公鐵近距離并行布置眩光效應分析及防眩策略

陳艾榮，曹 哲，馬如進，崔傳杰，涂輝招

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804）

公路鐵路（下文簡稱公鐵）近距離并行布置、鐵路列車運行時，鐵路列車前照燈會對附近公路上的駕乘人員造成嚴重的眩光效應，從而誘發(fā)交通安全事故。Casado-Sanz 等［1］的研究發(fā)現(xiàn)，行車過程中周圍環(huán)境強光所導致的眩光效應是交通致死事故的重要風險因素。一般而言，眩光可分為失能型眩光和不適型眩光2 類。失能型眩光［2］是指眩光源對視場中其他地方存在視覺掩蔽效應；不適型眩光［3-4］具體分為一般不適型和高亮型眩光，前者與失能型眩光作用模式類似但程度較輕，后者是一種背景過渡曝光導致的不適。本研究的重點是鐵路列車運行過程中所產(chǎn)生的失能型眩光。

目前對于失能型眩光的研究主要集中在3個方面：眩光源變化對于交通安全的影響、基于交通安全的防眩措施研究以及失能眩光下的視覺模擬和建模分析。在眩光源方面，隨著高強度放電前照燈和發(fā)光二極管前照燈投入市場，Zalcmanis 等［5］發(fā)現(xiàn)司機在駕乘中失能眩光效應愈加顯著；Kanna等［6］對車前照燈在彎道、山丘彎道和交叉路口上自動改變亮度設計進行了研究，并通過可操控的動態(tài)前燈來滿足司機夜間防眩的需要。防眩措施方面，Hu等［7］研究了一種凹形豎曲線防眩板高度計算方法，對一般的高度計算公式進行了優(yōu)化，并用UC-Win/Road仿真軟件進行了模擬，防眩效果顯著；Friedland 等［8］發(fā)現(xiàn)，在駕駛過程中老人比年輕人更易受失能眩光的影響，對老人而言偏振防眩眼鏡可顯著降低年齡帶來的眩光增強效應；徐彎彎等［9］研究了夜間路燈對司機的眩光效應，并提出了相應的防眩策略。失能眩光下的視覺模擬和建模分析方面，Chenani等［10］分析了道路照明與前照燈眩光源對于失能眩光的相互作用關系，結果表明道路照明強度變化對于眩光效應沒有顯著差異；Haycock 等［11］對駕駛艙的安全系統(tǒng)進行了眩光模擬的開發(fā)，其中包含行駛過程中眩光效果的模擬和安全系統(tǒng)對眩光效應的評估。

公鐵近距離運行過程中，公路車輛行車安全主要受失能眩光的影響。李媛等［12］對國際光學學會一系列報告中的交通失能眩光進行了歸納整理。失能眩光是眩光源對視覺的掩蔽效應，失能眩光的表達形式主要為人眼主觀感受的光強和眩光源的光通量之間的關系，即等效光強與眩光源光通量成正比，與視線和眩光源的夾角平方成反比，兩者可通過建立量綱一系數(shù)相關聯(lián)。量綱一系數(shù)的研究涉及到人眼球和視覺神經(jīng)的工作機理，包括光在眼球中的擴散作用、人年齡的變化對光強的感應、人眼球的顏色以及背景光強強弱對單一眩光源遮蔽效應的影響。

以上研究主要涉及失能眩光原理以及在一般場景的應用，而對于失能眩光在交通安全領域、特別是公鐵近距離并行建設所造成的影響，相關研究尚處在起步階段。近年來，隨著我國公路與鐵路建設的蓬勃發(fā)展，加之土地資源制約，公鐵近距離布置逐漸成為交通建設的一種新趨勢。當一般地面交通采用公鐵近距離布置時，鐵路列車行駛產(chǎn)生的眩光效應會對公路交通安全產(chǎn)生嚴重影響?；谏鲜鰡栴}，根據(jù)失能眩光的基本理論建立了鐵路列車眩光效應精細化模擬方法，并以國內某公鐵同層布置大跨斜拉桁架橋為工程背景進行了案例分析及防眩策略研究。

1 失能眩光基本原理

眩光對視覺的影響主要來自于某一觀察目標所發(fā)出的強光，其亮度遠超背景亮度，形成視覺遮蔽。定義無眩光效應時障礙物和背景的亮度比為C，有眩光源時因等效光幕亮度Lv的影響而變?yōu)镃′，當C′≥C時，障礙物的對比度顯著降低，遮蔽效應增強。一般而言，失能眩光的強弱可采用眩光閾值增量Ti來表示［12］，該值定義為

式中：Ceff為臨界對比度；Cth為實際對比度。可見，為降低眩光對人眼視覺的影響，需對閾值增量的范圍進行嚴格控制。當背景亮度Lav范圍為0.05～5.00 cd·m-2時，Ti可采用下式近似計算：

式中：Lav為路面平均亮度，cd·m-2；Lv為等效光幕亮度，cd·m-2。當由多個眩光源構成時，Lv可采用下式計算：

式中：Lvi為不同光源導致的等效光幕亮度。當公路照明中視線與眩光源光線入射方向的夾角為1.5°～60.0°時，Lvi可采用下式計算：

式中：Eci為眩光源在視線的平面上產(chǎn)生的照度，lx；θ為視線與眩光源光線入射方向的夾角，（°）；K為系數(shù)項，可取10［12］。

根據(jù)國際發(fā)光照明委員會（CIE）對夜間眩光限制的建議指標及《城市道路照明設計標準》（CJJ45―2015）［13］中的規(guī)定，主干道路失能眩光閾值增量Ti應控制在10%以下。將計算得到的閾值增量與該指標進行比較，即可對眩光效應進行評價。

2 研究方法及思路

針對公鐵近距離布置過程中鐵路列車前照燈對公路側司機的眩光效應，結合失能眩光的基本原理，提出了一種包含三維空間建模、燈光場建模、司機視域構建、數(shù)據(jù)后處理、防眩設計、設計驗證在內的失能眩光精細化研究理論。具體流程如圖1所示。

2.1 三維空間模型構建

為保證模擬精度，需考慮地理位置、地形條件、構筑物內部構造、材料光學參數(shù)以及燈光位置參數(shù)。利用光學模擬軟件Dialux，依照勘測設計資料確定地理位置，建立幾何模型并設置路燈空間位置和燈光參數(shù)信息，從而實現(xiàn)公鐵近距離行駛過程中復雜三維空間模型的構建。鐵路列車前照燈具體燈光參數(shù)的確定是模擬的關鍵因素，可參考《鐵路照明設計規(guī)范》（TB10089―2015）［14］和《機車、動車組前照燈、輔助照明燈和標志燈.第一部分，前照燈》（TB/T 2325.1―2013）［15］，主要使用的燈具類型包括鹵鎢燈泡、金鹵燈泡和氙氣金鹵燈泡。關于單只燈泡，對燈具效率、功率、光通量、壽命、顯色指數(shù)和光通量維持率等方面有要求；關于燈組整體，對一定距離下的標準光通量有要求。本研究中主要考慮單只燈泡的功率、光通量和燈組整體在一定距離下的標準光通量等對失能眩光分析影響較大的指標。

圖1 失能眩光分析流程Fig.1 Flow chart of disablity glare analysis

2.2 公鐵運行中的空間照度模擬

公鐵運行過程中閾值增量Ti的空間照度模擬主要是司機視域的構建以及不同眩光源下的工況構建。根據(jù)司機視域建立感光元件，高度一般距地面1.0 m到2.1 m，對于寬度參考駕乘人員可能行駛的區(qū)域進行合理設置。眩光源主要考慮路燈和鐵路列車前照燈。路燈眩光并非本研究重點，所以不考慮移動效應，選取一個典型工況作為路燈眩光效應的代表工況。路燈眩光分析工況中燈組較多，但燈組排列有序，型號單一，可通過設置一個路燈光源和多組感光元件來模擬多個路燈和一個司機的相對空間關系，進行一次多組分析。鐵路列車前照燈眩光為本研究的重點，需要在距鐵路列車前照燈多個位置布置感光元件，以模擬公鐵相對運行中的眩光效應。

2.3 等效光幕的數(shù)據(jù)后處理

由式（3）和式（4）中Lv和Lvi定義可知，獲取光通量后需根據(jù)相對位置進行空間數(shù)據(jù)處理才能得到最終的Ti。在路燈眩光測量工況中，布置多對縱向間距為路燈間距的感光元件，每一個感光元件都與開啟路燈有不同的空間位置，空間后處理后將其中占比光強99%的部分進行疊加，從而模擬多對路燈對司機失能眩光的總效應。鐵路列車前照燈的眩光測試工況相對簡單，對每一個感光元件獲取的光通量進行一次空間后處理就可得到相應距離的鐵路列車前照燈閾值增量。路燈閾值增量標準值與不同鐵路列車前照燈閾值增量相疊加就可得到公鐵不同縱向距離下總的Ti值。

2.4 公鐵近距離防眩措施的設計

一般公路防眩，當閾值增量Ti不滿足要求時，應該首先參考一般公路防眩措施。在公鐵近距離布置的情況下，特別是在橋梁結構上時，防眩措施的布置則還需考慮未安裝防眩措施時閾值增量的分析結果、橋梁結構整體氣動性能、鐵路列車前照燈多種布置形式導致的司機視域相對高差變化以及相關規(guī)范的強制性要求。因此，提出了可裝配、立體化的防眩策略。公鐵近距離防眩設計需注意防眩措施的布置位置、寬度、相對高度、密度以及遮光角等重要參數(shù)的調整。設計完成后，進行模擬測試，對閾值增量Ti進行相應評價，然后根據(jù)結果調整設計參數(shù)，最終達到公鐵近距離防眩要求。

3 案例分析

3.1 工程背景

以國內某大跨斜拉桁架橋為背景進行研究。大橋標準桁架梁段長14.0 m，桁高15.0 m，桁寬35.0 m，上層為六車道高速公路，下層為公鐵同層布置。公路部分為雙向四車道，寬20.2 m，鐵路部分寬14.8 m。同層布置如圖2所示。

3.2 三維建模

根據(jù)主梁布置形式和燈場信息建立三維空間關系模型，將地面的光學材料屬性設為瀝青混凝土，鋼涂料顏色設為交通灰B型，材料種類設為噴漆效果，兩者的光線反射系數(shù)分別為14%與11%。

模型中考慮路燈光源的空間位置，包括鐵路側的路燈、公路側的路燈和鐵路列車前照燈，如圖3所示。在此模型基礎上，可根據(jù)需要設置相應不同工況的感光元件。

圖2 某公鐵同層桁架橋橫斷面布置（單位：mm）Fig.2 Cross section layout of truss bridge with same-layer arranged highway and railway（unit:mm）

圖3 基礎光場模型Fig.3 Basic light field model

由圖2 對已知路燈燈光參數(shù)進行賦值，再根據(jù)規(guī)范［14-15］確定鐵路列車前照燈參數(shù)。模型中采取雙燈式設置，兩燈具橫向間距為1 m，每個燈具內含有3個燈泡，燈光類型為氙氣金屬鹵素燈光。單只燈泡為透光罩設計，燈光效率為100%，額定功率為70 W，光通量12 000 lm，光通量維持率為100%。經(jīng)過軟件模擬，縱向相距200 m 和300 m 時，鐵路列車前照燈軌道中心處設置的感光元件測得的軸心照度為10.1 lx和6.4 lx，滿足規(guī)范的要求［15］。因此，后續(xù)研究中取此燈組作為模擬鐵路列車前照燈光源。

3.3 眩光分析

模擬的工況主要針對3 個對象，即路面平均亮度、路燈引起的等效光幕、鐵路列車前照燈引起的等效光幕。路面平均亮度Lav是光場的總體環(huán)境效應，以地面的光照強度進行計算。在梁體表面設置感光元件，打開所有路燈和一側鐵路列車前照燈，經(jīng)測算得到公路側的環(huán)境平均亮度Lav為2.5 cd·m-2。

根據(jù)司機的視線范圍建立感光元件，按光源類型（鐵路列車前照燈和環(huán)境路燈），分別提取點照度，并根據(jù)光源與視域夾角θ建立空間后處理程序。等效光幕亮度Lv的求解需考慮不同光源，本研究中主要考慮路燈眩光效應以及鐵路車頭燈的眩光效應。如圖4 a所示，計算后得到的路燈眩光閾值增量最大為2.5%，小于規(guī)范要求的10%?？紤]路燈影響時，眩光效應弱。

在考慮路燈影響的基礎上，確立鐵路列車前照燈對公路側司機影響的2 個工況。工況一，未安裝防眩措施時靠近隔離層的鐵路列車前照燈對相對行駛的汽車司機眩光影響測試工況，如圖5a所示；工況二，未安裝防眩措施時遠離隔離層的鐵路對相對行駛的汽車司機眩光影響測試工況，如圖5b所示。

上述2 個工況下，考慮規(guī)范的強制要求［16］和一般司機視域范圍［17］，在距離鐵路列車前照燈5、10、20、30、50、70、90、110、130 m 處設置感光元件，如圖5 所示。后處理后可得出鐵路列車前照燈的閾值增量。將路燈的閾值增量與鐵路列車前照燈的閾值增量疊加，總的閾值增量變化趨勢如圖6所示。

國內汽車靠右行駛為順向，而鐵路靠左行駛為順向，所以2 個工況下鐵路列車前照燈與汽車的橫向距離是一致的，如圖6 所示。從圖6 可以看出，在5～130 m的視距范圍內，隨著縱向距離的增大，視角變小，閾值增量隨之增大；隨著橫向距離變小，視角變小，光通量變大，閾值增量也隨之變大。列車行駛于靠近公鐵隔離層軌道時Ti最大為43%，列車行駛于遠離公鐵隔離層軌道時Ti最大為49%，2 個工況閾值增量均超過10%的限值。經(jīng)過插值計算，列車行駛于靠近公鐵隔離層軌道，在相距超過50.27 m時Ti首先大于10%，列車行駛于遠離公鐵隔離層軌道，在相距超過31.18 m時Ti首先大于10%；鐵路的設計時速為200 km·h-1，預留時速為250 km·h-1，公路的設計時速為80 km·h-1，在30.18 m 到130.00 m 的相對距離內，汽車司機將受到1.08～1.27 s 嚴重失能眩光的影響，需采取有效的防眩措施。

圖4 動態(tài)運行中失能眩光模擬Fig.4 Disability glare simulation in dynamic operation

圖5 模擬工況示意圖Fig.5 Schematic diagram of simulation conditions

圖6 無防眩措施時Ti與鐵路和汽車相對距離的關系Fig.6 Relationship between Tiand relative distance of railway and vehicles without glare-resistance measures

3.4 防眩措施設計

根據(jù)《公路交通安全設施設計規(guī)范》（JTGD81―2017）［16］規(guī)定，防眩設施直線路段遮光角不小于8°，平豎曲線路段遮光角為8°～15°。根據(jù)上述規(guī)定計算，考慮前照燈4°的發(fā)散角，當防眩板縱向間距為0.25 m 時，根據(jù)光線直線傳播計算得到的最小板寬僅為0.02 m。

軌頂平面高出公路平面0.7 m，在前照燈距軌道頂部1.5、2.5 m時分別模擬鐵路列車前照燈置于鐵路車頭中部和鐵路車頭頂部2 種情況，考慮司機視域和鐵路列車前照燈的布置高度范圍，將防眩網(wǎng)布置在距公路地面1.10 m 到3.30 m 之間。防眩措施距鐵軌最外緣橫向距離為2.0 m，滿足規(guī)范橫向距離大于1.5 m的要求［18］。公鐵近距離防?？紤]光漫射以及材料反射效應，防眩板寬度設為0.11 m，滿足最小板寬要求。防眩措施整體透風率大于90%，對桁架橋的氣動性能影響較小。

防眩措施由立柱和多片防眩網(wǎng)通過螺栓連接，如圖7 所示。對最不利工況進行分析，計算結果如圖8 所示。在防眩措施布置后，鐵路靠近公路側Ti有明顯波動，鐵路遠離公路側Ti則趨于穩(wěn)定，最終結果均小于10%。在2種不同鐵路列車前照燈布置情況下，防眩措施均滿足防眩要求。

圖7 防眩措施Fig.7 Glare-resistance measures

圖8 最不利工況下有防眩措施時Ti與鐵路列車前照燈布置位置的關系Fig.8 Relationship between Tiand the position of railway lamps under the most unfavorable condition with glare-resistance measures

4 結論與建議

（1）所提出的失能眩光分析流程及研究方法可廣泛應用于公鐵近距離并行布置時鐵路列車產(chǎn)生的眩光效應研究，對復雜交通環(huán)境下的公路駕乘人員眩光交通安全性評價具有重要參考價值。

（2）案例分析表明，在不設置防眩措施的情況下，鐵路列車前照燈會對公路一側造成嚴重的眩光影響，最大閾值增量可達49%。在公鐵相距130 m范圍內，公路一側會受到1.08～1.27 s 的失能眩光影響。因此，在公鐵近距離并行設計時，必須考慮鐵路列車產(chǎn)生的眩光效應對公路交通安全的影響。

（3）所提出的可裝配、立體化的防眩策略，可根據(jù)公路和鐵路相對高差進行安裝高度調整，使得鐵路列車前照燈多種布置形式下，閾值增量均顯著減小，滿足相關規(guī)范中小于10%的閾值增量設計要求。

作者貢獻聲明:

陳艾榮：整體思路構思、方法設計、論文審閱。

曹 哲：方法實現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析與整理、論文撰寫。

馬如進：論文審閱與提交、評審意見回復。

崔傳杰：論文審閱與修改。

涂輝招：參考數(shù)據(jù)的提供。