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道路照明對(duì)“視功能”的影響研究分析

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關(guān)鍵詞: LED照明,道路照明,眩光

      道路照明的主要作用是保障夜間交通安全,為道路使用者提供舒適、可靠的視覺(jué)環(huán)境。

      在夜間道路使用者中,由于機(jī)動(dòng)車速度快,發(fā)生事故的后果嚴(yán)重,所以需要首先保證機(jī)動(dòng)車駕駛員的視覺(jué)作業(yè)需求。而道路照明的質(zhì)量與駕駛員視覺(jué)可靠性之間存在密切關(guān)系,如果視覺(jué)可靠性得到改善,必然減少事故發(fā)生。

      因此,評(píng)價(jià)道路照明質(zhì)量的優(yōu)劣,首先要從影響駕駛員視覺(jué)可靠性的基本因素和要求出發(fā)。

      視覺(jué)可靠性包含兩個(gè)方面:視功能和視覺(jué)舒適。

      視功能是指駕駛員在他的視野中看清物體及其變化的功能,即視覺(jué)的生理作用是否處于正常狀態(tài)。視覺(jué)舒適是指在道路照明產(chǎn)生的視覺(jué)環(huán)境中,駕駛員在心理上是否感到舒適。

      直接影響駕駛員視覺(jué)可靠性的基本因素有如下幾條:

      路面或道路附近的物體亮度;

      道路背景的普遍亮度;

      辨認(rèn)物體和細(xì)部的尺寸;

      物體與背景之間的亮度對(duì)比;

      車道路面與觀察到的環(huán)境之間的亮度對(duì)比;

      觀察物體的有效時(shí)間;

      眩光程度等。

      根據(jù)上述因素,下面分幾個(gè)方面討論駕駛員的視覺(jué)可靠性與道路照明參數(shù)之間的各種關(guān)系,從而確定影響道路照明質(zhì)量的因素和要求。

      一、 建立照明參數(shù)的基礎(chǔ)——亮度

      一個(gè)物體之所以能被看見(jiàn),引起視覺(jué)反應(yīng)。是由于其表面發(fā)射的光線進(jìn)入了觀察者的眼睛,進(jìn)入的光線越多,視覺(jué)知覺(jué)就越強(qiáng)。道路表面上的照度,是作為觀察對(duì)象的道路表面單位面積上接收的光線數(shù)量,它不能直接給出觀察者視覺(jué)知覺(jué)的強(qiáng)弱。

      只有道路表面的亮度的高低,才能直接正比于觀察者視覺(jué)知覺(jué)的強(qiáng)弱。實(shí)際的道路表面是一種介于漫反射和定向反射之間的表面,這類表面上某一點(diǎn)的亮度,是該點(diǎn)照度和光線入射角、表面反射特性以及觀察方位角的函數(shù)。所以路面上即使是照度相同的不同點(diǎn),由于相對(duì)于觀察者位置的不同,其亮度也不同。

      因此,對(duì)于使用者來(lái)說(shuō),道路表面的明暗不直接決定于照度,而決定于亮度。道路表面的照度只反映了路面接受光通量的情況,并不反映路面對(duì)這些光線的反射情況,因此它不是一個(gè)直接反映道路照明質(zhì)量的量。而直接影響駕駛員視功能的是在他視野范圍內(nèi)存在的各種亮度圖案。

      由此可見(jiàn),只有基于亮度概念上建立的各種照明參數(shù),才能很好的滿足視覺(jué)可靠性的要求。

      國(guó)際上自1940年開(kāi)始以亮度來(lái)評(píng)價(jià)道路照明系統(tǒng),70年代又增加了可見(jiàn)度、識(shí)別幾率等視功能指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià),以求更客觀更完整準(zhǔn)確的反映道路照明的質(zhì)量。

      二、 視功能

      1、 照明水平:

      要能看見(jiàn)并分辨一個(gè)物體就,就需要物體與背景間存在一定的亮度區(qū)別。在一般的道路上,照明水平較低,所以顏色的視覺(jué)較貧乏。而對(duì)于駕駛員來(lái)說(shuō),所必須獲取的視覺(jué)信息是能在背景(路面)上發(fā)覺(jué)障礙物的存在,不必區(qū)分是什么顏色。

      同時(shí)由于人眼對(duì)物體與背景間的亮度差別,比顏色差別更容易區(qū)別。所以引出了亮度對(duì)比度這一概念,其定義為:

      式中:

      C—亮度對(duì)比度

      Lb—背景亮度

      Lo—物體亮度

      如果物體比背景暗,這個(gè)對(duì)比度可稱之為負(fù)對(duì)比度,反之則稱為正對(duì)比度,道路照明一般產(chǎn)生負(fù)對(duì)比度。因?yàn)樵诿髁帘尘吧系囊粋€(gè)黑影,比暗背景上的一個(gè)明亮物體更容易被發(fā)現(xiàn),駕駛員只要能看到障礙物的輪廓并判斷其方向就行了,并不需要了解細(xì)節(jié)。

      路面上一個(gè)物體的亮度Lo與它表面漫反射率RO和它垂直面上的照度Ev的乘積成正比。

      在亮度為L(zhǎng)b的道路上,一個(gè)為L(zhǎng)o的物體在視覺(jué)上可能出現(xiàn)下列三種情況:

      A、 Lo<Lb,可以明亮的背景上看到黑影;

      B、 Lo=Lb,二者融合,不能區(qū)別;

      C、 Lo>Lb,可以看到明亮的影子。

      顯然,第二種情況應(yīng)該避免。道路照明通常以滿足Lo<Lb為原則。因?yàn)長(zhǎng)o>Lb則Ev值必然高,Ev值高就很容易引起眩光。

      由此可見(jiàn),增加背景亮度或減少垂直面照度,能提高亮度對(duì)比度。從而影響視功能。在控制垂直照度的條件下,路面的平均亮度Lav就可以作為評(píng)價(jià)道路照明質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。

      2、 均勻度:

      為滿足駕駛員的視功能需求,不僅要有一定的路面平均亮度,而且要求路面亮度分布要有一定的均勻度。這就是影響照明質(zhì)量的第二個(gè)參數(shù)&mdash;&mdash;亮度總均勻度Uo,其定義為:

      式中:

      Uo&mdash;亮度總均勻度

      Lmin&mdash;路面最小亮度

      Lav&mdash;路面平均亮度

      在一般情況下,最差的對(duì)比度往往出現(xiàn)在路面亮度低的區(qū)域,以致不易識(shí)別出在這些區(qū)域里的障礙物。同時(shí),當(dāng)駕駛員觀察道路較暗的部分時(shí),較亮的部分作為眩光源也會(huì)對(duì)視功能產(chǎn)生影響。因此需要確定路面最小亮度和平均亮度之間的比值,即亮度總均勻度Uo,這對(duì)視覺(jué)可靠性來(lái)說(shuō)同樣是十分重要的參數(shù)。

      3、 眩光:

      眩光作用會(huì)導(dǎo)致識(shí)別能力下降,這是由于光在人眼里發(fā)生散射所造成的。在沒(méi)有眩光時(shí),位于駕駛員視野正方向上景物的影像,清楚的聚焦在眼睛的視網(wǎng)膜上,這時(shí)的視覺(jué)靈敏度與景物的亮度成正比。

      若在偏離視野正方向的位置上有一眩光源,這個(gè)眩光源的光線也會(huì)進(jìn)入眼睛,但這部分光線不會(huì)被聚焦,會(huì)在眼睛里部分的散射。這部分散射光落到視網(wǎng)膜上,就好像在原來(lái)清晰的影像上疊加了一層光亮的幕。

      這層幕的亮度稱為等效光幕亮度,可用如下公式求得:

      式中:

      Lv&mdash;等效光幕亮度

      K&mdash;年齡因素(平均值=10)

      Ei&mdash;第i個(gè)眩光源在眼睛(與視線相垂直的平面)上產(chǎn)生的照度

      &theta;i&mdash;從第i個(gè)眩光源來(lái)的光線方向與視線方向間的夾角

      由于這層光幕的存在,導(dǎo)致識(shí)別能力降低。這是因?yàn)樵谠瓉?lái)的兩個(gè)亮度(Lo和Lb)上,每個(gè)都加上了等效光幕亮度Lv,形成了新的對(duì)比度。

      可用下面兩式說(shuō)明:

      A、由于有效背景亮度增加,剛好可以看見(jiàn)物體的亮度對(duì)比度即閾值對(duì)比度Cth減小,識(shí)別能力提高。

      式中:Lbeff&mdash;有效背景亮度

      B、有效對(duì)比度減小

      式中:Ceff&mdash;有效亮度對(duì)比度

      一方面由于背景亮度增加引起閾值對(duì)比度減小,另一方面對(duì)比度減小了,但是閾值對(duì)比度減小的正效應(yīng)是不能足夠補(bǔ)償有效對(duì)比度減小的損失的。也就是說(shuō),在沒(méi)有眩光的情況下,一個(gè)物體剛好能看見(jiàn)(閾值對(duì)比度)。

      在眩光的作用下,就看不清了,必須增加對(duì)比度才能看清。這部分增加的對(duì)比度和原來(lái)的對(duì)比度有關(guān),它是表達(dá)由于失能眩光導(dǎo)致視功能降低的一種度量,稱為閾值對(duì)比度增量,簡(jiǎn)稱閾增量。

      當(dāng)路面亮度范圍為0.05cd/m2<Lav<5cd/m2時(shí),閾值增量TI的計(jì)算公式如下:

      式中

      Lav&mdash;觀察者的適應(yīng)亮度(cd/m2)

      Eeye&mdash;觀察者視野中的一個(gè)燈具在其眼睛處垂直于視線方向的表面上產(chǎn)生的照度(lx)

      &sum;&mdash;觀察者視野中的所有燈具對(duì)TI的貢獻(xiàn)

      &theta;&mdash;視線與人眼至燈具光中心連線的夾角(視線位于水平線以下1o并經(jīng)過(guò)觀察者眼睛的沿道路軸線縱向垂直面上)。

      這個(gè)TI就是評(píng)價(jià)照明質(zhì)量的第三個(gè)參數(shù)。

      三、 視覺(jué)舒適

      視覺(jué)舒適的要求和視功能的要求一樣,目的都是為了保證駕駛員的視覺(jué)可靠性,從而保障行車安全。視覺(jué)舒適是一種心理作用,主要靠主觀評(píng)價(jià)來(lái)確定,但可以通過(guò)對(duì)部分參數(shù)的限制來(lái)保證一定的照明質(zhì)量。

      和視功能一樣,視覺(jué)舒適也受照明水平、均勻度、眩光三個(gè)照明參數(shù)的影響,分述如下:

      1、照明水平:

      在保持眩光水平較低的條件下,高的路面平均亮度會(huì)使駕駛員感到更舒適,能在一定程度上延緩精神疲勞的產(chǎn)生。因此,路面平均亮度不但對(duì)視功能是個(gè)重要的參數(shù),對(duì)視覺(jué)舒適也是一個(gè)有影響的參數(shù)。

      2、均勻度:

      當(dāng)車輛在道路上行駛時(shí),前方路面上相繼出現(xiàn)的明暗區(qū),會(huì)形成有節(jié)奏的閃爍。也就是稱之為&ldquo;斑紋效應(yīng)&rdquo;的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生干擾,引起視覺(jué)和精神疲勞。這也是影響視覺(jué)可靠性造成事故的一個(gè)原因。

      由此,提出了第四個(gè)影響視覺(jué)可靠性的照明參數(shù)&mdash;&mdash;縱向均勻度(UL),它的定義為:車道中心線上最小亮度與最大亮度之比,即:

      式中:

      UL&mdash;縱向均勻度

      L,min&mdash;車道中心線上最小亮度

      Lmax&mdash;車道中心線上最大亮度

      3、眩光:

      眩光對(duì)駕駛員的視覺(jué)舒適感,同樣有很大影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明,不舒適眩光的程度可以用眩光控制等級(jí)(G)來(lái)度量。這就是影響視覺(jué)可靠性的第五個(gè)參數(shù),它主要受燈具特性和裝置特性兩方面的影響。

      其表達(dá)式如下:

      式中:

      G&mdash;眩光控制等級(jí)

      I80、I88&mdash;照明器在平行于路軸的垂直面與燈具垂直軸夾角80度和88度方向上的絕對(duì)光強(qiáng);

      F&mdash;照明器在平行于路軸的垂直面與燈具垂直軸夾角76度方向上的發(fā)光面積;

      C&mdash;光源顏色修正系數(shù);(低壓鈉燈=+0.4;高壓鈉燈=+0.1;高壓汞燈=-0.1;其他燈泡=0)

      Lav&mdash;路面平均亮度;

      h&mdash;水平視線高度和照明器高度間的垂直距離(燈具高度&mdash;1.5m);

      P&mdash;每公里照明器的數(shù)量。

      上式為一經(jīng)驗(yàn)公式,其中方括號(hào)內(nèi)的部分代表了燈具特性,稱之為燈具指數(shù)(SLI)。

      4、誘導(dǎo)性:

      將照明器沿道路走向適當(dāng)?shù)呐渲茫管囕v、行人對(duì)前方道路的方向、路線及有關(guān)配置物等有一個(gè)明確的視覺(jué)條件,這個(gè)功能稱之為道路照明的誘導(dǎo)性。對(duì)于這方面雖然不能給出一個(gè)定量的參數(shù),但對(duì)于視覺(jué)可靠性來(lái)說(shuō),它同樣是一個(gè)不可忽略的重要因素。

      在道路照明中,為增強(qiáng)光學(xué)誘導(dǎo)性,一般采用如下幾種處理方法:

      A、直線段道路照明器的配置,應(yīng)與道路平行,排列整齊;

      B、道路轉(zhuǎn)彎處照明器應(yīng)設(shè)置在彎道外沿;

      C、交叉口采用不同于道路光色的光源照明;

      D、不同的街道使用不同類型的光源;

      除上述要素外,不同的光源由于其發(fā)射的光譜不同,對(duì)視覺(jué)可靠性也有一定的影響,但以往的研究都是基于傳統(tǒng)光源條件下開(kāi)展的。

      近年來(lái)隨著LED光源的發(fā)展,其在道路照明領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸普及,但關(guān)于LED光源對(duì)道路照明環(huán)境中機(jī)動(dòng)車駕駛員視覺(jué)可靠性的影響的研究還不夠全面和深入,尚有待于道路照明工作者們進(jìn)一步拓展,以科學(xué)的推進(jìn)LED光源應(yīng)用,促進(jìn)綠色照明的發(fā)展。

    (審核編輯: 智匯張瑜)

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