道路照明质量与可见度水平研究

翁 季，陈仲林

(重庆大学建筑城规学院，重庆400045)

0 引言

在道路照明中，为了减少夜间交通事故，仅有路面亮度是不充分的，而必须使目标物亮度和背景亮度的差别高于一个确定的最小值。因此，宜采用可见度水平评价道路照明效果。这是在提高驾驶员安全性方面的一个新颖的道路照明设计思路。可见度常采用可见度水平表示，它表示了目标和背景的亮度差大于其阈限状态时亮度差的倍数。

式中

为了便于计算，采用美国国家标准(RP-8-00)小目标可见度(STV)的计算模型来确定道路照明的可见度水平。通过小目标的建立和一系列对道路照明环境的假设，将道路计算点的可见度水平进行加权平均便得到STV。而STV的值便可以较好地反映某条道路的可见度水平。

道路照明的首要目的是在夜间提供快速、安全和舒适的可见度，达到交通安全、减少交通事故，提高交通运输效率。采用小目标可见度设计方法进行道路照明设计是直接的、也是有效的，随着研究的深入，以小目标可见度(STV)模型计算可见度水平已形成了较为成熟的方法，用于实际的道路照明设计已成为可能。在与道路照明亮度设计理论比较发现，小目标可见度设计方法在节约能源和成本方面有很大的潜力，这为夜间交通安全化和能源使用最佳化两方面提供了一个新颖的设计思路。更能达到道路照明可持续发展的要求。

1 可见度的设计方法

虽然影响可见度水平的主要因素有目标物的对比度、紧邻的背景亮度、邻近环境的适应水平和失能眩光，但具体到道路照明设计中，归根结底是照明光源、照明系统和道路系统的几何关系相互影响的结果。为避免其他的不确定因素，在研究可见度的设计方法时，笔者考虑固定道路照明光源为道路和人行道提供照明。在这种情况下，满足道路照明路面亮度或小目标可见度的设计程序为，首先根据道路系统的分类或等级选择适宜的亮度和可见度标准，，然后试选光源和灯具，初步确定灯具的排列和间距等几何关系，然后按照路面亮度标准和STV分别算值。最后从路面亮度或小目标可见度(STV)方面评价照明系统，并通过调整以达到满意的路面亮度或小目标可见度。应注意的是，可见度和路面亮度标准确定的都是最小值，设计值必须达到或超过它们，否则就必须修改设计来达到要求。另一方面，为了降低费用和节约能源，如果设计值超过可见度和路面亮度较多也要修改设计，或者设计者根据能耗或其他相关考虑来确定该设计。

粗略地看，似乎可见度的设计程序与路面亮度的设计程序并无多大的区别，但比较路面亮度的计算方程组和可见度计算模型可以看出这两种设计方法会在相同的设计中产生完全不同的评价，为了提高一个标准可能会降低另一个标准。为了使小目标可见度和路面平均亮度达到道路照明设计标准中小目标可见度的推荐值要求，应对灯具的安装高度、灯具间距、灯具的配光情况、灯具的布置方式、光源功率等一项或几项进行反复调整，重复计算。由于小目标可见度数学模型较为复杂，将导致计算工作量很大，所以均应采用程序计算。

2 可见度水平与道路照明质量研究

无论影响可见度水平的因素有多少，在道路照明设计中，最终必须依靠照明光源、照明系统的几何关系来产生适宜的可见度水平。在仅考虑固定照明方式的前提下，只能通过改变照明光源以及照明系统几何特性来改变可见度水平，提高道路照明质量。光源以及照明系统几何特性的改变引起可见度的增减是有一定的规律的，笔者以一条假设的道路作为可见度的计算基础模型，从光源以及照明系统几何特性的角度理论上分析引起可见度的增减的规律。

从式(1)中看出，单个目标的可见度水平是与目标物的背景亮度Lb、目标亮度和背景亮度组成的对比度C、等效光幕亮度Lv三个值合成的四个指标的函数。三个值发生变化将导致可见度水平的增减，但是，三个值对可见度水平的贡献是不一样的，所以，当光源以及照明系统几何特性发生改变时，这三个值会不成比例地相应改变，对可见度贡献大的那个值将决定可见度水平的增减。

2.1 增加光源光输出对可见度的影响

计算基础模型假设道路为平直、均匀的单车道，车道宽5 m，路面材料为CIE规定的R3路面，光源选用Ge1773038型高压钠灯的配光IES文件，灯杆高度为10 m，间距30 m，悬挑1 m，观察者年龄为60岁，通过程序计算符合可见度模型的20个点的各项参数。当增大光源光输出，假定灯具的配光分布没有发生变化时，目标亮度、背景亮度、光幕亮度、适应亮度、路面亮度均随光输出增加而成倍增加，光幕亮度、适应亮度同时引起了阈限亮度差ΔL0的增加，对比度没有发生改变，各点的可见度水平略有增加。将影响可见度水平的几个因素的数据输入SPSS统计软件，得到其与可见度水平的相关关系如表1所示。

表1 可见度水平与影响因素的相关关系

从表1可以看出，随着适应水平、背景亮度、对比度的上升，VL值上升;随着失能眩光上升，VL值下降，在计算中，光幕亮度值一般较小，对VL值的影响也较小，背景亮度的增减将引起计算式的分子和分母相应地增减，其对VL值的贡献一部分被抵消，只有对比度与可见度水平具有较高的相关关系，其上升引起的VL值上升要比其他因素引起VL值变化的变化率大得多。当四个值以相同的比率上升，STV总是上升的。因此，增加光输出，在对比度没有发生变化的情况下，道路的平均亮度与STV值如表2所示。

表2 不同光源光输出对亮度及可见度的影响

可以看出，增加光输出将使路面平均亮度成比例增长，亮度均匀度没有变化，而没有对比度的变化，小目标可见度仅小幅度增长。因此，在道路照明设计中，单纯增加光源的数量或功率对道路照明的安全性是没有多大作用的。这一理念对于道路照明节能具有重要的意义。

2.2 改变灯具间距对可见度的影响

保持基础计算模型不变，将灯杆间距设为20 m，30 m，40 m，假定灯具的配光分布和光输出没有发生变化，当灯杆间距增加时，目标亮度、背景亮度、适应亮度、路面亮度基本随灯杆间距增加而减少，光幕亮度值呈先增加后减少的规律，ΔL0也随灯杆间距增加而减少，但是，多数目标物对比度随灯杆间距增加而增加，正是对比度的贡献，使多数目标物的可见度水平增加。其结果导致道路的平均亮度与STV值如表3所示。

表3 不同灯杆间距对亮度及可见度的影响

可以看出，改变灯杆间距将使路面平均亮度成比例变化，亮度均匀度随灯杆间距的增加而减少，小目标可见度则大幅度增长。在本例中可见度设计理念与传统的亮度设计理念相反。适当增加灯杆间距虽降低了路面平均亮度，但提高了可见度水平，既保证了道路照明的安全可靠，又可以节约初期投资，符合道路照明的可持续发展观。

但是，在可见度设计中，路面亮度也不可忽视。在可见度计算中，假定汽车在空旷的道路中行驶，并只考虑了固定照明系统的影响，然而在双向道路上，特别是没有中央分隔带的时候，交通事故与迎面驶来的汽车前照灯的眩光造成的可见度降低密不可分，必须能通过设置中央分隔带或提高人眼适应水平来降低眩光的影响。因此在不考虑环境亮度的情况下，路面必须具有一定的亮度水平以降低迎面来车的前照灯的眩光影响。它与可见度水平共同构成了可见度标准的核心。

2.3 改变灯具安装高度对可见度的影响

保持基础计算模型不变，将灯具安装高度设为10 m，12 m，15 m，假定灯具的配光分布和光输出没有发生变化，当灯具安装高度增加时，目标亮度、背景亮度、适应亮度、路面亮度、目标物对比度基本随灯具安装高度增加而减少，光幕亮度值和ΔL0变化较小，在这种情况下，目标物的可见度水平必然随灯具安装高度增加而减少。其结果导致道路的平均亮度与STV值如表4所示。

表4 不同灯具安装高度对亮度及可见度的影响

可以看出，增加灯具安装高度虽使路面的亮度均匀度得到改善，但降低了路面平均亮度，小目标可见度则大幅度减少。因此，在道路照明设计中，在满足必要的均匀度的前提下，适当降低灯具安装高度有利于提高可见度水平，还可以节约初期投资。

2.4 改变布灯方式对可见度的影响

保持基础计算模型不变，比较灯具单侧布置和双侧对称布置可见度的变化，假定灯具的配光分布和光输出没有发生变化，当灯具由单侧布置改为双侧对称布置时，所有可见度影响因素均增加，但对比度增加较小，可见度水平增加。其结果导致道路的平均亮度与STV值如表5所示。

表5 灯具单侧布置和双侧对称布置对亮度及可见度的影响

可以看出，灯具由单侧布置改为双侧对称布置时，路面的平均亮度、亮度均匀度得到改善，但小目标可见度增加幅度不大。对比增加光输出的案例(表2)，在路幅不宽，满足必要的路面亮度的前提下，采用同样的光源数量，还不如采用单侧布置，每个灯具设两个光源，虽然亮度均匀度下降，但已满足规范要求，小目标可见度略有下降，但这种设置只需在道路单边布线，灯杆数量也只有原来的一半，大大节约了初期投资。

下面比较灯具四种布置方式对可见度的影响，若保持整套照明系统灯具光输出基本不变，则各方式的灯杆间距应为:单侧布置间距30 m;双侧交错布置间距30 m;双侧对称布置间距60 m;中心对称布置间距60 m。计算结果表明，当灯具布置方式由单侧布置变为双侧交错布置、双侧对称布置、中心对称布置时，背景亮度略有下降，但对比度却大幅增加，目标物的可见度水平必然增加。其结果导致道路的平均亮度与STV值如表6所示。

表6 四种灯具布置方式对亮度及可见度的影响

可以看出，在光输出基本相同的情况下，四种方式的路面亮度基本一致，后三种布置方式的小目标可见度都比较理想，中心对称布置方式的可见度最大。但从整体来看，双侧交错布置既有较好的可见度，又具备较好的均匀度，是最佳的布置方式。在英美等发达国家，道路照明较多采用双侧交错布置，我国则较少采用，在达到同样的路面亮度的前提下，双侧交错布置能提供较好的可见度与均匀度，这是值得我国的道路照明设计者注意的。

当后三种布置方式的间距缩小一半时，其结果如表7所示。

表7 三种灯具布置方式对亮度及可见度的影响

可以看出，在间距缩小时，三种方式中仍是中心对称布置的可见度最大，双侧交错布置的均匀度最好。比较上面两表，当灯杆间距因节能要求而增加时，双侧交错布置的可见度增幅最大，双侧对称布置增幅最小。在利用可见度进行道路照明设计时，必须利用计算机程序反复调整，选择最佳的灯具布置方式。

2.5 改变路面类型对可见度的影响

保持基础计算模型不变，比较CIE规定的R系列四种路面对可见度的影响，表8是对在线路1和2上各点的光度值进行算术平均的计算结果。

表8 不同路面类型的光度值的算术平均值

可以看出，R1和R4类型的路面提供了最好的路面亮度和可见度水平，R3，R2类型的路面亮度和可见度水平较差。其结果导致道路的平均亮度与STV值如表9所示。

表9 四种路面类型对亮度及可见度的影响

从表9可以看出，在设计中选用R1和R4类型的路面，能提供最好的路面亮度与可见度水平，但R1路面的亮度均匀度较差;R3，R2类型的路面能提供较好的均匀度，但路面亮度和可见度水平较差。综合来看，R4类型的路面是最好的路面。这一结论与国外研究结果基本一致。

3 小结

为了使小目标可见度和路面平均亮度达到道路照明设计要求，应对灯具的安装高度、灯具间距、灯具的配光情况、灯具的布置方式、光源功率等一项或几项进行反复调整，重复计算，最终选定最优方案，这会导致计算工作量很大，所以均应采用程序计算。

在道路及照明系统发生改变时，目标物的背景亮度、目标和背景的对比度、等效光幕亮度三个值相应发生变化并导致可见度水平的增减，但是，由于对比度与可见度水平具有较高的相关关系，其上升引起的VL值上升要比其他因素引起VL值变化的变化率大得多。因此，在道路照明中采用可见度设计，最重要的是如何提高路面目标物的对比度。适当增加灯具间距、提高灯具安装高度、改变布灯方式均可提高路面目标物的对比度，从而提高道路照明的小目标可见度。

由于道路照明的首要目的是提供良好的可见度，所以采用小目标可见度设计方法进行道路照明设计是直接的、也是有效的，更接近人们真实的视觉情况，从而能获得比采用亮度设计标准更为合理的结果，也会更有利于道路照明节能，达到可持续发展要求。

［1］ANSI/IESNA RP-8-00.American National Standard Practice for Roadway Lighting［S］

［2］Olkan Cuvalci，Bugra Ertas.Roadway Lighting Design Methodology and Evaluation.2000 Society for Design and Process Science Printed in the United States of America