城市橋梁防眩屏設(shè)計(jì)

詹明媚 王 敏

(福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院，福建福州 350007)

1 引言

在日新月異的社會(huì)發(fā)展中，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，汽車行業(yè)也不斷的飛躍發(fā)展。汽車為人們出行提供了便捷的服務(wù)，使人們的生活方式有了巨大的改變。人們在享受汽車帶給我們的便捷和改變的同時(shí)，也因?yàn)楦鞣N各樣的交通事故，付出了慘痛的代價(jià)。夜間車輛在大橋上會(huì)車時(shí)，由于眩光而造成交通事故就是代價(jià)之一。

資料顯示，50%左右的交通事故發(fā)生在夜間，即使該時(shí)段的車流量只有白天的10%～30%。造成夜間行車事故多的原因很多，其中汽車前照燈眩光是一個(gè)非常重要的因素。本文就是針對夜間車輛在城市大橋上會(huì)車時(shí)，為了避免汽車前照燈的眩光，通過對城市橋梁防眩屏的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到夜間行車時(shí)人對車燈防眩光的目的［1］。

2 眩光評價(jià)

眩光是指視野中由于不適宜亮度分布，或在空間或時(shí)間上存在極端的亮度對比，以致引起視覺不舒適和降低物體可見度的視覺條件［2］。目前評價(jià)眩光程度的方法有很多種，如英國的GI法、美國的VCP法以及CIE的UGR系統(tǒng)等。而本文對于眩光程度的評價(jià)是用相對閾值增量TI。

若道路照明中路面亮度在0.05～5cd/m2，閾值增量［3～4］可用下式計(jì)算:

式中 Lv——等效光幕亮度 (cd/m2)。假定觀察者總是以與水平線成1°夾角注視與路軸平行的正前方 (即一直注視著前方90m路面上的一點(diǎn));

Lav——路面上的平均亮度。

等效光幕亮度［3～4］可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中 Eeye——眩光源在觀察者眼睛在垂直于視線平面上所產(chǎn)生的照度 (lx)。

θ——視線和從眩光源來的光線入射方向之間的角度。

K——比例常數(shù)，當(dāng) θ以度為單位時(shí)，K=10。

由等效光幕亮度公式可知，為了得到Lv，我們只要有Eeye即眩光源在垂直于觀察者眼睛視線上所產(chǎn)生的照度和角度θ即可。為了得到眼睛所接收到的照度Eeye，我們利用軟件tracepro進(jìn)行模擬。我們對城市大橋道路進(jìn)行模擬，并對大橋防眩屏提出了三種設(shè)計(jì)方案:(1)單排立柱型防眩屏;(2)雙排立柱型防眩屏;(3)單排立柱+薄片型防眩屏。對這三種方案所得出的輻照度進(jìn)行分析，最后得出一個(gè)最佳的方案。

3 Tracepro模型模擬

Tracepro是一款可以建模，進(jìn)行光線追擊，并得到不同位置的輻照度分析圖的軟件。通過輻照度分析圖我們可以具體分析當(dāng)駕駛員位于大橋不同車道時(shí)的具體照度分布圖，再利用公式可以具體分析是否有眩光的作用。

下面將具體講述大橋道路模型。

橋面為雙向6車道，每個(gè)車道寬3.5米，其中左右 (上下行)內(nèi)車道間距1.2米。為了可以直觀看到輻照度分析圖，我們在車道每隔1m放置一個(gè)照度接收屏。照度接收屏的尺寸長為2m，高為0.6m，厚為0.01m的方塊 (這主要是根據(jù)駕駛員在汽車內(nèi)可能觀察到的視野范圍來定的)。

本文重在對三種方案的模擬設(shè)計(jì)，因此簡單的模擬汽車的車燈，采用的是點(diǎn)光源的模型。根據(jù)國標(biāo)，汽車前照燈的亮度要求是:近燈900lm，遠(yuǎn)燈1100lm，整體為2000lm。當(dāng)兩車會(huì)車時(shí)關(guān)閉遠(yuǎn)光燈，打開近光燈。因此我們設(shè)置光源為高斯分布點(diǎn)光源，且以30°角發(fā)散 (大于30°對人眼的眩光左右很小)，車燈距離立柱的中心1.3米，總的光通量為1000lm。

防眩屏的設(shè)置有三種模型:

(1)單排立柱型:直徑75mm，高度1.3m的圓柱，立柱前后之間間隔2.3m。

(2)雙排立柱型:直徑75mm，高度1.3m的圓柱，立柱前后之間間隔2.3m，左右之間間隔0.8m。

(3)單排立柱+薄片型:

立柱——直徑75mm，高度0.7m的圓柱，立柱之間間隔2.3m。

薄片——長0.6m，寬0.05m，高0.6m的長方形，薄片之間間隔2.3m。

模型都設(shè)計(jì)好之后，對格點(diǎn)光源進(jìn)行光線追擊，查看各個(gè)接收屏的照度分布情況，并對不同的防眩屏方案進(jìn)行分析。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 不同模型的輻照度分析

通過tracepro模擬，我們可以得到距離車燈不同距離的照度，用接收屏來接收。

通過分析各個(gè)位置的照度圖，在水平距離10m遠(yuǎn)的屏才開始有接收到車燈的光照。隨著距離的增加，接收到的光照面積增加，平均照度增加，但由于有防眩屏的遮擋作用，在17m～19m的位置開始，隨著距離的增加，光照面積有所下降，且最大照度值下降，因此水平距離17m～19m位置最有可能產(chǎn)生眩光，對其分析即可。選取第一車道距車燈水平距離18m遠(yuǎn)的接收屏的輻照度分析圖進(jìn)行比較。如圖1所示。

假設(shè)人坐在車內(nèi)的眼睛的高度為1.2m，從圖1中可以看到:圖1(c)單排立柱+薄片型防眩屏的照度圖效果最好。因?yàn)樵诮邮掌恋姆秶鷥?nèi)，圖1(c)所接收到的有效光照度面積最小，而且如果以1.2米為水平視線的高度，上下浮動(dòng)10cm，單排立柱+薄片型立柱可遮擋住過往車燈大部分的光線，在效果上對人眼幾乎沒有影響。再看看單排立柱和雙排立柱的效果，不僅遮擋光線的效果不好，而且大范圍地超過了閾值照度，這對人眼會(huì)產(chǎn)生較大的眩光，從而影響駕駛員開車，很容易造成交通事故。

圖1 不同防眩屏方案第一車道的輻照度分析圖

現(xiàn)在我們具體以圖1(c)為例，做一簡單的等效光幕亮度的計(jì)算。

如圖1(c)所示，人眼高1.2m，在車道0.7m～2.2m的范圍內(nèi)，光照度為0，可以不予計(jì)算。在2.2m～3.5m的范圍內(nèi)，模擬接收到的光照度為2.5lx，在某位置視線和眩光源光線之間的角度θ可以用以下的方式來計(jì)算 (也可以用CAD模擬)

式中 x——人眼距離駛來車燈垂直于車道的距離;

z——人眼距離駛來車燈水平于車道的距離。

若x=2.6，接收光照面17的位置為z=18，可得θ=8.2°，則其等效光幕亮度為:

根據(jù)城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)［5］假設(shè)城市大橋路面的平均照度值為25lx，根據(jù)瀝青路面的平均照度換算系數(shù)為15(lx cd/m2)可得知路面亮度Lav的平均值為1.67cd/m2。

相對閾值增量為:

(閾值增量最大初始值)會(huì)產(chǎn)生眩光

4.2 同一模型不同光照接收面的照度分析

剛才我們從不同類型的立柱模型去分析是否會(huì)產(chǎn)生眩光，接下來我們具體以方案 (3)為例，分析當(dāng)接收屏位于第一車道不同水平位置時(shí)的情況。

圖2 第一車道不同位置的輻照度分析圖

在大橋上的汽車車速一般在30～45km/h左右，人的反應(yīng)時(shí)間在0.15～0.4s之間。若以人的反應(yīng)時(shí)間為0.25s，那么，在這個(gè)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，汽車行駛了2.1～3.1m，我們設(shè)置的光照接收屏是相隔1m，因此我們可以對相隔2m的接收屏進(jìn)行觀察分析，如圖2所示，選取光照面16和光照面18為分析對象。

從圖2可以看到，若人在前一時(shí)刻在車道2～2.6m范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生眩光，在下一時(shí)刻將不會(huì)產(chǎn)生眩光。在人還沒有反應(yīng)之前，眩光現(xiàn)象消失了，不會(huì)對駕駛員造成影響。

4.3 不同位置區(qū)域眩光概率分析

再從概率上分析，汽車行駛在道路上時(shí)，一般是位于車道的中間位置，車內(nèi)的駕駛員一般的視線高度為1.2m，則我們假設(shè):當(dāng)人眼視線處于在如圖3所示中的1的位置區(qū)域概率為60%，在2的位置區(qū)域的概率為25%，位置區(qū)域3的為15%。

圖3 人眼視線位置的區(qū)域分割圖

對圖2(a)分析，則在第一車道，距離眩光源17m水平位置上，在大概率位置1的光照度面積只有很少的一部分且只是邊緣的小照度，不產(chǎn)生眩光，因此，夜間在城市大橋行駛的汽車駕駛員，只要在行駛在車道中間位置時(shí)，在正常視線內(nèi)也是不會(huì)產(chǎn)生眩光的，這也說明模型 (3)是最經(jīng)濟(jì)可行的設(shè)計(jì)方案。

5 小結(jié)和確定方案

從以上的數(shù)據(jù)分析可以看出，單排立柱+薄片型立柱，效果不錯(cuò)，但是部分范圍還是會(huì)超過閾值增量，如果加密或增大薄片型立柱，可以進(jìn)一步消除眩光，但會(huì)增加成本。另外我們可以通過另外一種方式使其達(dá)到眩光限制要求，那就是提高背景亮度，當(dāng)背景亮度為2cd/m2時(shí)，可以得到上述的閾值增量TI=13.8%＜15%，滿足要求。因此提高背景亮度也是滿足眩光限制的方法之一。

三種方案中，在某個(gè)范圍內(nèi)，其閾值增量都會(huì)大于閾值增量最大初始值，但是通過對人的反應(yīng)時(shí)間和車速的分析，最終確定方案 (3)—單排立柱+薄片的防眩光效果最好，最經(jīng)濟(jì)，因此可以將其應(yīng)用在城市大橋的防眩屏設(shè)計(jì)上。

［1］宋洪飛.普通公路會(huì)車時(shí)不同車速的眩光造成的危害時(shí)段分析 ［J］.公路與汽運(yùn)，2009(5).

［2］王展鵬，陳大華.眩光控制分析及其在道路照明中的應(yīng)用 ［J］.燈與照明，2009(9).

［3］楊宇春，劉錫成.失能眩光對道路照明影響的研究［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2007(12).

［4］劉磊實(shí).城市道路照明設(shè)計(jì)中失能眩光的計(jì)算與控制［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2008(3).

［5］CJJ45—2006.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.