城市道路車輛行駛照明范圍需求研究

吳 巍，冀俊明，張紅濤，李 娜，扶原放

（長(zhǎng)安汽車股份有限公司 北京研究院，北京 100000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車在中國(guó)越來越普及，已成為人們生活中不可或缺的交通和運(yùn)輸工具。然而，隨著汽車保有量的上升，道路交通事故也逐年呈上升趨勢(shì)。汽車安全事故統(tǒng)計(jì)資料表明：全球每年汽車交通事故死亡人數(shù)達(dá)50萬。而這些交通事故中，夜間發(fā)生的數(shù)量為白天的3倍，照明狀況不良時(shí)的事故率又是照明良好時(shí)的3倍，足見前照燈在汽車安全性方面的重要作用。

為了更好地評(píng)估車輛前照燈的性能，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)不斷完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中，CIE 188車輛照明系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法經(jīng)批準(zhǔn)并形成技術(shù)報(bào)告。該報(bào)告提出了一種前照燈光學(xué)性能評(píng)估方法，其中道路照明部分涵蓋了遠(yuǎn)、近光的照明距離、行人可見度、照明寬度、彎道能見度、十字路口行人可見度等維度。然而，該報(bào)告未對(duì)道路實(shí)際照明范圍需求進(jìn)行研究。本文參考CIE 188技術(shù)報(bào)告評(píng)估維度，結(jié)合中國(guó)城市道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)中國(guó)城市道路車輛行駛所需最低照明范圍進(jìn)行了分析研究。

1 CIE 188車輛照明系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)方法

汽車前照燈的作用是照明車輛前方道路標(biāo)識(shí)、邊界和交通標(biāo)識(shí)等特征，以便駕駛員保持行駛過程中對(duì)車輛的控制。另外，駕駛員還需要對(duì)行人和其他道路使用者進(jìn)行識(shí)別。為了確保性能評(píng)估時(shí)充分考慮這些要求，所以在高于道路表面0.25m的水平面對(duì)性能進(jìn)行評(píng)估。0.25m高度平面是行人小腿中點(diǎn)的平均高度［1］，有的主機(jī)廠對(duì)路面照度評(píng)估也是可行的，本文研究?jī)?nèi)容對(duì)2種高度均適用。

另外，現(xiàn)有研究顯示，3lx照度是能夠確保發(fā)現(xiàn)道路特征、行人和障礙物的照度下限，故本文以3lx作為照明范圍的基準(zhǔn)照度。當(dāng)然也有研究表明5lx照度是能夠識(shí)別上述目標(biāo)的照度下限，也可以研究基準(zhǔn)，但這將使前照燈性能要求大大提高。

由于受到安裝高度、電壓/電流、光通量等因素影響，前照燈實(shí)際性能與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果有所不同，CIE 188的核心內(nèi)容，就是制定了實(shí)際安裝情況下前照燈性能的評(píng)估方法。CIE 188對(duì)前照燈遠(yuǎn)近光道路照明的評(píng)估維度主要在直行道路、彎道、十字路口的照明距離、寬度等方面，如圖1所示。本文將在上述維度基礎(chǔ)上增加坡道路況進(jìn)行研究。

2 中國(guó)城市道路設(shè)計(jì)參數(shù)

本文主要參考CJJ37—2012《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和CJJ152—2010《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程》平面交叉部分進(jìn)行研究，引用了道路設(shè)計(jì)速度、車道寬度、圓曲線最小半徑、停車視距、路緣石半徑、最大縱坡等參數(shù)。

2.1 道路設(shè)計(jì)速度

中國(guó)城市道路分為快速路、主干路、次干路和支路4個(gè)等級(jí)，各級(jí)道路設(shè)計(jì)速度如表1所示［2］。其中快速路采用控制出入形式，無非機(jī)動(dòng)車混行和平面交叉。

表1 各級(jí)城市道路設(shè)計(jì)速度

2.2 車道寬度

圖1 CIE 188車輛照明系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法

中國(guó)城市道路車道寬度如表2所示。由于在照明寬度需求計(jì)算時(shí)寬車道兼容窄車道，為簡(jiǎn)化計(jì)算，以3.75 m車道寬度作為研究對(duì)象。

表2 車道寬度

2.3 圓曲線最小半徑

道路平面線形宜由直線、圓曲線等組成，道路圓曲線最小半徑應(yīng)符合表3。一般情況下應(yīng)采用大于或等于不設(shè)超高最小半徑值；當(dāng)?shù)匦螚l件受限制時(shí)，可采用設(shè)超高最小半徑一般值。

直線與圓曲線或大半徑圓曲線與小半徑圓曲線之間應(yīng)設(shè)緩和曲線。該情況下緩和曲線半徑大于圓曲線。因此在彎道情況下，緩和曲線對(duì)照明寬度的需求較圓曲線道路小，故為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮圓曲線半徑。

表3 圓曲線最小半徑

2.4 停車視距

停車視距應(yīng)大于或等于表4所示的距離要求。本文依據(jù)法規(guī)給出的參考值進(jìn)行研究，鼓勵(lì)各主機(jī)廠根據(jù)自身實(shí)際性能參數(shù)進(jìn)行研究。

表4 停車視距

2.5 最大縱坡

機(jī)動(dòng)車道最大縱坡應(yīng)符合表5所示規(guī)定，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文僅對(duì)一般值進(jìn)行研究。由于各設(shè)計(jì)速度下的道路最小坡長(zhǎng)大于其停車視距，故坡道與平面道路相比，對(duì)前照燈的照明需求僅在上坡坡峰和下坡坡谷位置有區(qū)別，即“凸”形坡和“凹”形坡位置，本文將對(duì)這2個(gè)路況進(jìn)行研究。

表5 最大縱坡

2.6 路緣石轉(zhuǎn)彎半徑

平面交叉口轉(zhuǎn)角處緣石轉(zhuǎn)彎半徑如表6所示［3］。

表6 路緣石轉(zhuǎn)彎半徑

2.7 十字路口形式

十字路口形式分為十字形交叉口和X形交叉口，X形交叉口最小交角宜為70°，如圖2所示。

圖2 十字路口形式

3 中國(guó)城市道路照明范圍需求

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

基于上述路況，研究中國(guó)城市道路車輛行駛所需的最小3 lx照明范圍。定義研究基本準(zhǔn)則如下：①由于設(shè)計(jì)速度60 km/h以上道路為出入控制形式，故僅考慮時(shí)速60 km/h以下道路行人可見度。②主要考慮一般設(shè)計(jì)指標(biāo)下的道路照明滿足情況。③在相應(yīng)車速下，照明范圍應(yīng)為：當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方行人時(shí)，應(yīng)能夠及時(shí)制動(dòng)或加速通過；當(dāng)不能發(fā)現(xiàn)前方行人時(shí)，應(yīng)能在行人之前通過遭遇點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生碰撞。

3.2 直行道路

1）照明距離

根據(jù)表4停車視距可知：①在設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h道路上，本方道路右側(cè)邊界3 lx照度的到達(dá)距離應(yīng)≥70 m；②在設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h道路上，本方道路右側(cè)邊界3 lx照度的到達(dá)距離應(yīng)≥110 m；③在設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h道路上，本方道路右側(cè)邊界3lx照度的到達(dá)距離應(yīng)≥160 m。本文以60 km/h及以下時(shí)速作為近光分析基礎(chǔ)，60 km/h以上作為遠(yuǎn)光分析基礎(chǔ)。

2）照明寬度

橫向照明寬度需求計(jì)算過程如下：①計(jì)算在各設(shè)計(jì)速度下行駛所對(duì)應(yīng)停車視距所需的時(shí)間t；②設(shè)行人橫穿道路速度為1 m/s，計(jì)算時(shí)間t內(nèi)所行走的距離L；③橫向照明距離需求=L+車道寬度/2 = L+1.875 m；④近光明暗截止線按50 m落地考慮。

由此得到在各設(shè)計(jì)速度下車輛行駛停車視距距離的時(shí)間內(nèi)行人行的距離，如表7所示。將數(shù)據(jù)在路面鋪點(diǎn)并用線形連接，可得在直行道路下，及時(shí)制動(dòng)或加速通過所需的3lx照明距離和寬度，如圖3所示，灰色項(xiàng)表示該車速下的停車視距未超過該距離，不需要考慮該距離照明寬度。

表7 直行道路照明寬度需求參數(shù)

圖3 直行道路照明寬度需求曲線

3.3 彎道

照明寬度如圖4所示，彎道照明距離需求計(jì)算過程如下：①弧長(zhǎng)C=停車視距；②通過公式：圓心角A =，求圓心角A；③α=A/2，通過弦長(zhǎng)L=2Rsin（A/2），求出弦長(zhǎng)L；④依據(jù)α角和弦長(zhǎng)L計(jì)算在行駛方向上車輛在彎道行駛所需的單側(cè)照明寬度。

設(shè)超高圓曲線最小半徑一般值情況下，前照燈單側(cè)照明寬度為行駛相應(yīng)停車視距所需的道路照明寬度，加上車輛各設(shè)計(jì)速度下行駛所對(duì)應(yīng)停車視距所需的時(shí)間t內(nèi)行人橫向移動(dòng)距離L和車道寬度/2，各停車視距下的寬度值如表8所示。

圖4 彎道照明寬度需求

表8 設(shè)超高圓曲線最小半徑一般值高配前照燈單側(cè)照明寬度需求

依據(jù)表8數(shù)據(jù)在路面鋪點(diǎn)并用線形連接，可得在彎道路況下，及時(shí)制動(dòng)或加速通過所需的3 lx照明距離和寬度，如圖5所示。

圖5 彎道照明寬度需求曲線

3.4 十字路口

平面交叉口轉(zhuǎn)彎速度應(yīng)按組成交叉口設(shè)計(jì)速度的50%計(jì)算，如表9所示。60 km/h以上車速為快速路，不需要考慮交叉口速度。

表9 十字路口行車速度

根據(jù)表2、表6和圖2構(gòu)建的十字路口模型，選取30 km/h和20 km/h轉(zhuǎn)彎速度進(jìn)行研究。十字路口照明距離需求計(jì)算過程如下：①弧長(zhǎng)C=停車視距；②通過公式：圓心角A =，求圓心角A；③通過圓心角A，考慮行人速度，確定弦長(zhǎng)L的終點(diǎn)；④依據(jù)α角和弦長(zhǎng)L計(jì)算在行駛方向上，各設(shè)計(jì)速度下，車輛在彎道行駛所需的單側(cè)照明寬度。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎速度30 km/h十字路口照明距離需求如圖6所示，20 km/h數(shù)據(jù)略。

將數(shù)據(jù)在路面鋪點(diǎn)并用線形連接，可得：在十字路口相應(yīng)距離和車速下，及時(shí)制動(dòng)或加速通過時(shí)所需的3 lx照明距離和寬度，如圖7所示。

3.5 坡道

各級(jí)道路縱坡變化處應(yīng)設(shè)置豎曲線，豎曲線宜采用圓曲線，豎曲線最小半徑與豎曲線最小長(zhǎng)度應(yīng)符合表10所示。由圖8可知，當(dāng)角α1與α2為極限值時(shí)道路傾角最大，當(dāng)弧長(zhǎng)L為極限值時(shí)豎曲線半徑最小，故針對(duì)極限情況進(jìn)行研究。

1）凹形坡道

凹形坡道燈光上揚(yáng)角度計(jì)算過程如下：通過公式α=180L/πr，求得各安裝高度下的燈光相對(duì)路面上揚(yáng)角度α，其中，L為豎曲線弧長(zhǎng)，r為豎曲線半徑。

對(duì)比直行道路停車視距燈光偏角與凹形坡燈光角度變化可知，僅憑借固定位置的近光不能滿足坡道安全視距要求，需配合近光高度調(diào)節(jié)裝置、降速行駛或使用遠(yuǎn)光等輔助手段滿足安全視距要求，故本文不再繼續(xù)研究。

圖6 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎速度30 km/h十字形交叉口照明寬度需求

圖7 十字路口照明寬度需求曲線

圖8 坡道道路設(shè)計(jì)參數(shù)

表10 豎曲線最小半徑與豎曲線最小長(zhǎng)度

2）凸形坡道

凸形坡道情況下（一般值和極限值），燈光無法照射到相應(yīng)安全視距（數(shù)據(jù)略），在凸形坡道時(shí)應(yīng)降速行駛，故本文不再繼續(xù)研究。

3.6 特殊路況——近光近場(chǎng)

由于中國(guó)城市道路情況的特殊性，在近光近場(chǎng)區(qū)域（30 m前）需要較大的寬度以保證行人較多路況的行駛安全，故高配車型近光需盡最大可能滿足人眼30°視場(chǎng)照明范圍，即在前方20～30 m區(qū)域應(yīng)采用十字路口轉(zhuǎn)彎照明需求線或視場(chǎng)線的較大值，如圖9所示。

圖9 十字路口轉(zhuǎn)彎照明需求線與人眼視場(chǎng)線

人眼30°視場(chǎng)在20 m和30 m處單邊寬度分別為7.28 m和17.32 m，分別可滿足識(shí)別1 m/s和4 m/s速度行人識(shí)別需求。人眼視場(chǎng)線與十字路口轉(zhuǎn)彎照明需求線相比較，在車前10～25 m范圍內(nèi)十字路口轉(zhuǎn)彎照明需求線更寬，故選取該線作為照明需求線。

3.7 光形復(fù)合

1）近光

以直行道路線、設(shè)超高彎道一般值線、左右轉(zhuǎn)彎線、人眼視場(chǎng)線截取相應(yīng)視距部分以輔助線連接，形成近光3 lx照度最小光形范圍需求符合曲線，如圖10所示。其中人眼視場(chǎng)線外側(cè)的左右轉(zhuǎn)彎線可僅在具備彎道照明功能時(shí)滿足，其他路況時(shí)滿足人眼視場(chǎng)線。

圖10 近光3 lx最小照明范圍

2）遠(yuǎn)光

以直行道路線、設(shè)超高彎道一般值線、左右轉(zhuǎn)彎線截取相應(yīng)視距部分以輔助線連接，形成遠(yuǎn)光3 lx照度最小光形范圍需求符合曲線，如圖11所示。其中人眼視場(chǎng)線外側(cè)的左右轉(zhuǎn)彎線可僅在具備彎道照明功能時(shí)滿足，其他路況時(shí)滿足人眼視場(chǎng)線。另外，遠(yuǎn)光輔助線前部端點(diǎn)處弧線對(duì)于照射距離影響較?。ǜ吲浼s1.6 m），故忽略本方案道路寬度影響。

圖11 遠(yuǎn)光3 lx最小照明范圍

4 總結(jié)

將所得曲線與目前主機(jī)廠評(píng)估前照燈性能的測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)相比較，本文研究所得3 lx照度范圍曲線與現(xiàn)行測(cè)點(diǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)相符，且對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)未涉及區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)充，并結(jié)合CIE 188和中國(guó)道路特點(diǎn)，以及人眼視場(chǎng)特性，能夠?yàn)楣鈱W(xué)設(shè)計(jì)提供一定參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］ CIE 188—2010，PERFORMANCE ASSESSMENT METHOD FOR VEHICLE HEADLIGHTING SYSTEMS［S］.

［2］ CJJ37—2012，城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ CJJ152—2010，城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.