定点的亮度是不够的，应该动态的、全方位的测量路面亮度。

3、失能眩光的定位和计算

判断失能眩光的观测点定位也与亮度相似，只是CIE还规定了车辆顶棚的档光角度为20°。所以眩光最大处，总是出现在观测点位于灯具前方（H-1.5）/ tanθ 处，θ为眩光源与视轴的夹角，略小于20°，此时眩光源之等效光幕亮度最大；计算同排灯具500m内各个眩光源对该状态下的眩光贡献，计算到某一灯具的等效光幕亮度小于累加等效光幕亮度的20%止，然后求和；

等效光幕亮度 Ls =  K₁* E / θ²，

（在： 0.05 cd/m²< Lav < 5 cd/m²  并且 1.5°<  θ  < 60°时，K₁=10）；则：

失能眩光TI = K₂*Ls / Lav^0.8.  {K₂=64.1*[1+(A/66.4)⁴]—A为观测者年龄；一般以23岁左右为准，K₂=65}

三、道路照明评价现状：

1、亮度指标的提出

自从1977年 CIE No12.2出版物发表之后，亮度指标已在道路照明中被广泛采用。2003年，欧洲标准 EN13201再次强化亮度要求，提出亮度计的性能要符合 CIE 出版物 69:1987和 CIE 出版物 53:1982中给出的要求，并对亮度测量提出6点注意事项，它是将亮度计置于距离测量区域60米处对测量区内各点进行逐点测量，再取均值。而在国内，CJJ45-1991也引入了亮度标准，CJJ45-2006更强化了亮度均匀性的要求。

2、亮度与照度的双轨性

亮度测量困难，费工、费时还要封锁路面，逐格测量困难且不准 因此，国内虽然在CJJ45-2006中强化了亮度指标的要求，但由于其测量困难，便仿照欧洲，同时也给出了照度指标，两者之间用一个系数来换算，这样，便可以用照度测量代替亮度测量，大大简化了设计程序和测量要求，深受设计人员和测量工作者的欢迎，但却淡化了道路照明的本质要求——亮度及其均匀度要求。

采用照度作为照明指标，对于同是玻壳灯泡的各类灯具而言，具有一定的方便性（因为都无法灵活配光，其灯具光强分布大致相同）且配光设计较容易、测量方便又不受路面反射特性的影响，设计与测量也方便，得到设计方和使用方的欢迎而被广泛采用。

    因此，道路照明指标采用的照度指标与亮度指标等同的双轨性方案,实质上推行的是以照度为基准的照明指标。

3、道路照明的测试和评价

从人因工效学的原理出发，道路照明的指标，应从驾驶员的观察需求提出要求；而在光的传播路径上，人眼感知到的是路面受光照射后，经过路面的吸收和反射，一小部分光强射进人眼所形成的明亮感觉，因此人们看到的是亮度。照度指标良好的路面，驾驶员感觉并不一定好(如图4所示）。

 图4  照度均匀的路面其亮度不一定均匀

图4为厦门岐山北路的照明效果图，该路段于2009年2月下旬装灯，已连续检测了4年，这是该路面照明的第n次测量见下表：

从测量数据看，路面照度均匀度相当高，达0.74，但是从照片上看却是亮暗不均。从测量数据看，灯下照度要比两灯之间的照度高，但是从照片上看却是灯下的亮度比较暗，而两灯之间的亮度最高。测得的结果与看到的情况截然不同。

采用相机拍照与人眼观察的效果相似，说明用照度测量不能反映人眼的观察效果，而且亮度测量中随着观测点的变化，其效果也不同。

四、亮度的测量

1、以亮度为基础的配光设计已取得很大的进展

(1) 根据路面照明要求利用自适应函数建立数学模型，求出像方空间光强分布：

 亮度系数 ： q（α，β，γ）= dL（α，β，γ）/ dE（α，β，γ）

当α=1°时，照度dE可由下式求出：dE =（dI / H²）COS³γ

令：简化亮度系数 Γ（β，γ） = q（β，γ）*COS³γ

则：dL（β，γ）=（ dI（C，γ）/ H²）* Γ（β，γ）；

  CIE144-2001提出不同路面的反射系数表（γ表），采用Γ（β，Tanγ）的形式表示路面的反射性能，并在数值上放大1000倍后以γ表的格式提出，称为简化亮度系数表。

依据路面照明要求，借助γ表，采用遗传算法快速收敛，算出像方空间光强分布。

(2)采用剪切法建立数学模型，算出透镜自由曲面：

利用亮度表示式L = I / dS*cos ω =（ I / H²）* r（β，γ）和

透镜表面的折射公式   n * Sin i = n'* Sin i'  ；进行建模，一般采用：

a，用3D绘图软件生成透镜 ；  

 b，用Trece-Pro，ZEMAX， SPEOS等光线追迹软件模拟透镜配光效果,并生成灯具光强分布之IES文件；

c，将生成的IES文件导入DIALUX模拟路面照明效果。

至此建立在简化亮度系数表（γ表）基础上的亮度配光设计得到了解决。

2、采用成像亮度计进行照明水平测量

采用成像亮度计进行路面亮度测量更符合人眼的观察情况，且相对于逐点测量亮度，它更简单、省时，一幅图像就包含了路面各点的亮度信息。但是，必须指出的是图像拍摄时光轴的位置应符合标准中规定的要求，且必须在图像中划出与路面测量区域相对应的区域，从而确定测量点及其亮度值，最后算出亮度平均值，亮度总均匀度，亮度纵向均匀度等指标。

采用成像亮度计也可用来测量炫光，其对图像的分析计算分两步走：首先计算眼睛视网膜周边（不含黄斑）的等效光幕亮度，需注意的是应分别计算各个眩光源的光幕亮度，然后求和。

3、动态的全方位的测量路面亮度越来越受到重视

     目前进行的这些亮度测量绝大多数都是定点测量，该点的位置和观测状态是相关标准（如EN、CIE、国标等）给出的；但是，在路面各处观察到的路面亮度及其均匀度并不一样。近年来，动态的全方位的测量路面亮度越来越受到重视，因为它更符合驾驶员的需求；

五、动态测量的合理性和难点

1、优点：

(1) 契合人体工效学的需求，符合驾驶员的视觉感觉

可以动态地记录下驾驶员观察到的路面亮度和路面均匀度，同时记录下驾驶员感觉到的最大眩光在何处、有多大。

(2) 客观、准确、可靠：

测量的数据比逐点测量法客观，大大减少主观因素的影响，提供的是全过程、不同观察位置的测量数据，因而准确、可靠的多。为今后开展道路照明的评价研究及灯具的光学设计提供客观的依据。

（3） 快速，不必封锁道路，

往常几个小时的工作量，动态测量每条车道只要几秒钟就可以，大大降低光环境随时间变化的影响，不必封锁道路；而且提供的信息量比往常测量提供的信息量多得多。

2、难题：

动态测量需要解决的难题和他的优点一样突出。

（1） 动态测量与静态标准的差异

    目前，动态测量首先要满足国标和CIE等相关标准的要求，而这些要求是基于静态测量的条件下提出的，和动态测量状态大相径庭。而在最早关注动态测量的EN标准中，提出了在动态测量时，观察者和布点可能很难或无法达到CIE或EN 等对观察者位置和布点位置的相关要求。

（2） 动态测量要提供全方位的路面照明信息。

为满足驾驶员的需求，动态测量除了提供定点测量中符合相关标准要求的数据外，还要提供观测视线在经过测试路段所看到的全过程、全方位路面照明信息，以供更全面、更完整地评价路面照明。

（3）取何种亮度值难以确定

动态测量时，测量区内有2-4条车道，每条车道起码提供十多幅路面亮度图像，每幅图像均有“海量”路面亮度信息，如何处理这些信息是我们面临的一个难题。即要的是某一时刻的路面平均亮度值及其均匀度，还是在同一视角前提下不同时刻的路面平均亮度值及其均匀度？

从满足标准要求出发，肯定是某一时刻下的亮度值及其均匀度。但从人因工效学考虑、从动态观测路面出发，如何选取路面亮度值及亮度均匀度是一个值得去探究和讨论的问题。

（4）测量精度难以保证

观测角相差0.1⁰观测点相差可达 9米左右，为保证动态测量精度，其测量轴线要稳定，测量点的定位要准确，但在测量过程中难以保证。

(5) 存在“拖影’问题

因为“动态”，要求曝光时间短，而路面反射光的亮度又很低，这对像面光敏元件—CCD或CMOS的灵敏度要求很高，因此会出现图像的“拖影”问题，目前很难达到要求。

总之，道路照明动态测量优点多多，但也困难重重；相信随着技术水平的不断提升，困难最终会被逐渐客服。

参考文献

⑴、 CIE140 道路照明计算方法

⑵、 EN 13201-3, 2003 Road lighting — Part 3: Calculation of performance.

⑶、 EN13201-4 2003 Road lighting-- Part 4: Methods of measuring lighting performance

⑷，CJJ45-2006 城市道路照明设计标准

⑸，城市道路照明设计 李铁楠

⑹，自动优化非成像光学照明系统   谢尔盖 库达威· 彼德  许莱柏