晴雨天氣城市道路照明效果研究

韓 帥，盧 茜,丁屹峰

(1.國網(wǎng)北京市電力公司 電力科學(xué)研究院 ，北京 100075；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

晴雨天氣城市道路照明效果研究

韓 帥1，盧 茜2,丁屹峰1

(1.國網(wǎng)北京市電力公司 電力科學(xué)研究院 ，北京 100075；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

為研究不同天氣、光源對實際道路照明效果的影響，在晴天、雨天兩種天氣條件下，對某市中心區(qū)兩條相鄰，但采用不同光源的主干道的路燈照明情況進(jìn)行了現(xiàn)場測量。并對比國標(biāo)中平均照度、照度均勻度、平均亮度、亮度均勻度、環(huán)境比等指標(biāo)對照明效果進(jìn)行了分析。最后，結(jié)合道路周邊環(huán)境，針對兩條路段的照明設(shè)施提出建議，以期達(dá)到滿足使用者視覺功效，節(jié)能減排的目標(biāo)。

道路工程；城市道路；照明效果；天氣；現(xiàn)場測量

0 引 言

城市道路照明與人們的生產(chǎn)、生活及市容市貌息息相關(guān)，是城市形象及其整體經(jīng)濟(jì)實力的體現(xiàn)。道路照明的首要目的是在夜間為車輛的駕駛員和行人提供良好的可見度，保證其安全、舒適、迅速地通行。根據(jù)國際照明委員會(CIE)報告，良好的夜間照明能讓城市道路交通事故率降低30 %，高速公路交通事故率降低30 %，鄉(xiāng)村道路交通事故率降低45 %[1]。

關(guān)于道路照明標(biāo)準(zhǔn),CIE道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(115—1995)將機(jī)動車道路分為 M1～M5 五類，用平均亮度、亮度總均勻度、亮度縱向均勻度、環(huán)境比 和評價眩光的閾值增量來評價道路照明質(zhì)量[2]；北美照明工程學(xué)會(IESNA) 按照道路的復(fù)雜程度還有車流量大小將道路分為6大類，其中每一類道路的評價指標(biāo)規(guī)定值又根據(jù)人流量的大小和路面反射材料的不同設(shè)定了高中低3檔[3]；我國的道路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)CJJ 45—2006《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，在評價指標(biāo)上同時采用照度、亮度、評價眩光的閾值增量及環(huán)境比等照明評價指標(biāo)，參考了CIE 標(biāo)準(zhǔn)的計算方法及指標(biāo)值并更多地考慮了行車安全的問題[4]。

考慮到城市道路照明主要是機(jī)動車道照明，筆者參照CJJ 45—2006《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，以某市中心區(qū)采用不同光源的兩條主干路為對象，在晴雨兩種天氣下對其照明效果進(jìn)行實地測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。針對測量過程中發(fā)現(xiàn)的不同，筆者分析原因，并在最后提出了針對性的解決方案。

1 道路測量

筆者選擇對某市中心區(qū)采用不同光源的兩條主干路進(jìn)行測試。兩條道路相鄰，車流量大，具有一定的代表性，其路面信息及照明設(shè)備的配備情況見表1。通過實地考察道路兩旁燈的間距、高度、懸挑、仰角和光源一致性，以及安全、減少環(huán)境光影響等因素，我們將道路中段選定為最終測量區(qū)域。測試使用儀器的具體信息見表2。

表1 路面及照明燈具情況

表2 檢測設(shè)備

1.1 照度測量

照度用于指示物體表面被照明程度的強(qiáng)弱。在道路照明測試中，通常要對選定路段進(jìn)行整體照度測量。測量區(qū)域的縱方向(沿道路走向)包括同側(cè)兩個燈桿之間的區(qū)域；單側(cè)布燈時橫方向為整個路寬；雙側(cè)交錯布燈、對稱布燈或者中心布燈時橫方向可為1/2路寬。有四點法和中心法兩種布點方式。筆者采用中心布點法，即把同一側(cè)兩路燈燈柱間的待測量路段劃分成若干個大小相等的矩形網(wǎng)格，把測點設(shè)在網(wǎng)格中心。當(dāng)兩燈柱的間距S≤50 m時，沿道路縱向把間距S十等分，在道路的橫方向把每條車道三等分，如圖1。

圖1 中心布點法示意Fig.1 Schematic of center location method

路面平均照度Eav為：

(1)

照度均勻度可用極差及均差表示:

(2)

(3)

式中：U1為極差；Emin為最小照度，lx；Emax為最大照度，lx；U2為均差。

1.2 亮度測量

亮度是表征發(fā)光體發(fā)光強(qiáng)弱或物體反光強(qiáng)弱的物理量。按照GB/T 5700—2008《室外照明測量方法》的規(guī)定，亮度測量采用亮度計直接測量，亮度測量的高度應(yīng)距路面1.5 m。亮度計觀測點的縱向位置，應(yīng)距第一排測點60 m，縱向測量長度為100 m，采用中心布點法，見圖2。

圖2 亮度測量范圍Fig.2 Range of brightness measurement

平均亮度有兩種測量方式。當(dāng)采用積分亮度計測量時，平均亮度為

(4)

式中：Lav為平均亮度，cd/m2；Lav1為從燈下開始測出的平均亮度；Lav2為從兩燈中間開始測出的平均亮度。

當(dāng)采用亮度計逐點測量時，平均亮度為

(5)

式中：Li為各測點的亮度，cd/m2；n為測點數(shù)。

道路亮度總均勻度為

(6)

式中：U0為亮度總均勻度；Lmin為測點上測出的最小亮度。

將測量出的各車道的亮度縱向均勻度中的最小值作為路面的亮度縱向均勻度，各車道的亮度縱向均勻度為

(7)

式中：UL為亮度縱向均勻度；Lmin為測出的每條車道的最小亮度；Lmax為測出的每條車道的最大亮度。

1.3 環(huán)境比、色溫及顯色指數(shù)測量

環(huán)境比是以選定路燈燈桿為中心，背對燈桿側(cè)5 m寬狀區(qū)域內(nèi)3×10測試點的平均水平照度與車道靠近燈桿側(cè)5m寬狀區(qū)域內(nèi)3×10測試點的平均水平照度之比。在筆者測試道路條件下，環(huán)境比即為非機(jī)動車道與機(jī)動車道平均水平照度比。

色溫是度量光線顏色的值。顯色指數(shù)則用來表示光源顯色性優(yōu)劣。顯色指數(shù)越高，被照物顯示的顏色與自然光或者標(biāo)準(zhǔn)光下的顏色越接近。顯色指數(shù)和色溫可通過分光測色儀直接測出。

2 現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)及分析

圖3(a)為主干道A，所用燈具是高壓鈉燈，高壓鈉燈是目前應(yīng)用在城市道路照明中最主要的光源[7]。它具有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強(qiáng)和不誘蟲等優(yōu)點。但顯色性差，啟動時間長。主干道B南臨主干道A，如圖3(b)，道路兩側(cè)也有茂盛的樹木，所用燈具是LED燈。LED是一種新型固態(tài)冷光源，具有發(fā)光效率高，燈具反射損失低，顯色性高，壽命長等優(yōu)點[5]。

圖3 待測路段白天實景Fig.3 Measured sections of road in the daytime

LED路燈當(dāng)前在單燈成本及安裝造價方面比高壓鈉燈高，但在鋪設(shè)成本、耗電成本及壽命方面優(yōu)于高壓鈉燈。晴天時的檢測時間為6月13日00:00—02:30，檢測前燈已點燃4小時，檢測時的環(huán)境溫度是25 ℃，相對濕度是60%RH，無天然光影響；檢測過程中燈具正常工作。未出現(xiàn)異常。道路實際狀況見圖4。雷雨天氣的檢測時間為8月29日00:00—03:00，電檢測前燈已點燃4 h，檢測時的環(huán)境溫度是22℃，相對濕度是87%RH，無天然光影響；檢測過程中燈具正常工作，未出現(xiàn)異常。道路實際狀況見圖5。

圖4 待測路段晴天夜景Fig.4 Measured sections of road at night on clear day

圖5 待測路段雨后實景Fig.5 Measured sections of road at night on rainy day

測量數(shù)據(jù)見表3。對于主干路A，由“晴天/路A”列可知，晴天時，只有道路的平均亮度滿足標(biāo)準(zhǔn)值。平均照度和環(huán)境比都略低于標(biāo)準(zhǔn)值，照度均勻度距標(biāo)準(zhǔn)值差距較大，亮度總均勻度和亮度縱向均勻度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，平均亮度和亮度均勻度是衡量道路照明效果的重要指標(biāo)；而照度用于評價環(huán)境比。照度和亮度相關(guān)多個指標(biāo)都不達(dá)標(biāo)表明道路整體偏暗且分布不均勻，整體照明效果不理想。且亮度設(shè)計理論認(rèn)為，即使平均亮度很高，但亮度分布相差較大的地方，也會使發(fā)現(xiàn)障礙物變得困難。同時，還會給在該道路上行車的駕駛員帶來不舒適的感覺[6]。此段道路在亮度方面無法帶給駕駛員滿意的照明體驗。

表3 測量結(jié)果

注：*表示CIE標(biāo)準(zhǔn)。

由表3“雨天/路A”可見，雨天時，道路的平均亮度比晴天時略高；但亮度總均勻度和亮度縱向均勻度低于晴天時的值。我們知道路面的亮度分布它取決于3個因素：路面的反射特性、燈具的光分布和燈具或燈桿的排列[6]。雨天路面有不均勻積水，有積水的地方在粗糙的路面形成一層連續(xù)水膜，水膜在局部區(qū)域?qū)⑵鸬桨胪该鞴饣缑娴淖饔?，從外?cè)入射的光在水膜表面上一部分被鏡面反射，剩余部分折射后進(jìn)入水膜，通過水膜吸收衰減后被基底材料表面反射，經(jīng)基底材料表面多次反射和水膜表面折射后進(jìn)入外界環(huán)境[7]。造成路面的反射特性相差較大，濕路面區(qū)域更像是鏡面反射而不是漫反射，路面明亮部分變小而亮度提高，相反暗區(qū)面積變大而亮度降低，結(jié)果是在潮濕道路平均亮度多會上升但亮度均勻度嚴(yán)重下降。這會極大地影響夜間的交通安全。因為駕駛員在夜間是借助于障礙物及其作為背景的路面兩者的亮度對比來觀察前方道路上有無障礙物，在亮度分布不均勻的路面，在陰暗相差很大的地方，障礙難以發(fā)現(xiàn)。而且雨天的環(huán)境比較晴天略高。究其原因，一種可能的解釋是路燈下方植被茂盛，雨后植被對光線的反射比晴天強(qiáng)。非機(jī)動車道較機(jī)動車道距離路燈光源遠(yuǎn)，受此種影響比機(jī)動車道更為明顯，因而環(huán)境比約有10 %左右的提升。

對于主干路B，由表3“晴天/路B”列可見各項測量指標(biāo)都不滿足標(biāo)準(zhǔn)。但亮度均勻度、平均亮度和環(huán)境比3項測試結(jié)果都與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值相差較少。雨天時，環(huán)境比和平均亮度較晴天都有提高，滿足標(biāo)準(zhǔn)值，其中平均亮度超出標(biāo)準(zhǔn)值不少；但雨天的亮度總均勻度和亮度縱向均勻度都較晴天下降，和標(biāo)準(zhǔn)值相差變大。究其原因與安裝高壓鈉燈主干路A一樣，雨天路面有不均勻積水，光線反射情況相差較大。通過實際的測試數(shù)據(jù)可知，天氣對道路照明效果的影響巨大。但國內(nèi)還未針對潮濕路面出臺照明效果相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定；國際方面，CIE也僅給出了潮濕路面亮度總均勻度的標(biāo)準(zhǔn)值[8]。為保證雨天城市道路的行車安全，我們建議國內(nèi)及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織應(yīng)盡快制定、完善潮濕道路照明標(biāo)準(zhǔn)。

比較“晴天/路A”和“晴天/路B”兩列可知，晴天時，裝有LED路燈的主干路B，他的環(huán)境比、亮度總均勻度和亮度縱向均勻度都較裝有高壓鈉燈的主干路A高；LED的顯色指數(shù)也遠(yuǎn)好于高壓鈉燈。但LED燈的平均亮度低于鈉燈，究其原因，可能是采用LED路燈功率較小。比較“雨天/路A”和“雨天/路B”兩列可知，除了平均照度外，“雨天/路B”的測量結(jié)果都較“雨天/路A”好?？梢?，裝有LED燈路段照明效果更好些。

針對測試中發(fā)現(xiàn)的照度、亮度不達(dá)標(biāo)的問題，有以下建議：①適當(dāng)減少燈桿間距，避免由于燈桿間距過大導(dǎo)致照度和亮度不均勻的問題；②選用大功率光源，提升總體照度和亮度水平；③對于光線被樹木遮擋而嚴(yán)重影響道路照明的區(qū)域,可采用修剪枝葉或適當(dāng)調(diào)整燈桿高度及燈具橫向安裝位置的方法加以解決。

針對雨后潮濕路面照明效果變差的問題，有以下建議：①研究并起草潮濕路面照明效果相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；②科研院所應(yīng)充分發(fā)揮以LED為代表的面光源的優(yōu)勢，開發(fā)適用于多種天氣條件的新型路燈燈具；③道路照明設(shè)計應(yīng)將天氣影響納入考慮。

3 結(jié) 語

通過對兩段主干路的照明效果的實地測試及分析，我們發(fā)現(xiàn)光源及天氣對道路的照明效果都有非常明顯的影響。同一路段，雨天時道路的亮度總均勻度和亮度縱向均勻度都有降低，但環(huán)境比和平均亮度有提高。在相同天氣下，裝有LED燈的路段的亮度總均勻度、亮度縱向均勻度、色溫和顯色指數(shù)都高于裝有高壓鈉燈的路段。將不同天氣情況下光源的特性納入道路照明設(shè)計有助于提升道路照明的適用性，是對傳統(tǒng)照明設(shè)計方法的補(bǔ)充和完善。

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Urban Road Lighting Effect on Clear and Rainy Days

HAN Shuai1, LU Xi2, DING Yifeng1

(1. Electric Power Research Institute, State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100075, P.R.China;2. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, P.R.China)

To study how different weather and light sources affected the actual road lighting effect, the field measurements on two adjacent arterial roads which located in center region of a city but used different light sources were carried out on clear and rainy days. Indicators, such as average luminance, luminance uniformity, average brightness, brightness uniformity and surround ratio were compared with Chinese national standard and analyzed. Finally, combined with the surround environment of roads, some suggestions on the lighting facilities of the two roads were proposed to meet the user’s visual effect and realize the target of energy conservation and emission reduction.

highway engineering; urban road; lighting effect; weather; field measurement

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.11

2015-03-21；

2016-01-10

韓 帥(1984—)，男，山東臨沂人，工程師，博士，主要從事照明技術(shù)及計算機(jī)視覺方面的研究。E-mail:sdlyjacky@163.com。

U417.9

A

1674-0696(2016)03-050-04