道路照明見(jiàn)度的計(jì)算模型研究

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1、道路照明能見(jiàn)度的計(jì)算模型研究WENGJi,HUYingKui&YINGWen摘要：能見(jiàn)度是道路照明中影響駕駛員視線可靠性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是影響道路照明安全和節(jié)能的重要因素。本文介紹了道路照明能見(jiàn)度的概念及其影響因素。也解釋了道路照明設(shè)計(jì)的小目標(biāo)能見(jiàn)度計(jì)算模型，并從視覺(jué)可靠性和駕駛員視覺(jué)舒適度的角度描述了制定城市道路照明能見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)的意義。關(guān)鍵字：道路照明，能見(jiàn)度，計(jì)算模型，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1、引言城市道路照明的目的是確保交通安全，減少交通事故的發(fā)生，提高交通運(yùn)輸效率，為在夜間出行的機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車駕駛員以及乘客建立一個(gè)良好的視覺(jué)

2、環(huán)境。根據(jù)中國(guó)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]，道路基于其功能被分為四類，即快速路，主干路，次干路和支路。同時(shí)，評(píng)估道路照明的相應(yīng)指標(biāo)還包括平均路面亮度、整體均勻度、縱向均勻度、失真炫光限制和環(huán)繞比（SR）。另外，道路照明標(biāo)準(zhǔn)還需要良好的引導(dǎo)。研究[2]表明，能夠影響道路照明質(zhì)量的各種影響因素，即平均路面亮度、環(huán)繞比和失真炫光之間存在著某些內(nèi)在的關(guān)系。它們對(duì)道路駕駛員的視覺(jué)功能具有全面的影響，也就是說(shuō)，把這些個(gè)別道路照明質(zhì)量指標(biāo)和目標(biāo)亮度結(jié)合起來(lái)，共同決定了道路照明的能見(jiàn)度條件。能見(jiàn)度是一個(gè)能夠全面評(píng)價(jià)影響駕駛員的視覺(jué)可靠性的

3、指標(biāo)，這對(duì)于道路照明安全和節(jié)能來(lái)說(shuō)具有重要意義。為了充分發(fā)掘道路照明的功能，我們可以根據(jù)國(guó)際道路照明標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合中國(guó)道路照明的現(xiàn)狀，對(duì)道路照明技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行深入研究，從而制定出一個(gè)更加實(shí)用、更加科學(xué)、更加具有前瞻性和先進(jìn)性的道路照明亮度標(biāo)準(zhǔn)。能見(jiàn)度測(cè)量的范圍是人眼識(shí)別現(xiàn)有對(duì)象或形狀的困難程度，它是一個(gè)心理物理學(xué)測(cè)量，用來(lái)描述人眼觀測(cè)和識(shí)別目標(biāo)物時(shí)主觀感受[3]。對(duì)于道路照明，路面照明亮度本身不足以確保駕駛員對(duì)道路目標(biāo)物的準(zhǔn)確識(shí)別，必須提高目標(biāo)物背景的亮度差，使其大于可以識(shí)別的最小值。因此，能見(jiàn)度指標(biāo)通常被表示為可視

4、水平[2]，即一個(gè)表示觀測(cè)目標(biāo)物亮度和背景亮度之間的差值與亮度差閾值的商的系數(shù)：（1）這里，VL表示能見(jiàn)度水平；ΔL表示觀測(cè)目標(biāo)與背景亮度之間的差值，即ΔL=Lt-Lb；ΔL0表示目標(biāo)剛好可以被識(shí)別時(shí)觀測(cè)目標(biāo)與背景之間的亮度差，即閾值亮度差，也就是ΔL0=Lt0-Lb。從上述公式可以看出，目標(biāo)物亮度和其相鄰的背景亮度以及閾值亮度差都是影響能見(jiàn)度水平的主要因素。研究[4]表明，閾值亮度差的重要因素是對(duì)相鄰環(huán)境和失真眩光的亮度適應(yīng)、目標(biāo)對(duì)象的存在時(shí)間、觀測(cè)者年齡和負(fù)對(duì)比度校正（目標(biāo)物的亮度低于背景亮度）。為了更合理的道路照明

5、設(shè)計(jì)，小目標(biāo)能見(jiàn)度（STV）的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照美國(guó)道路照明標(biāo)準(zhǔn)RP-8-00[5]的推薦。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，為直干單行道的清晰表面計(jì)算出了STV，是在識(shí)別時(shí)間和視場(chǎng)角分別為0.2s和7.45’，并且駕駛員年齡為60歲以上、眼睛高度為1.45m的不利條件下。在計(jì)算過(guò)程中，駕駛員被要求觀測(cè)20個(gè)垂直放置的規(guī)格為0.18m*0.18m的小目標(biāo)漫反射板（表面反射率為0.5），距離駕駛員正前方83.07m。然后計(jì)算每個(gè)均勻布置在兩個(gè)燈柱兩行之間的小目標(biāo)能見(jiàn)度水平，使它們的加權(quán)作為STV。標(biāo)準(zhǔn)RP-8-00中指定的小目標(biāo)能見(jiàn)度計(jì)算模型是相當(dāng)復(fù)

6、雜的。為了更方便的計(jì)算道路照明能見(jiàn)度，本文利用閾值亮度測(cè)試和廣義韋伯-費(fèi)希納定律來(lái)簡(jiǎn)化一定計(jì)算條件下的計(jì)算模型。2、計(jì)算目標(biāo)物和背景亮度的模型2.1目標(biāo)物亮度Lt假設(shè)目標(biāo)物的表面反射遵從朗伯定律[6]，可以來(lái)源于平方反比定律（2）其中，Ltp表示單個(gè)燈具照射下的目標(biāo)物亮度；c，γ表示燈具相對(duì)P點(diǎn)的角關(guān)系，參見(jiàn)圖1；I表示角γ和c處的發(fā)光強(qiáng)度；LLF表示燈具的光損耗因子；H表示燈具的高度；ρ表示目標(biāo)物的反射率；h表示目標(biāo)物的高度。目標(biāo)物亮度Lt是所有燈具對(duì)目標(biāo)物貢獻(xiàn)亮度的總和。圖1亮度計(jì)算的坐標(biāo)圖2.2背景亮度Lb某點(diǎn)P在

7、一個(gè)燈具照射下生成的路面亮度如下[7]：（3）點(diǎn)P在n個(gè)燈具照射下的亮度總和如下【7】：（4）其中，ci，γi表示點(diǎn)P相對(duì)于燈具i的坐標(biāo)；I（ci，γi）表示燈具i在P點(diǎn)產(chǎn)生的光強(qiáng)度；γ（βi，γi）表示簡(jiǎn)化的亮度系數(shù)，可以從標(biāo)準(zhǔn)路面的γ表中獲得，標(biāo)準(zhǔn)路面對(duì)應(yīng)于實(shí)際路面；H表示燈具的安裝高度；LLF表示燈具的光損耗因子；MF表示r表的生產(chǎn)系數(shù)，通常為10000。在能見(jiàn)度的計(jì)算中，目標(biāo)物的背景亮度（Lb）應(yīng)該選擇為相對(duì)目標(biāo)物上邊界和下邊界（Lb1和Lb2，如圖2）中間的平均亮度【6】，即（5）其中，Lb1是目標(biāo)物上邊界的背

8、景亮度，即在目標(biāo)物后11.77m處的路面亮度，由公式（3）計(jì)算的得出；Lb2是目標(biāo)物下邊界的背景亮度，即目標(biāo)物正下方的路面亮度。(a)俯視圖（b）側(cè)視圖圖2計(jì)算目標(biāo)物的背景亮度的位置圖3、閾值亮度差相關(guān)參數(shù)的計(jì)算模型3.1等效光幕亮度Lv等效光幕亮度是由眩光源對(duì)人眼產(chǎn)生的照度（Eθi），以及觀測(cè)方向與光線從眩光源處入