半定向立交橋道路高桿照明失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)限值研究

宋佳音，郭鵬飛，王立雄

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072)

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半定向立交橋道路高桿照明失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)限值研究

宋佳音，郭鵬飛，王立雄

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

城市立交橋多采用高桿照明方式解決夜間通行問題，其多層次的立體空間結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)車輛的連續(xù)多方向行駛，對(duì)緩解交通壓力起到了重要作用。但目前仍缺乏針對(duì)立交橋照明失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)研究，本文旨在提出適合于國內(nèi)立交橋道路失能眩光的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其限值，這將對(duì)立交橋道路夜間行車安全具有重要意義。針對(duì)實(shí)測和模擬中TI、GR值普遍高于標(biāo)準(zhǔn)值的情況，本文采用語義差別法對(duì)實(shí)測的34個(gè)立交橋高桿照明場景進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)研究。研究結(jié)果表明，TI與GR均與主觀評(píng)價(jià)失能眩光感受具有高度相關(guān)性，說明閾值增量和眩光值都可以作為立交橋道路高桿照明方式失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)。主線和跨線部位適宜采用閾值增量TI作為其失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)，而匝道部位則更適合采用眩光值GR作為其失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)。

半定向立交橋；高桿照明；失能眩光；閾值增量TI；眩光值GR

引言

城市立交橋是城市快速路的重要交通樞紐，具有形式豐富、通行高效、起伏頻繁的特點(diǎn)，其照明安全性非常重要。國際照明委員會(huì)(CIE)相關(guān)出版物和我國《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2006)以及在2016年6月1日開始生效的《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45—2015)[1,5,6，11]中，對(duì)一般道路照明的各項(xiàng)指標(biāo)都做出了具體規(guī)定，但鮮見針對(duì)城市立交橋道路照明的要求。本研究試圖彌補(bǔ)這一問題。

本研究在前期采用高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)提取道路照明參數(shù)信息工作的基礎(chǔ)上，提出采用計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行補(bǔ)充研究[2-4]。研究中首先建立符合立交橋設(shè)計(jì)原型的模擬模型，之后利用計(jì)算機(jī)的易控性、可變性等優(yōu)點(diǎn)，真實(shí)模擬各種立交橋照明的狀況，深入地分析立交橋照明的亮度及照度均勻性、眩光值等。最后在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)所測試的立交橋道路照明場景，采用視覺主觀評(píng)價(jià)方法，得出適用于國內(nèi)立交橋道路照明的眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)限值。

1　典型立交橋高桿照明計(jì)算機(jī)模擬及眩光值計(jì)算

立交橋眩光感受的程度會(huì)隨著立交橋和高桿燈的不同而發(fā)生變化，立交橋種類、燈桿位置、燈桿高度、光源選擇、燈具角度都會(huì)影響眩光對(duì)駕駛員所造成的影響。所以模型的建立對(duì)于今后研究和設(shè)計(jì)都具有典型意義，可以更靈活地對(duì)每個(gè)立交橋進(jìn)行研究。

1.1模型構(gòu)建

作為基金項(xiàng)目研究的一部分，本研究對(duì)象為半定向立交橋，所建模型為完全對(duì)稱布局四層結(jié)構(gòu)半定向立交橋，主要參數(shù)設(shè)置如下。

1)高桿燈設(shè)置。首先確定主線與跨線橋的中心點(diǎn)，以此交點(diǎn)連接右轉(zhuǎn)匝道中心點(diǎn)為直徑做圓，圓心處設(shè)置高桿燈1、3。為照顧到最上層左轉(zhuǎn)匝道照明需求，高桿燈2、4的位置適當(dāng)遠(yuǎn)離立交橋中心點(diǎn)。在立交橋主線和跨線橋單側(cè)分別放置一盞高桿燈，用以彌補(bǔ)立交橋外圍道路的照明需求。1～4號(hào)高桿燈高度為40m，5～8號(hào)為30m，9～12號(hào)為25m，見圖2。

2)燈具數(shù)量及模擬結(jié)果。本模擬中40m高桿燈采用1000W高壓鈉燈光源，25m和30m高桿燈采用400W高壓鈉燈光源，燈具仰角設(shè)置為60°。根據(jù)計(jì)算：需要1000W投光燈個(gè)數(shù)為61盞；400W投光燈個(gè)數(shù)為94盞。經(jīng)模擬計(jì)算得到立交橋各部分照度值，見表1。

圖1　高桿燈位置示意圖Fig.1　Position of high mask

表1　典型立交橋各部分照度值

表中主線的照度均勻度和亮度均勻度均遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值，這是因?yàn)榭缇€橋和匝道對(duì)主線的遮擋，造成遮擋部位的照度約為5lx，亮度約為0.3cd/m2，遠(yuǎn)小于主線未被遮擋部位。主線未被遮擋部位的照度均勻度和亮度均勻度均較好。

3)觀察者設(shè)置。觀察者的位置需要遵循最不利原則，即觀察者需要設(shè)置在立交橋可能產(chǎn)生最大眩光的位置。根據(jù)前期研究結(jié)果分別在本模型中設(shè)置5個(gè)最容易產(chǎn)生眩光測試點(diǎn)，如圖2所示。本文所研究的典型立交橋采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的高桿照明布置方式，前后左右的光源都直接或間接對(duì)駕駛員造成影響，結(jié)合人眼的基本視野和直接視野考慮，本文主要研究前方180°范圍內(nèi)的燈光影響。

圖2　觀察者位置及視看方向Fig.2　Location and direction of

1.2眩光值GR及TI計(jì)算

根據(jù)立交橋匝道交通特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：在機(jī)動(dòng)車行駛過程中，駕駛員視線方向變動(dòng)極大，甚至?xí)^360°。根據(jù)這一特點(diǎn)，課題組將評(píng)價(jià)場地眩光的參數(shù)GR值引入到本研究中，以此得到5個(gè)觀察者位于立交橋的各個(gè)部位時(shí)的眩光GR值[10]。

通過計(jì)算機(jī)模擬及人工計(jì)算分別得到5個(gè)觀察者GR及TI的眩光參數(shù)[7]，如表2所示。

表2　閾值增量TI與眩光值GR

從結(jié)果中可以看出：在滿足立交橋道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，無論是眩光值GR還是閾值增量TI均高于普通道路眩光限制標(biāo)準(zhǔn)值。眩光值GR高于標(biāo)準(zhǔn)4.0%～26.7%，閾值增量TI高于標(biāo)準(zhǔn)77.0%～536.0%。針對(duì)眩光值普遍高于標(biāo)準(zhǔn)值的情況，課題組采用主觀評(píng)價(jià)的方法獲得立交橋高桿照明失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)的建議值。

2　立交橋高桿照明主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

本文主觀評(píng)價(jià)采用語義差別法(SD法)，統(tǒng)計(jì)被試對(duì)象對(duì)立交橋高桿照明路面亮度及燈具失能眩光的主觀感受，通過研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到立交橋高桿照明失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)建議值。

2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)對(duì)象即為在立交橋高桿照明環(huán)境現(xiàn)場提取的數(shù)字圖像。反復(fù)比對(duì)現(xiàn)場環(huán)境與提取的數(shù)字圖像，確定最接近實(shí)際的曝光時(shí)間為1/8s～1/2s，所以選擇曝光時(shí)間為1/4s的數(shù)字圖像作為測試對(duì)象。由于測試對(duì)象數(shù)量眾多，將.CR2格式的數(shù)字圖像另存為.jpeg格式，以提高實(shí)驗(yàn)效率。

2.2實(shí)驗(yàn)問卷及語義差別量表

實(shí)驗(yàn)中針對(duì)高桿照明方式對(duì)人是否會(huì)造成影響設(shè)置三個(gè)問題：

A．該場景整體照明環(huán)境舒適度感受怎樣？

語義差別量表如表3所示。

表3　問題1語義差別量表

B．光源亮度與道路亮度是否存在極端亮度對(duì)比，而影響觀察前方道路狀況？

語義差別量表如表4所示。

表4　問題2語義差別量表

C．場景中高桿光源的眩光程度如何？

語義差別量表如表5所示。

本實(shí)驗(yàn)問卷采用兩級(jí)尺度，即以一對(duì)反義詞作為評(píng)價(jià)尺度的兩端進(jìn)行評(píng)價(jià)，可將尺度劃分為3段、5段、7段、9段等。尺度的段數(shù)是以實(shí)驗(yàn)的精確程度而定。一般采用5段或7段尺度，本文采用7段尺度評(píng)價(jià)法。例如問題1中，“-3”表明整體照明環(huán)境很差，已經(jīng)到達(dá)人們所能接受的極限程度，使人眼感覺非常不舒適；“3”則代表光源亮度適宜，使人感覺與道路環(huán)境協(xié)調(diào)舒適。

表5　問題3語義差別量表

問題1主要是評(píng)價(jià)整體高桿照明環(huán)境給駕駛員的心理感受。

問題2是由失能眩光的定義出發(fā)，判定立交橋區(qū)失能眩光主觀感受與失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)(TI、GR)實(shí)地測量值的相關(guān)程度。

問題3目的是限定被試者可以接受的眩光程度，利用與之相對(duì)應(yīng)的失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)測量值得出立交橋不同部位失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)限值，為立交橋高桿照明提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)共發(fā)放問卷20份，回收20份，經(jīng)過對(duì)調(diào)查問卷的整理和分析確定，20份問卷均為有效問卷。

主觀評(píng)價(jià)根據(jù)實(shí)地調(diào)研，共有34個(gè)評(píng)價(jià)場景，按照調(diào)研時(shí)間排序并編號(hào)，經(jīng)過Excel文檔隨機(jī)亂序，重新編排場景放映次序，減少連續(xù)類似場景對(duì)主觀評(píng)價(jià)造成的影響。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得到34個(gè)場景失能眩光計(jì)算值與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，見表6。

3　結(jié)論

本文采用DIALux照明設(shè)計(jì)軟件主要針對(duì)半定向式立交橋進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)合本課題上一階段成果對(duì)苜蓿葉式立交橋的模擬，基本完成了三種典型形式立交橋的參數(shù)模型構(gòu)建。模擬結(jié)果表明，在滿足立交橋道路照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下，TI值和GR值均大于普通道路標(biāo)準(zhǔn)值。

表6　場景失能眩光計(jì)算值與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(場景數(shù)34個(gè)，樣本量20個(gè))

注：表6中，評(píng)價(jià)值的平均值中，加深的數(shù)據(jù)為大于或等于0的數(shù)據(jù)，即主觀感受良好的數(shù)據(jù)。

針對(duì)實(shí)測和模擬中TI、GR值普遍高于標(biāo)準(zhǔn)值的情況，本文采用語義差別法對(duì)實(shí)測的34個(gè)立交橋高桿照明場景進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)研究。研究結(jié)果表明，在立交橋主、跨線部位，TI與主觀評(píng)價(jià)失能眩光感受具有高度相關(guān)性，相關(guān)性為0.872；GR與主觀評(píng)價(jià)失能眩光感受具有中度相關(guān)性，相關(guān)度為0.765。在立交橋匝道部位，TI和GR均與主觀評(píng)價(jià)失能眩光具有高度相關(guān)性，相關(guān)度分別為0.853和0.876。說明閾值增量和GR值都可以作為立交橋道路高桿照明方式失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)，主線和跨線部位更適宜采用閾值增量TI作為其失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)，其限值為46%，比普通道路眩光指標(biāo)高36%(《城市道

路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2006)中規(guī)定，主干路的眩光限值閾值增量TI(%)最大初始值為10%)。而匝道部位則適合采用眩光值GR作為其失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)，限值為51，比正常交通的最大眩光值指標(biāo)GRmax高6(CIE112—1994技術(shù)文件中，規(guī)定“正常交通”的最大眩光等級(jí)為45；“緩慢行駛的交通”的最大眩光等級(jí)為50)。

[1] 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):CJJ 45—2006[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2] 陳仲林,翁季，胡英奎，等.道路照明測量方法研究[J].燈與照明，2005，30(2)：7-12.

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[11] 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：CJJ 45—2015[S].

Research on Disability Glare Evaluation Index Limit of Semi-directional Overpasses with High Mast Lighting

SONG Jiayin， GUO Pengfei， WANG Lixiong

(SchoolofArchitecture,TianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsEnvironmentandBionomicTechnique,Tianjin300072，China)

Urban overpass often use high mast lamp to deal with night traffic problems. Its multi-level structures allow multi-direction traffic, so it is important to ease urban traffic pressure. But domestic and foreign still lacks of research on disability glare of overpass lighting. This article put forward the evaluation index of disability glare of overpass lighting on domestic, which is significant for safe driving at night of overpass road. According to the situation that TI and GR values are generally higher than the ordinary road standard value, this paper adopts the semantic differential method based on 34 measured overpass high mast lighting scene for subjective evaluation research. The research results shown that TI and GR were highly correlated with subjective evaluation of disability glare feeling, it is said that the increment threshold and glare rating can be used as the overpass road disability glare evaluation index. TI is more suitable to evaluate main road and overline, while GR is more suitable for the ramp of overpass.

semi-directional overpass; high mast lighting; disability glare; threshold Increment; glare rating

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(基于高動(dòng)態(tài)圖像技術(shù)的城市立交橋照明安全研究，項(xiàng)目編號(hào)：51178299)

王立雄，E-mail:wlixiong0011@sina.com

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.020