霧環(huán)境下道路照明“白墻效應(yīng)”的模擬實(shí)驗(yàn)

徐博林，李瑋晟，陳神飛，楊松柏，衡 濤，趙海天

(深圳大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060)

引言

在濃霧天氣下，當(dāng)駕駛員試圖通過打開機(jī)動(dòng)車遠(yuǎn)光燈時(shí)，燈光在濃霧中形成強(qiáng)烈的散射與反射，導(dǎo)致眼前一片雪白，即產(chǎn)生阻礙駕駛員視覺的“白墻效應(yīng)”。惡劣天氣下，機(jī)動(dòng)車駕駛規(guī)定要求：機(jī)動(dòng)車在夜間沒有路燈、照明不良或者遇有霧、雨、雪、沙塵、冰雹等低能見度情況下行駛時(shí)，應(yīng)當(dāng)開啟前照燈、示廓燈和后位燈，但同方向行駛的后車與前車近距離行駛時(shí)，不得使用遠(yuǎn)光燈。

濃霧天氣下“白墻效應(yīng)”嚴(yán)重影響駕駛員視覺環(huán)境，而對(duì)于白墻效應(yīng)的產(chǎn)生條件及狀態(tài)，國(guó)外研究中僅在Wout van Bommel的《Road Lighting》[1]中提到其影響，而對(duì)于其產(chǎn)生的具體條件、霧的種類、濃度與照明光源以及照明方式的關(guān)系并未深入研究，國(guó)內(nèi)也僅在報(bào)道中出現(xiàn)，并未有任何相關(guān)文獻(xiàn)及理論研究。

可見光在霧中的穿透性研究中，大量的實(shí)驗(yàn)研究標(biāo)明：霧燈穿透能力最佳波長(zhǎng)為578 nm；對(duì)于白光LED，色溫越低，透霧能力越強(qiáng)；不同顏色LED，黃光優(yōu)于白光[2-4]。文獻(xiàn)[5]中實(shí)驗(yàn)開展了霧天氣下人眼視覺可見度研究，人眼視力水平隨霧能力增加呈線性遞減。而在實(shí)際機(jī)動(dòng)車行駛過程中，除關(guān)注光源穿透性之外，還應(yīng)關(guān)注光源對(duì)駕駛員視覺環(huán)境的影響。

本文所述實(shí)驗(yàn)采用超聲波霧化加濕器產(chǎn)生霧，模擬封閉的大霧環(huán)境，霧的濃度由一個(gè)LED光源在相應(yīng)濃度下的照度衰減值來描述。探索在白天和夜晚狀態(tài)，不同光源不同濃度下目標(biāo)物識(shí)別能力變化狀況，通過對(duì)目標(biāo)物亮度和背景亮度對(duì)比度來描述，研究“白墻效應(yīng)”，對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)有道路照明與機(jī)動(dòng)車照明具有一定的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1)實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)按照1∶50模擬100 m長(zhǎng)、3.75 m寬3車道，2.5 m寬應(yīng)急車道的高速公路。實(shí)驗(yàn)裝置為密閉環(huán)境，內(nèi)表面為可更換不反光內(nèi)襯；模擬制造霧環(huán)境的霧化加濕器，頂部設(shè)置抽風(fēng)排霧口；照度計(jì)正對(duì)射燈，采集射燈照度值；頂部為24 W白光LED面板燈,用于模擬白天和夜晚場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device

2)實(shí)驗(yàn)條件。該實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)用霧發(fā)生器采用300 W超聲波霧化加濕器，濕度范圍可控制在10%～98%，其粒子直徑為3～5 μm，自然界霧粒子直徑為3～100 μm，可模擬自然界中的霧；在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)充滿霧，抽風(fēng)口控制霧濃度，射燈照度值確定霧濃度；目標(biāo)物為灰色3D打印PLA材質(zhì)直徑為3.5 cm郎道爾標(biāo)準(zhǔn)視環(huán)，距離光源照射中心1.5 m。

所使用光源為：LED射燈8 W,色溫 3 100 K，顯色指數(shù)為81 (以下簡(jiǎn)稱暖白光)；LED射燈8 W,色溫 6 500 K，顯色指數(shù)89(以下簡(jiǎn)稱冷白光)。

調(diào)整兩種光源功率使得光源在1.5 m處的照度均為10 000 lx。

亮度采集使用LMK亮度成像儀，照片記錄采用NIKON-D700。

3)實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)在全黑暗室內(nèi)進(jìn)行，白天場(chǎng)景內(nèi)襯更換為白色絨布，夜晚場(chǎng)景更換為黑色絨布。實(shí)驗(yàn)框架如圖2所示。首先，確定實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)，在無霧頂板燈關(guān)閉狀態(tài)下打開射燈記錄照度值，作為基礎(chǔ)照度E0。打開超聲波霧化加濕器，待裝置內(nèi)充滿霧，射燈照度穩(wěn)定不再下降，關(guān)閉加濕器。打開抽風(fēng)機(jī)到肉眼可見目標(biāo)物，停止排霧待照度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定記錄照度記為E1，以100 lx為梯度，依次記為E2、檔位E3、檔位E4……至霧基本消失。

圖2 實(shí)驗(yàn)框架Fig.2 Experimental framework

白天不開燈數(shù)據(jù)采樣過程：

打開射燈，充霧并調(diào)整霧穩(wěn)定時(shí)照度計(jì)讀數(shù)為E1，關(guān)閉射燈，打開頂板燈，使用亮度成像儀拍照記錄；

關(guān)閉頂板燈，打開射燈，排霧并調(diào)整霧穩(wěn)定時(shí)照度計(jì)讀數(shù)為E2，關(guān)閉射燈，打開頂板燈，使用亮度成像儀拍照記錄；

關(guān)閉頂板燈，打開射燈，排霧并調(diào)整霧穩(wěn)定時(shí)照度計(jì)讀數(shù)為E3，關(guān)閉射燈，打開頂板燈，使用亮度成像儀拍照記錄；

……

至霧基本消失。

同理依次完成白天暖白光數(shù)據(jù)→白天冷白光數(shù)據(jù)→夜晚暖白光數(shù)據(jù)→夜晚冷白光數(shù)據(jù)采樣。

4)霧濃度的表征。本實(shí)驗(yàn)中，無霧狀態(tài)下，射燈基礎(chǔ)照度為2 650 lx,記為E0,目標(biāo)物可初見時(shí)，射燈照度為2 100 lx即為E1，在En照度時(shí)分別記錄對(duì)應(yīng)濃度下亮度數(shù)據(jù)；相對(duì)霧的濃度N計(jì)算公式：N=(E0-En)/100；N為0時(shí)表示無霧，N值越大，霧濃度越高。

5)目標(biāo)物的識(shí)別性表征。實(shí)驗(yàn)得到四種霧濃度下亮度數(shù)據(jù)，為降低人造霧濃度不均勻帶來誤差，取郎道爾視環(huán)上三個(gè)點(diǎn)亮度求平均值L1，取背景上四個(gè)點(diǎn)亮度求平均值L2,如圖3所示，郎道爾視環(huán)的識(shí)別性用亮度差ΔL表征，計(jì)算公式為ΔL=︱L1-L2︱。

圖3 郎道爾環(huán)取點(diǎn)位置Fig.3 Point position on the ring

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1)白天狀況下。由表1可得到不同濃度霧下，白天狀況下不同光源照射下目標(biāo)物的識(shí)別能力變化曲線，如圖4所示。圖5為白天狀況下，不同霧濃度時(shí)的白墻效應(yīng)形態(tài)照片。

表1白天狀況下亮度對(duì)比(ΔL)數(shù)據(jù)

Table 1 Luminance contrast data in daytimecd·m-2

橫坐標(biāo)表示霧的濃度，縱坐標(biāo)為亮度差圖4 白天狀況下，不同光源照射下目標(biāo)物的識(shí)別能力變化曲線Fig.4 Recognition ability of target under different light sources in the daytime

圖5 白天狀況下，不同霧濃度時(shí)的白墻效應(yīng)形態(tài)Fig.5 White wall phenomenonin under various concentration of fog in the daytime

2)夜晚狀況下。實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到夜晚狀況下亮度對(duì)比度數(shù)據(jù)，如表2所示。由表2可得到不同濃度霧下,夜晚狀況下不同光源照射下目標(biāo)物的識(shí)別能力變化曲線，如圖6所示。圖7為夜晚狀況下，不同霧濃度時(shí)的白墻效應(yīng)形態(tài)照片。

表2夜晚狀況下亮度對(duì)比(ΔL)數(shù)據(jù)

Table2Luminancecontrastdataatnightcd·m-2

橫坐標(biāo)表示霧的濃度，縱坐標(biāo)為亮度差圖6 夜晚狀況下，不同光源照射下目標(biāo)物的識(shí)別能力變化曲線Fig.6 Recognition ability of target under different light sources at night

圖7 夜晚狀況下，不同霧濃度時(shí)的白墻效應(yīng)形態(tài)Fig.7 White wall phenomenonin under various concentration of fog at night

3 實(shí)驗(yàn)討論

本實(shí)驗(yàn)不僅能夠驗(yàn)證之前實(shí)驗(yàn)暖白光在霧天對(duì)于提升目標(biāo)物的識(shí)別性優(yōu)于冷白光，而且進(jìn)一步探索了冷、暖白光環(huán)境與無光源環(huán)境下目標(biāo)物的識(shí)別性關(guān)系，“白墻效應(yīng)”產(chǎn)生的條件與霧濃度的關(guān)系——僅在霧濃度較高時(shí)才會(huì)產(chǎn)生“白墻效應(yīng)”。光線在大氣層中的理論散射模型通?？梢苑譃閮蓚€(gè)部分：?jiǎn)挝惑w積大氣成分的單次散射和整個(gè)大氣層的多重散射。

如圖8所示，單次散射下一束平行光線I0照射到單位體積 dv粒子上的散射示意圖。利用 Stokes 矢量入射光I0可以描述為I0={I0,Q0,U0,V0}，那么距離R處的散射光強(qiáng)度為

(1)

其中，Ksca為散射系數(shù)，P為四行四列的相位矩陣。

圖8 大氣粒子散射示意圖Fig.8 A schematic diagram of atmospheric particle scattering

當(dāng)霧濃度較低時(shí),散射能力較弱，因而打開光源時(shí)，依然有大量的反射光強(qiáng)進(jìn)入視線，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)物體識(shí)別性；當(dāng)霧濃度高時(shí)，散射能力較強(qiáng)，打開車燈會(huì)形成光幕即所謂的“白墻”，降低人眼對(duì)物體識(shí)別性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了白天狀況兩種色溫光源與無光源在不同濃度下，目標(biāo)物的識(shí)別性，隨著霧的濃度升高，物體的識(shí)別性下降，在霧濃度較低時(shí)，打開光源，有助于提升目標(biāo)物的識(shí)別性；但當(dāng)霧的濃度較高時(shí)，開燈反而會(huì)降低目標(biāo)物的識(shí)別性，即產(chǎn)生所謂的“白墻效應(yīng)”；夜晚在沒有路燈的狀況下，機(jī)動(dòng)車不打開光源是無法觀測(cè)到目標(biāo)物，因此實(shí)驗(yàn)中只討論打開光源的情況，同濃度下，暖白光下目標(biāo)物的識(shí)別性優(yōu)于冷白光；在霧濃度較低時(shí)，應(yīng)打開光源提升視野環(huán)境內(nèi)目標(biāo)物可見度；濃度較高時(shí)，應(yīng)關(guān)閉實(shí)驗(yàn)中所采用的光源或選擇能夠提升目標(biāo)物可見度的光源。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳吧袩o法定量測(cè)試實(shí)驗(yàn)中模擬霧的濃度與現(xiàn)實(shí)中霧的濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)機(jī)動(dòng)車在不同霧濃度下使用前照燈。