高速公路現(xiàn)行照明方式解析

趙海天，賴冠華，胡艷鵬，王少健

（1.深圳大學 建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 深圳 518060；2.鄭州市城鄉(xiāng)規(guī)劃局，鄭州 450000）

高速公路現(xiàn)行照明方式解析

趙海天1，賴冠華1，胡艷鵬1，王少健2

（1.深圳大學 建筑與城市規(guī)劃學院，廣東 深圳 518060；2.鄭州市城鄉(xiāng)規(guī)劃局，鄭州 450000）

基于舒適性、照明效率和可見度3個方面對現(xiàn)行照明方式從路面照明、空間照明方面進行分析，揭示了現(xiàn)行照明方式存在的缺欠。分析發(fā)現(xiàn)，目前以LED光源對HPS光源進行簡單替代，并不能對上述缺欠進行有效改善，因而不是參與道路照明的恰當形式；消除路燈眩光的必要條件是路燈位于駕駛員與路面之間；提高可見度水平的必由之路是重新進行光分布設(shè)計和提高有效照明比例；道路照明方式的創(chuàng)新性研發(fā)方向是將路面照明、空間照明、霧天照明三重任務(wù)分解，采用各自獨立的小功率、高效能光源，組合運用，分別控制，獨立運行。

城市交通；道路照明；可見度；眩光；LED；節(jié)約能源

多數(shù)高速公路并不設(shè)置照明，如果是處于城市范圍之外周圍更是一片漆黑，時速不小于60 km／h的汽車行駛在高速公路上，當前方發(fā)生交通事故有車停駛在路上時很可能發(fā)生二次事故，近年來，在一些車流密集的重要高速公路（如機場高速路）及收費站等特殊路段開始安裝照明設(shè)施，CIE曾根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計出道路亮度與車速的對應關(guān)系，車速越高要求路面亮度越大，當對比度增加時，可以降低亮度值［1］。

目前，中國高速公路路燈照明是按《公路照明技術(shù)條件》（GB／T 24969－2010）［2］規(guī)定的照明方式進行設(shè)計，與美國及日本高速公路照明相比，中國規(guī)定的標準值明顯偏高，同時在照明方式上，稱之為現(xiàn)行（主流）照明方式，它有3個主要特點：高（高度≥10 m）、大（單燈功率≥250 W）、遠（燈距≥30 m），光源為HPS、MH或兩者混光。高速公路照明的宗旨就是保障道路在各種條件下車輛行駛的安全。其主要功能為：夜間在路面上提供充分而均勻的照度和亮度，避免自身的眩光和提高前方物體的可見度。眩光是評價道路照明的重要指標，駕駛員處在強烈的眩光之下，會導致視覺疲勞甚至危險。提供路面亮度是道路照明的基礎(chǔ)，高效的路面照明不但提供舒適的駕駛環(huán)境，而且是節(jié)能的主要途徑。可見度表征駕駛員對于前方物體的辨識能力［3］。高速公路現(xiàn)行照明方式是隨著高壓氣體放電光源的應用而產(chǎn)生的［4］，已有幾十年歷史。白光光源與鈉燈相比在中間視覺上存在著優(yōu)勢［5］，總結(jié)、分析現(xiàn)行照明方式的弊端，對于白光LED光源參與道路照明以及新型照明方式的研發(fā)是必要的基礎(chǔ)性工作。筆者從舒適度、照明效率和可見度3個方面對現(xiàn)行照明方式進行分析。

1 現(xiàn)行照明方式的舒適度

1.1 眩 光

現(xiàn)行照明方式采用截光型路燈來減少眩光。這一措施，可以限制眩光但無法消除眩光。在截光型燈具約束下，光源輻射并不主要投射到機動車駕駛員眼中，從而避免了主要的直接眩光。但是，該型燈具存在一個高亮度發(fā)光面，由于該發(fā)光面與駕駛員之間存在高度差H，則必然存在一個視角α使得駕駛員可直視該發(fā)光面，感覺到來自前上方的路燈發(fā)光面的眩光（見圖1）。

圖1 現(xiàn)行主流照明方式眩光來源示意圖

把燈具傾斜放置可改變這一條件，使燈具的發(fā)光面與駕駛員向前上方的視線平行，從而使α角為0（見圖2）。但機動車在運動時α角的大小在時刻變化，故這種方法無法消除本行車方向但處于不同位置的車輛的眩光；同時，這一傾斜的“發(fā)光面”會照射到對面行車方向，反而加強了對面行車方向的眩光，因此不可取。

圖2 眩光改進示意圖

圖3 快速道路直接眩光示意圖

在高燈位照明方式下，高于駕駛員人眼及以上60°范圍內(nèi)的所有光源均為眩光光源（如圖3所示）。分析直接眩光區(qū)，不難發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生直接眩光的根本原因是光源的發(fā)光面與工作面（路面）位于觀察者（駕駛員）非同側(cè)。這樣，觀察者在觀察工作面的同時，不可避免的要看到光源的發(fā)光面，產(chǎn)生眩光；反之，若光源發(fā)光面與工作面位于觀察者同側(cè)，那么觀察者在觀察工作面時，看到的則是光源的非發(fā)光面，不能產(chǎn)生眩光。因此，消除高速公路路燈眩光的必要條件是使路燈發(fā)光面與路面位于駕駛員同側(cè)，即路燈位于駕駛員與路面之間。將大功率氣體放電路燈高度降至駕駛員眼高以下顯然不可行［6］。因此，現(xiàn)行照明方式下，直接眩光不可避免。同時，現(xiàn)行照明方式下，后視鏡內(nèi)也不可避免存在眩光。

1.2 亮度縱向均勻度

道路照明的亮度均勻度對于行車安全是一個重要參數(shù)。而對于駕駛員來說，路面縱向亮度均勻度同樣是一個直接感受的重要參數(shù)?？v向亮度均勻度是描述單條車道上的亮度均勻情況。事實上，對于行駛較長時段的駕駛員來說，駕駛舒適性最直接、最主要的感受是所在車道的縱向亮度均勻情況，而非整個路面其它車道的亮度及其均勻度情況［7］。從這個意義來說，縱向亮度均勻度比整個道路的亮度均勻度對于駕駛舒適性的影響更為重要?，F(xiàn)行路燈的安裝間距30 m左右，難以提高以車道為計算單位的縱向亮度均勻度。

2 現(xiàn)行照明方式的照明效率

2.1 路面照明中的無效照明

2.1.1 無效照明區(qū)域 現(xiàn)行照明方式為提高照度均勻度，將路燈以下的空間盡可能均勻照亮。結(jié)果是在道路前方斷面形成12 m高的光幕區(qū)，如圖4所示。但對于封閉的快速道路，機動車駕駛員僅需觀察路面及前方障礙物（限高5.3 m）情況而不需要同時觀察道路以外目標以及上方12 m高目標的情況。事實上，高速公路照明并不需要將公路以外和路面上方12 m高的空間照亮。據(jù)此，路面上方光幕區(qū)可降低至一半甚至更低，我們將這一高度內(nèi)的光幕空間稱為有效光幕區(qū)域，駕駛員識別公路路面和前方障礙物主要依靠這一光幕空間內(nèi)的照明，其余為無效光幕區(qū)域。圖4中，無效光幕區(qū)域為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)，有效光幕區(qū)域為Ⅴ區(qū)。顯然，只有有效光幕區(qū)內(nèi)的照明才有意義。

圖4 現(xiàn)行高燈位照明方式存在大比例的無效光幕區(qū)

由圖4可大致推斷出，無效光幕區(qū)域接近全部照明光幕區(qū)域近一半，這將導致高速公路路面照明的能量密度大大增加。

根據(jù)平方反比定律，在現(xiàn)行（高燈位）照明方式下，照度在垂直方向的分布規(guī)律是上亮下暗。這使得處于上部的無效光幕區(qū)的照度會高于位于下部的有效光幕區(qū)的照度。這表明高速公路現(xiàn)行照明方式在照度分布上同樣不合理。

2.1.2 有效照明區(qū)域內(nèi)的無效分量 現(xiàn)行高速公路照明采用蝙蝠型配光［8］，如圖5（a）所示。圖5（a）由相互垂直的截面組成，如圖5（b）與（c）。圖5（c）中的光強矢量可分解為向左、向右兩部分光強，如圖5（d）。

圖5 典型路燈配光曲線及其分解

在高速公路照明中，圖5（d）中的兩部分光強分別對應與機動車行駛方向相同的照射方向（圖6（a））和與機動車行駛方向相反的照射方向（圖6（b））。

圖6 不同照射方向示意

光源入射方向與機動車行駛方向相同的照明方式為“順向照明”，與機動車行駛方向相反的照明稱為“逆向照明”?，F(xiàn)行主流道路照明方式是由高燈位順向照明方式與高燈位逆向照明兩種照明方式的組合。

1）規(guī)則反射條件下，順向照射方式下的視網(wǎng)膜照度與比較

在二維平面上，設(shè)Ei為光源的入射照度矢量，Er為反射照度矢量，視軸為Ve，投光入射角為α，視軸方向與反射照度矢量之間的夾角為β，與工作面之間的夾角為φ，則β＝90°－（φ－α），如圖7。

圖7 來自于地面反射的駕駛員視網(wǎng)膜照度分量

根據(jù)配光曲線與投光角可確定該方向光強，由余弦定律，可求出該點光源與計算點上形成的照度Ei。對于規(guī)則反射，在數(shù)值上Er＝Ei。采用順向投光照明時，機動車駕駛員視線方向接收到的視網(wǎng)膜照度Er·e如式（1）所示。

其物理意義是：路燈以“高燈位順向照明”方式向路面投射與路面近乎垂直的光，駕駛員視網(wǎng)膜照度分量趨于0。

在三維道路空間模型下，同向照明方式見圖8，也可得到上述結(jié)論。既在順向照明情況中，若路面反射輻射量不考慮漫反射作用，駕駛員視網(wǎng)膜照度分量趨于0。這說明，即使在有效照明區(qū)域內(nèi)，順向照明也不能為駕駛員視網(wǎng)膜提供有效的照度，只有逆向照明方式才可能提供有效的照明。

2）規(guī)則反射條件下，逆向照射方式下的視網(wǎng)膜照度與比較

在三維道路空間模型下，逆向照明的各照度分量如式（2）～（4）所示。上兩式表明，在高燈位條件下，無效照明分量Er·v在數(shù)值上最大，而在θ＞45°時，有效照明分量Er·e最小，兩種情況下無效照明分量均大于有效照明分量。

事實上，不但無效照明區(qū)域內(nèi)的照明為無效照明，即使在有效區(qū)域內(nèi)，也僅僅有效分量可提供有效照明，但在現(xiàn)行照明方式下，有效照明區(qū)域內(nèi)存在大量的無效照明。

2.2 空間照明中的無效照明

現(xiàn)行高速公路照明方式中，對于空間照明是通過路燈的順向照明分量進行的，如圖9所示。Ej為入射照度，Es為反射照度，Es·e為駕駛員視網(wǎng)膜照度，ω為Es·e與Es之間的夾角。

圖9 來自于障礙物反射的駕駛員視網(wǎng)膜照度分量

由余弦定律，當路燈照射前方物體時，反射矢量在駕駛員視網(wǎng)膜照度分量為Es·e＝Escosω。

ω→0°時，Es·e→ES，物理意義是，當光源以投光角度接近平行于路面、照射方向與車行方向相同照射前方空間時，駕駛員視網(wǎng)膜照度將取得最大值。

現(xiàn)行照明方式主要以水平照度進行評價未能全面反映這一事實。原因在于，人視條件與車視條件的不同。正常工作時（比如讀書、寫字），人眼視軸近于垂直于工作面，故工作面照度通常為水平照度，照度越高，人感受到工作面越亮，這就是針對人視條件的照明；極端條件是，入射光軸與人眼均垂直于工作面，人眼感受到工作面 “最亮”［9］。

車視條件則不同，駕駛員視線為向前，幾乎與路面平行，感受到的是視網(wǎng)膜照度，與之對應的是垂直照度，在光源光強一定的條件下，空間垂直面照度與水平照度的關(guān)系是：水平照度越高，垂直照度越小。對應人視條件與車視條件，前方物體亮度的有效與無效分量恰恰相反?，F(xiàn)行照明方式強調(diào)水平照度，忽視垂直照度，使得僅有的有效照明也含有大比例的無效分量。

綜上所述，現(xiàn)行的高速公路照明方式下，對于路面照明和空間照明均存在大量無效照明，其照明效率很低。而光源以低燈位、與車行同方向照射前方物體時，照明效率較高。

3 現(xiàn)行照明方式的可見度

現(xiàn)行的高速公路路燈同樣使得機動車行進方向的垂直照度難以均勻。有研究指出，在部分區(qū)域的垂直照度非常弱，甚至接近于零［10］，垂直照度不均勻?qū)е滦熊嚪较蚯胺娇臻g亮度不均勻（忽明忽暗），這將降低前方物體的可見度RP值，嚴重影響在道路上對于前方物體的辨識［11］。

前方物體表面亮度與空間垂直照度存在正相關(guān)關(guān)系，而亮度與前方物體可見度在中間視覺范圍亦分段的呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系［12］，見圖10。

圖10 亮度與可見度關(guān)系（U 0＝0.4，TI＝7%）

從圖10中可以看出，當前方物體表面亮度降至0.1～0.5 cd／m2時，可見度將降至20%以下。這表明高燈位路燈照明方式下，存在可見度特別低的區(qū)域，從而引起整體可見度的降低。因此，要解決可見度問題，應重視垂直照度以及垂直照度均勻度，也就是改變現(xiàn)行路燈的配光分布方式，有效的保證垂直照度。

上述分析表明，現(xiàn)行的高速公路照明方式（高燈位照明方式）是存在這3個問題的根本原因，該方式不可能解決眩光、無效照明和可見度低下問題。

4 現(xiàn)行照明方式與LED路燈照明

現(xiàn)行的高速公路照明方式是隨著氣體放電光源的應用而誕生的，并已暴露出明顯的弊端；隨著LED等新型光源的出現(xiàn)也必然會產(chǎn)生新的更為先進的照明方式。

LED具有亮度高、體積小、顯色性高、低壓安全和可分散安裝等特點，這為從另一途徑解決上述3個問題提供了合適的光源。

目前，LED應用與研發(fā)主要是用LED與傳統(tǒng)光源進行簡單的替換，幾乎所有LED廠家統(tǒng)統(tǒng)沿用傳統(tǒng)路燈的設(shè)計思路，追求幾十瓦、上百瓦的大功率LED路燈以求與目前的HPS燈造型、安裝方式完全相同或兼容，導致當前LED路燈及安裝方式幾乎全部以適用于HPS光源的“蛇頭（平板蛇頭）燈”為標準進行設(shè)計和制造，而非以LED發(fā)光規(guī)律為出發(fā)點進行研發(fā)。

小功率的LED光源適宜分散安裝，也沒有突出的散熱問題。但大功率LED路燈的集中、高燈位照明則帶來了散熱不良、耐久性不好和維修不便等本不該出現(xiàn)的問題，由此引發(fā)了一系列的功能與質(zhì)量問題，導致LED路燈在照明工程界受到質(zhì)疑。

以LED光源替換HPS光源并不是照明方式的改變，也不可能解決高燈位照明方式存在的上述3個問題。以簡單替換為特征的上百瓦、高燈位的LED路燈照明沒有解決傳統(tǒng)HPS路燈存在的問題。事實上，LED在節(jié)能方面最大的潛力就是它的光分布設(shè)計的可塑性［13］。

5 結(jié) 論

1）現(xiàn)行的高速公路照明方式下，光源位于駕駛員視平線之上并向下投光，因而直接暴露于駕駛員前方視域內(nèi)。蝙蝠形配光的逆向投光分量會導致行車方向上駕駛員前上方的直接眩光，順（同）向投光分量則導致對面行車方向上駕駛員前上方的直接眩光。消除眩光的必要條件是使光源與路面位于駕駛員視線同側(cè)。

2）有效照明為有效光幕區(qū)內(nèi)的有效照明分量?，F(xiàn)行照明方式下，無效照明分量大于有效照明分量。因此，提高有效照明比例是提高高速公路照明效率的關(guān)鍵?，F(xiàn)行照明方式下，路面亮度縱向均勻度低，存在可見度特別低的區(qū)域，這也導致可見度總體水平降低。因此，重新進行光分布設(shè)計是提高可見度總體水平的必由之路。

3）簡單替換HID光源絕非LED參與道路照明的合理形式。利用LED光分布設(shè)計的可塑性特性，走出簡單替代的模式，進行基于LED自身規(guī)律、發(fā)揮LED優(yōu)點的創(chuàng)新性研發(fā)，是LED道路照明的根本途徑。

4）現(xiàn)行照明方式在本質(zhì)上是一個燈同時承擔了路面照明、空間照明、復雜天氣照明三重任務(wù)，它們在空間、時間上相互制約，必然失去“均好性”；因此，將上述任務(wù)分解，由各自獨立的小功率、高效能光源來完成，分別控制，獨立運行是進行道路照明方式的創(chuàng)新性研發(fā)的發(fā)展方向。

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（編輯 胡英奎）

Analysis of Current Highway Lighting Type

Zhao Haitian1，Lai Guanhua1，Hu Yanpeng1，Wang Shaojian2

（1.School of Architecture and Urban Planning，Shenzhen University，Shenzhen 518060，Guangdong，P.R.China；2.Zhenzhou Urban and Rural Planning Bureau，Zhengzhou 450000，P.R.China.）

Current mainstream lighting type from three aspects includingcomfort，energy efficiency and visibilitywas analyzed as well as the shortcomings of the lighting type.The LED fails to improve the current condition effectively and the replacement of HPS with LED is not advisable.To avoid glare，it is necessary to locate road lamp between driver and road surface.Light distribution should be redesigned and the increased proportion of effective lighting is required to improve the visibility level.A new method is proposed by employing separate，low-power and high efficacy LED and customized control system to satisfy the requirement of various functions including road surface lighting，space lighting and lighting in the fog condition

urban traffic；road lighting；visibility level；glare；LED；energy reserving

TU 113.6

A

1674-4764（2014）05-0071-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.05.012

2014-03-21

國家自然科學基金（51278309）；深圳市科技創(chuàng)新資助項目（CXC201006040018A）。

趙海天（1957-），男，教授，博士，主要從事建筑與城市光環(huán)境研究，（E-mail）arphlb2006＠126.com。