深圳市典型路面材料亮度系數(shù)的初步測量*

吳春海 吳貴才 陳 新 鄭曉東

(1.深圳市燈光環(huán)境管理中心，廣東深圳 518033;2.浙江大學(xué)光電信息工程學(xué)系，浙江杭州 310027)

1 前言

發(fā)光二極管 (LED)的迅速普及，使道路照明設(shè)計增加了新的自由度和優(yōu)化參數(shù)。由于LED本身的發(fā)光體面較小，通常只有1mm2，與二次透鏡結(jié)合可以實現(xiàn)靈活的配光設(shè)計，使光斑形狀完美地匹配道路形狀，并實現(xiàn)路面照度的均勻分布。如何最大限度地利用好LED器件本身的特點是照明行業(yè)所普遍關(guān)心的問題。

道路照明的目的是增加道路交通的安全性、流量和舒適性。通過照亮路面及其周圍環(huán)境使路面上的目標為司機所見。司機所感受的路面亮度取決于兩個因素，照射道路的路燈和路面材料對光的反射特性。我們觀察到路面有一定亮度是因為路燈所發(fā)出的光經(jīng)過路面材料反射后進入了人眼。由于路面的干、濕會在很大程度上改變路面的光反射特性，所以在同樣的路燈照明下，雨天開車的視覺條件遠不如晴天。目前，國內(nèi)多數(shù)研究工作均集中在路燈的配光分布等對道路照明質(zhì)量的影響［1，2］。而對路面本身反射特性的影響研究很少。

目前，國際通用的道路照明主要評價指標是:路面平均亮度、路面亮度均勻度和縱向均勻度。照度僅用于評價環(huán)境比。我國的情況有所不同，現(xiàn)在仍有不少部門將照度作為照明質(zhì)量的評價方法，照度評價也仍舊包含在新近制定的多個標準中。

既然亮度才是道路照明設(shè)計的正確評價指標，在道路照明設(shè)計過程中需要將路燈配光與路面材料的反射系數(shù)相結(jié)合才能實現(xiàn)準確的道路照明設(shè)計［3］。如果，設(shè)計中使用的亮度系數(shù)比實際低，將增加道路照明的能耗和建設(shè)成本，反之則所設(shè)計的路燈配置將達不到標準要求的亮度，增加交通事故發(fā)生的概率。只有了解路面反射特性才能夠優(yōu)化路燈的配光設(shè)計和燈桿配置，提供安全、舒適、節(jié)能的照明環(huán)境。

各國都非常重視本國實際路面亮度系數(shù)的測量工作。古川等調(diào)查了日本常用的小粒瀝青混凝土和新開發(fā)的排水性鋪裝兩種路面材料在鋪設(shè)后1～9年中反射率的變化情況［4］。盡管澳大利亞和新西蘭在1982年已經(jīng)對本國的路面亮度系數(shù)進行過測量［5］，但隨著各種新型路面鋪裝材料的廣泛應(yīng)用，2009年又重新對亮度系數(shù)進行了更加廣泛的測量工作［6］。重新測量的結(jié)果表明，實際路面亮度系數(shù)遠低于原有測量值，也就是說按照原有數(shù)據(jù)設(shè)計的路面照明無法達到合理的亮度要求。美國、英國、挪威、芬蘭等國家也都在近年開展了相應(yīng)的測試工作。細化評測不同地域、不同氣候下不同路面材料的亮度系數(shù)對于各區(qū)域的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

2 亮度系數(shù)的定義

亮度系數(shù) (q)為路面上某微小面元的亮度L和路燈在該面元處所產(chǎn)生的水平照度E之比。即:

式中，q，L，E 的單位分別為:Sr－1，cd/m2和lx［7］。q除了與路面材料的反射特性有關(guān)外，還取決于觀察者和路燈相對于路面所考查點的位置，或者說觀察者眼睛與考查點的連線與路面法線的夾角有關(guān)。即:

式中的β角為光的入射平面和觀察者平面之間的角度，γ為入射光線與路面法線方向的夾角，如圖1所示。

圖1 α，β，γ角定義示意圖

在假設(shè)照射路面的光源為點光源，也就是說照度與發(fā)光強度之間平方反比定律成立的條件下，路面亮度和光線在考察面上的入射角度余弦的三次方成正比。在計算機編程普及之前，為了手工計算照度分布的方便，一般將光源與考察點連線與路面法線的夾角，即光線入射角余弦三次方與亮度系數(shù)的乘積定義為簡化亮度系數(shù):

不同角度簡化亮度系數(shù)構(gòu)成的表格俗稱為r表［8］。

圖2 α角的選擇

司機所關(guān)注的主要是其前方60～100m的路面，綜合各種不同車輛高度，選擇司機的典型視點高度為離路面1.5m，如圖2所示，這時觀察角僅在0.5°～1.5°之間變化。路面亮度系數(shù)定義中將圖1中觀察角α的數(shù)值選定為1°。道路上的不同點對應(yīng)不同β、γ角，所以β，γ角的變化范圍分別為0°～180°和0°～90°。

路面反射特性取決于所鋪設(shè)的材料，表面干、濕狀況和材料磨損程度。磨損程度取決于道路使用年限和在車道中的具體位置。比如，道路中間線附近所受磨損的程度會遠低于車道邊緣對應(yīng)車輪部分的磨損情況。

3 測量方法及結(jié)果

為了測量路面亮度系數(shù)，我們根據(jù)其定義開發(fā)了專用的分布式反射率測量裝置。裝置由樣品臺，光源掃描裝置，亮度計，數(shù)據(jù)采集卡及掃描控制軟件等部分組成。照明光源可以為道路照明用的高壓鈉燈、金屬鹵化物燈或LED燈。所選定的光源可以在半球空間內(nèi)沿γ角0°～90°，β角0°～180°范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動并精確定位。在γ角方向的定位精度為0.01°，在β方位的定位精度為0.1度。光源最大發(fā)光強度方向指向轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動中心。被測樣品被固定在樣品臺上。樣品臺可在上下、水平及傾角5個維度進行精確調(diào)節(jié)，使樣品表面與光源轉(zhuǎn)動臺的轉(zhuǎn)動軸心精確重合，并利用水平尺將樣品面調(diào)整為水平。光源處于空間不同β、γ角度時，樣品面的亮度用描點式亮度計直接測量。亮度計放置在距離被測樣品約1m處，調(diào)整亮度計光軸與水平面成1°角。亮度測量所選用的是杭州遠方光電公司的LM-3型多視場亮度計，測量時選用的視場角為0.1°。照度測量選用了北師大生產(chǎn)的ST-80C數(shù)字式照度計。為了減少照度計的余弦響應(yīng)誤差，在每次測量前只測量γ=0，即光源從上方垂直向下照射被測樣品時的照度值Eγ=0。光源轉(zhuǎn)動到其它γ角時樣品面的水平照度由Eγ=0cos(γ)獲得。在光源轉(zhuǎn)動臂上安裝有光源發(fā)光強度監(jiān)測探頭，用于監(jiān)測測量過程中光源發(fā)光強度隨時間的變化。完成一個樣品的測試時間約為1小時20分鐘。

被測樣品取自深圳濱海休閑帶道路，采樣地點約位于東經(jīng)113°57'，北緯22°31'。樣品材質(zhì)為瀝青混凝土 (開級配瀝青磨耗層OGFC-13)，道路建成到取樣時的使用時間約為6個月。樣品直徑150mm，厚度約50mm，由路面取芯機鉆取而得。其表面反射率情況與路面自然狀態(tài)完全相同。如圖3所示。測試所用的光源為白光LED。

圖3 被測樣品照片

上述樣品的簡化亮度系數(shù)測量結(jié)果如表1所示。

表1 深圳市典型瀝青路面的簡化亮度系數(shù)測量結(jié)果

根據(jù)表1的測量數(shù)據(jù)可以計算出道路分級用平均亮度系數(shù)Q0=0.064，鏡面系數(shù)S1=0.90。β=0°，90°，180°時，簡化亮度系數(shù)測量值與 CIE推薦值的比較如圖4所示。

圖4 測量值與CIE推薦值的比較

4 結(jié)論

本文介紹了對深圳濱海地帶路面材料亮度系數(shù)的初步測量結(jié)果。結(jié)果表明該地區(qū)瀝青路面的實際亮度系數(shù)比國際照明委員會的推薦亮度系數(shù)稍低。在γ=0的正入射條件下，被測樣品的亮度系數(shù)為CIE推薦值的0.9倍［8］。也就是說為達到同樣亮度所需要的照度值要提高10%。測量值與CIE推薦值相差較大的點發(fā)生在β=0°，γ=26.6°處。所測路面樣品的簡化亮度系數(shù)僅為CIE推薦值的70%。

在對測量裝置進行進一步完善后，將對更多樣品進行實際測量，獲得深圳市路面亮度系數(shù)更全面的信息。一方面為我國道路照明設(shè)計標準的修訂提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時也為國際照明委員會提供我國道路材料亮度系數(shù)的具體調(diào)查結(jié)果。

致謝:本項目獲得國家科技支撐計劃“LED燈具在線檢測、光譜分布與現(xiàn)場測試方法及設(shè)備研究”項目的資助，謹在此表示衷心感謝。

［1］崔澤英.LED平面光源路燈的配光及道路照度計算［J］.照明工程學(xué)報，2011，22(6):100～104.

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［4］古川一茂，岡邦彥，池原圭一.鋪裝路面光反射特性的調(diào)查結(jié)果 ［J］.第27屆日本道路會議論文集，2007，30037:1～2.

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