高速公路ETC門架拍照補(bǔ)光燈眩光問題分析

邊艷妮，汪文妹，王雄斌

(陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710054)

引言

隨著2019年底全國高速公路完成撤銷省界收費(fèi)站，切換為電子不停車收費(fèi)(ETC)，ETC門架在高速公路行業(yè)全面推廣使用。ETC門架高清攝像機(jī)作為門架系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，為了確保其在光線較差及夜晚環(huán)境拍照功能的可靠性與穩(wěn)定性，每一臺攝像機(jī)都配備了補(bǔ)光燈以保證拍照的亮度要求。而補(bǔ)光燈在實(shí)際使用中，由于廠家生產(chǎn)技術(shù)，安裝工藝及使用環(huán)境等因素的影響，使得補(bǔ)光燈對駕駛員造成一定的眩光影響，從而影響高速公路夜間行車安全。因此，在補(bǔ)光燈亮度滿足拍照需求的同時，降低補(bǔ)光燈對駕駛?cè)藛T的眩光影響，確保高速公路行車安全是當(dāng)前亟需解決的重要安全問題。

針對補(bǔ)光燈造成的眩光問題，國內(nèi)已有一系列相關(guān)研究[1,2]。殷曉川等[3]設(shè)計(jì)了一種用于交通領(lǐng)域的補(bǔ)光燈防眩光罩，通過該裝置遮蔽補(bǔ)光燈正面、側(cè)面多余的眩光，讓補(bǔ)光燈光照區(qū)域相對集中，以此來減少對人眼造成的眩光影響。全利等[4]對城市道路監(jiān)控補(bǔ)光燈眩光影響進(jìn)行了探討分析。針對高速公路補(bǔ)光燈的眩光研究國內(nèi)暫無相關(guān)文獻(xiàn)，本文將根據(jù)高速公路ETC門架拍照補(bǔ)光燈特定運(yùn)行環(huán)境及其相關(guān)參數(shù)對其眩光問題進(jìn)行建模分析，并通過實(shí)地測量分析計(jì)算，提出可減小其眩光影響的可行性措施，為高速公路安全運(yùn)營提供有效參考依據(jù)。

1 ETC門架拍照補(bǔ)光燈眩光建模分析及理論光照區(qū)域計(jì)算

1.1 補(bǔ)光燈眩光建模分析

在公路照明領(lǐng)域主要是使用眩光閾值增量(TI)和眩光控制等級(G)作為公路照明設(shè)計(jì)指導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)[5,6]。本文使用眩光閾值增量的概念分析補(bǔ)光燈對駕駛員的眩光影響，眩光閾值增量是眩光條件下剛好看見物體時需要增加的對比與有效對比的比值[7]，其計(jì)算如式(1)所示：

(1)

其中LAV為路面平均亮度(cd/m2)，1.05為其指數(shù)，LV為等效光幕亮度(cd/m2)，是由入射到人眼中的光線發(fā)生散射而形成的光幕[8]。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

其中Eθ為垂直于人眼平面上的垂直照度，θ為視線和眩光源入射光線方向間的夾角，K、m為常數(shù)，K值取決于θ的單位，當(dāng)θ用角度表示時，k=10，θ≥2°時，m=2。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會規(guī)定TI須小于15%，即TI小于15%時不會引起眩光或使人眼感到不適。

1.2 補(bǔ)光燈理論光照區(qū)域計(jì)算

高速公路ETC門架布設(shè)如圖1所示，補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)及安裝要求如表1所示，其中發(fā)光角度為LED光束的中心亮度到光強(qiáng)降至中心最大光強(qiáng)50%時的夾角。

圖1 高速公路ETC門架布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ETC portal frame layout of expressway

表1 LED頻閃補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)及安裝要求

將門架布設(shè)圖用平面圖表示為圖2，其中H 為門架高度，δ為發(fā)光角度，A為光強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)，即A點(diǎn)距門架20 m，根據(jù)LED 配光曲線計(jì)算可知，發(fā)光角度外光強(qiáng)較弱，不會引起眩光。根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算可得理論光照區(qū)域?yàn)?5.8～26.5 m。

圖2 補(bǔ)光燈光照區(qū)域平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of illumination area of fill light

2 補(bǔ)光燈光照度實(shí)地測量及眩光分析計(jì)算

2.1 補(bǔ)光燈光照度實(shí)地測量

為更好的解決高速公路ETC門架補(bǔ)光燈眩光問題，選取陜西高速西安至略陽路段進(jìn)行實(shí)際光照度測量，測量時間為2020年3月19日21：00—22：00，天氣晴，空氣質(zhì)量指數(shù)為44，測量具體地點(diǎn)為西略ETC G7011 420B，補(bǔ)光燈占空比為5(對占空比為1、3時的光照度也分別進(jìn)行了測量，其部分位置不滿足拍照設(shè)計(jì)要求)，測量儀器使用TES-1339專業(yè)級照度計(jì)，測量結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 補(bǔ)光燈光照度實(shí)際測量數(shù)據(jù)

由實(shí)地測量數(shù)據(jù)可知，ETC門架補(bǔ)光燈實(shí)際應(yīng)用中滿足拍照需求的光照區(qū)域?yàn)?3～50 m，其中主要光照區(qū)域位于距離門架25～35 m處，與上述理論計(jì)算的主要光照區(qū)域位置不同。因此，本文將基于實(shí)際應(yīng)用情況對ETC門架補(bǔ)光燈眩光影響進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 測量結(jié)果計(jì)算分析

基于實(shí)際測量數(shù)據(jù)，選取25 m、30 m、35 m三個位置分析計(jì)算補(bǔ)光燈對人眼的致眩影響，同時對于不同大小的車型，人眼視線與補(bǔ)光燈入射光線方向之間的夾角大小不同，從而對駕駛員造成的眩光影響不同，因此本文選取小客車和大貨車兩種車型對補(bǔ)光燈造成的眩光影響進(jìn)行計(jì)算分析。

高速公路夜間行車開啟遠(yuǎn)光燈后，駕駛員視線與ETC門架補(bǔ)光燈的位置關(guān)系如圖3所示，汽車遠(yuǎn)光燈照射距離一般為80～120 m，設(shè)定高速公路駕駛員夜間行車時視覺中心位于前方80 m處，小客車與大貨車駕駛員視野高度分別為1.2 m、2 m，根據(jù)圖3計(jì)算兩種車型分別在L=25 m、30 m、35 m三個位置時，駕駛員視線與補(bǔ)光燈入射光線方向間的夾角θ如表3所示。

圖3 補(bǔ)光燈與駕駛員視線位置關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship diagram between fill light and driver’s line of sight

表3 高速公路夜間行車駕駛員視線與補(bǔ)光燈入射光線方向之間的夾角

一般情況高速公路夜間背景亮度由補(bǔ)光燈和汽車車燈組成，其中車燈亮度由車輛數(shù)及車型等因素決定，因此，高速公路夜間背景亮度值難以進(jìn)行明確計(jì)算，本文將通過計(jì)算不引起眩光條件下高速公路夜間行車背景亮度的需求，從而定性分析補(bǔ)光燈眩光影響極其解決方案。根據(jù)式(1)、式(2)可知，背景亮度LAV計(jì)算公式如式(3)所示：

(3)

其中Eθ=Ecosθ，θ取值如表3所示，K=10，m=2，TI=15%，分別計(jì)算小客車與大貨車在三個測試距離不同位置不引起眩光所需要的背景亮度如表4所示。

表4 不引起眩光條件下不同位置所需的背景亮度值

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析，高速公路夜間行車過程中，當(dāng)上述不同距離不同位置的背景亮度大于該計(jì)算值時，補(bǔ)光燈亮度才不會對駕駛員造成眩光影響?！镀囉肔ED前照燈》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，汽車遠(yuǎn)光燈照度值為70～180 lx[9]，高速公路瀝青路面的反射系數(shù)取0.14[10]，粗略估計(jì)一輛車的車燈照射到人眼的亮度小于25.2 lx，而補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)要求中規(guī)定，補(bǔ)光區(qū)域內(nèi)平均光照度應(yīng)小于50 lx，則高速公路行車數(shù)量為一輛的情況下，背景亮度應(yīng)小于75.2 lx，遠(yuǎn)小于上述計(jì)算中不引起眩光條件下所需的背景亮度值。因此，在上述測量路段，當(dāng)補(bǔ)光燈占空比為5時，其亮度會引起眩光，影響駕駛員的行車安全。

3 結(jié)論

綜合上述理論分析及實(shí)地測量計(jì)算分析，減小補(bǔ)光燈眩光影響的解決方案從兩個方向考慮，一是增大路面背景亮度；二是降低補(bǔ)光燈亮度?？紤]到增加背景亮度成本較高，實(shí)際可行性較低，因此從降低眩光源亮度考慮，按照工程量及實(shí)施難度由易到難，建議措施如下：

1)增大補(bǔ)光燈照射角度(即增加補(bǔ)光燈與水平線的夾角)。保持拍照區(qū)域不變，增大駕駛員視線與補(bǔ)光燈入射光線方向之間的夾角。由實(shí)際測量結(jié)果可知，測量路段實(shí)際應(yīng)用中滿足拍照需求的光照范圍為23～50 m，而設(shè)計(jì)要求為16～25 m。因此增大補(bǔ)光燈照射角度，使其光照范圍縮短至設(shè)計(jì)要求的拍照范圍內(nèi)，可以進(jìn)一步降低補(bǔ)光燈的亮度需求，減小補(bǔ)光燈對駕駛員的眩光影響。

2)拍照區(qū)域向門架靠近。假如相機(jī)在更大俯仰角(相機(jī)光軸與水平方向夾角)也可以滿足拍照要求，則拍照區(qū)域可由當(dāng)前設(shè)計(jì)要求的16～25 m移動至更靠近門架的位置，可以進(jìn)一步增大駕駛員視線與補(bǔ)光燈入射光線方向之間的夾角θ，從而減少補(bǔ)光燈對駕駛員的眩光影響。

3)設(shè)計(jì)聚光燈罩，縮短光照區(qū)域。補(bǔ)光燈光照區(qū)域設(shè)計(jì)要求為9 m，實(shí)際測試現(xiàn)場的補(bǔ)光區(qū)域?yàn)?7 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)要求，致使補(bǔ)光燈亮度過高的同時造成光能量浪費(fèi)。因此，通過加設(shè)聚光燈罩，將光照范圍約束在拍照所需范圍內(nèi)，一方面減小了對駕駛員可能的致眩區(qū)域，另一方面提高了光能量的利用率，減小了補(bǔ)光燈功率，達(dá)到節(jié)能減排效果。