基于Ecotect的T型交叉路口布燈方式仿真分析

姜 華,高 瓊,陳 述

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

0 引言

道路交叉因其承擔(dān)的交通轉(zhuǎn)換功能不同一般分為平面交叉和立體交叉。一般城市道路交互口不僅需要實現(xiàn)不同方向的交通流轉(zhuǎn)換，往往還承擔(dān)著行人過街的功能，其復(fù)雜的交通環(huán)境導(dǎo)致交叉口的安全影響因素眾多。其中，交叉口的燈光布置方案對交叉口的照明及夜間行車安全性起著決定性的作用。

國內(nèi)外有較多學(xué)者對交叉口及道路照明進行了系統(tǒng)研究[1-2]，并取得了一定代表性的成果，為提高照明效率及降低照明設(shè)備成本提供新的解決思路。高杰[3]對主干道照明工程中LED路燈的布置方式總結(jié)，通過計算路面照度和照明功率密度，提出了路燈的設(shè)計方法。郭燕萍[4]通過對林蔭道路照明計算仿真，根據(jù)改造后的道路照明進行對比檢驗，提出質(zhì)量評價指標(biāo)及節(jié)能照明方式。孫翠翠[5]通過多項Logit模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析了照明對駕駛員經(jīng)過交叉口時的車輛行駛特性的影響。張繼強[6]針對道路照明設(shè)計過程中光源選擇與道路等級問題，通過對各類光源特性做分析比較，提出了相對應(yīng)的解決方案。 薛保勇[7]為研究隧道內(nèi)布燈方式對隧道照明的影響，利用Ecotect照明仿真軟件建立隧道模型，模擬了路面照度、路面平均亮度和照度均勻度等參數(shù)，得到中央布燈方式照明效果最好的結(jié)論。王香童[8]從燈具類型選擇、控制方式對比、路燈智能開閉系統(tǒng)及智能光控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案等方面闡述了城市道路綠色照明工程的必要性。

本文選取城市道路中T型交叉口為研究對象，采用城市照明規(guī)范規(guī)定的路燈設(shè)置參數(shù)，利用Revit和Ecotect軟件對燈光布置方案進行仿真模擬，分析得到不同布燈方案下的照明強度，為T型交叉口照明設(shè)計提供一定的參考。

1 T型交叉口模型建立

依據(jù)城市道路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選用7+7 m的雙向四車道城市支路次干道為研究對象。Revit作為三維參數(shù)建模的基礎(chǔ)軟件，包含完整路面材質(zhì)數(shù)據(jù)；Ecotect為Autodesk平臺中的交互式分析軟件，可根據(jù)模型特定情況確定技術(shù)參數(shù)，在軟件中完成太陽輻射、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等分析。通過利用Revit與Ecotect中模型可以無縫銜接[9]的優(yōu)勢，在Revit中建立T型交叉路口，也方便后續(xù)仿真模型的進一步完善。T型交叉路口模型見圖1。

圖1 T型交叉口道路及燈光模型(單位：mm)

進行具體模擬分析時，道路有效寬度取14 m。依據(jù)《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45-2015)[10]，主要燈光設(shè)定參數(shù)見表1。

表1 道路路燈布置參數(shù)表Table 1 Road lamp layout parameter路幅寬度/m車道數(shù)規(guī)范照明標(biāo)準(zhǔn)值LAVUOEAVUE燈具類型燈具布置高度/m仰角/(°)燈具功率/W間距/m懸挑臂長/m7+740.750.4100.3半截光型1012100302.5

2 T型交叉口布燈方案

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45-2015)，常規(guī)照明燈具的布置可分為單側(cè)布置、雙側(cè)交錯布置、雙向?qū)ΨQ布置、中心對稱布置和橫向懸索布置5種。其中，T型交叉路口應(yīng)在道路盡端設(shè)置燈具，并能充分顯現(xiàn)道路的形式和結(jié)構(gòu)。依據(jù)上述原則并結(jié)合實際，本文采用雙側(cè)交錯布置、雙向?qū)ΨQ布置及中心對稱布置3種布燈方案，見圖2。

(a) 交錯式

交錯式布燈方式設(shè)計10盞，相互間隔30 m，高度10 m，在各車道的左轉(zhuǎn)車道盡端設(shè)立燈具。對稱式布燈方案設(shè)計12盞，相互間隔30 m，由于在T型中端未設(shè)置燈具，其道路盡端燈具需往終端靠近。中心對稱式設(shè)計方案與雙向?qū)ΨQ式相同，由于中心路緣石會占用少許道路面積，故建模時車道會往兩邊偏移。上述3種方案對應(yīng)的T型交叉口有效面積相等。通過后續(xù)仿真模擬，分析上述3種方案對T型交叉口照明區(qū)域的照明亮度，以獲得最優(yōu)布置方案。

3 不同布燈方式下的仿真模擬

為真實反映T型交叉口照明情況，在進行交叉口燈具建模時，綜合考慮規(guī)范要求和實際需求，選取固定100 W功率的照明燈具作為基本單元；通過改變燈具布設(shè)位置實現(xiàn)對3種布燈方案的仿真模擬。分析時選取T型交叉口各方向人行橫道中點及道路交叉口中點為數(shù)據(jù)采集點，具體位置見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集點布置方案

3.1 交錯式布燈方案分布場景

基于交叉口模型，交錯式布燈方案中燈具設(shè)置間隔30 m，取交錯中點為交錯點。由于路燈挑出長度2.5 m，安裝在于離道路路側(cè)0.5 m處，及在單幅路面中挑出2 m，安裝傾角為12°。單幅布置照明一個行車方向，得到的T型交叉口整副道路布燈模型見圖4。

選取路面照度為仿真分析對象，通過計算出全路面照度分布情況，得出圖5所示的照度圖。選取人行道一段作為考察平面，獲取該段的照明強度，以此進一步分析。

從交錯式布燈照明仿真結(jié)果可得到交叉口路面各點的照度值，各采集點照度值見表2。

(a) Revit 模型

圖5 交錯式布燈方案計算結(jié)果

表2 交錯式布燈方式采集點照度Table 2 Collecting point illumination by interlaced lighting采集點照度值/lx采集點照度值/lxa05.06a72.59a12.68a810.45a23.04a94.24a310.09a102.78a42.66a113.44a53.17a1210.33a63.12

3.2 對稱式布燈方案分布場景

根據(jù)對稱方式布燈要求，燈具間隔30 m，安裝在于離道路路側(cè)0.5 m處，及在單幅路面中挑出2 m，安裝傾角為12°，單幅布置照明一個行車方向，與交錯式不同點在于各路口處燈光布置應(yīng)更靠近人行道處，得到的T型交叉口整副道路布燈模型如圖6所示。

(a) Revit 模型

選取路面照度為仿真分析對象，通過計算出全路面照度分布情況，得出如圖7所示的照度圖，選取人行道一段作為考察平面，獲取該段的照明強度。

圖7 對稱式布燈方案計算結(jié)果

從對稱式布燈照明仿真結(jié)果中可直接看出交叉口路面各點的照度值，各采集點照度值如表3所示。

3.3 中心對稱式布燈方案分布場景

根據(jù)交錯式布燈要求，燈具間隔30 m，安裝傾角為12°，各路段中添加寬度為1 m的分割帶，雙向道路向兩邊偏移0.5 m，安裝在分割帶離道路路側(cè)0.5 m處，及在單幅路面中挑出2 m，中心布

表3 交錯式布燈方式采集點照度Table 3 Collecting point illumination by interlaced lighting采集點照度值/lx采集點照度值/lxa02.42a79.06a15.01a89.05a25.17a96.09a39.21a105.04a49.12a119.18a56.26a129.56a66.14

置照明整個行車方向，得到的T型交叉口整副道路布燈模型如圖8所示。

(a) Revit 模型

選取路面照度為仿真分析對象，通過計算出全路面照度分布情況，得出如圖9所示的照度圖，選取人行道一段作為考察平面，獲取該段的照明強度。

圖9 中心對稱式布燈方案計算結(jié)果

從中心對稱式布燈照明仿真結(jié)果中可直接看出交叉口路面各點的照度值，各采集點照度值如表4所示。

表4 交錯式布燈方式采集點照度Table 4 Collecting point illumination by interlaced lighting采集點照度值/lx采集點照度值/lxa02.75a713.97a17.16a813.45a26.98a97.12a314.30a106.84a414.56a1114.11a57.18a1214.32a67.22

4 仿真結(jié)果分析

通過對交錯式、對稱式及中心對稱方式的布燈照明仿真，得到3種方案的路面各點照度值。為了準(zhǔn)確反映照明效果，還需要考慮路面平均亮度和照度均勻度等參數(shù)大小，路面照度與路面平均亮度公式換算如式(1)所示。

(1)

式中:LAV為路面平均亮度，Li為照明區(qū)域內(nèi)各點照度值，n為照度點數(shù)量，照度均勻度為路面最小照度與路面平均照度的比值，其平均照度Ecotect可直接計算得出，最終結(jié)果整理見表5。

表5 3種布燈方案照明效果比較Table 5 Comparison of lighting effects of three lighting schemes人行道平均照度/lx路面平均亮度/lx照度均勻度路面最大照度/lx路面最小照度/lx交錯式布燈4.234.030.4412.661.86對稱式布燈5.124.820.3214.571.63中心對稱式布燈5.475.230.1122.760.6規(guī)范推薦值31.500.4201.5

由表5可知，兩種對稱式布燈方案路面平均亮度及路面最大照度均大于交錯式，原因在于對稱式方案比交錯式多放置兩盞，且對稱式照度相對集中，具有燈光疊加效應(yīng)，因此交錯式布燈照度均勻度大于對稱式。交錯式路面最小照度出現(xiàn)在T型交叉口頂部尾端；對稱式路面最小照度出現(xiàn)在同向路燈布置中心位置；中心對稱式路面最小照度出現(xiàn)在同向靠邊緣路燈中心位置。

通過對3種方案照明效果比較外，還需考慮3種方案各個標(biāo)記點位置照度比較，T型交叉口中心區(qū)域的照度，可以反映駕駛員過彎及通過人行道安全情況，3種方案標(biāo)記點對比圖如圖10所示。

圖10 3種方案數(shù)據(jù)采集點對比圖

從圖10可知，在a0點(T型交叉口中心位置)交錯式方案照度大于對稱式，因此駕駛員在過中心點時其視野較好，但a1、a6及a10點人行道照明效果較弱；對稱式及中心對稱式布燈方案各人行道照度均大于交錯式，可提高行人過人行道安全系數(shù)，但是由于過a0點照度不足3 lx，駕駛員在直行和過彎中可能會出現(xiàn)炫光效應(yīng)；中心對稱式各點照度值較高，過a0點照度3 lx，但與a1及a10點照明數(shù)值相差較大，也可能會出現(xiàn)炫光效應(yīng)，圖中a2、及a9照度值比相鄰a1及a10照度略大，原因是與a5及a6點燈光有疊加效應(yīng)。考慮需在路段中心建立路緣石等燈光布置設(shè)施，經(jīng)濟成本較大。

5 結(jié)論

基于Ecotect對3種布燈方案的仿真模擬，從路面照度、平均亮度及均勻度3參數(shù)分析不同布燈方案對T型交叉口區(qū)域的照明影響，得出：

a.通過定量比較，3種布燈方案中，交錯式在兩處人行道上沒有達到規(guī)范規(guī)定值，其余基本滿足要求，建議在道路開始端及終端增加燈光光強；對稱式結(jié)果總體較好，但能耗較高；其中中心對稱式雖然各標(biāo)記點數(shù)值大于交錯式和對稱式，但在能耗及經(jīng)濟效益評價中最差。

b.根據(jù)采集點數(shù)據(jù)結(jié)果，無論采取哪種布燈方案，建議在T型交叉口端部的中心設(shè)置一處路燈，能有效防止可能出現(xiàn)的眩光效應(yīng)，以保證交叉口的路面照度及駕駛員視野需求。

c.本文暫只考慮了規(guī)范中普通布燈方式的3種方案，未涉及逆光、順光及橫向旋索布燈方案的考慮，這也是今后下一步城市交叉口道路照明仿真研究的重點。