人工加速老化法的道路交通標(biāo)志反光膜逆反射系數(shù)衰減分析

任冠群、周浩

（湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

1 研究概況

1.1 研究背景

根據(jù)規(guī)范《道路交通反光膜》（GB/T 18833—2012）要求，反光膜的最高使用年限為10年，在使用過程中的維修與養(yǎng)護(hù)均沒有明確的指標(biāo)要求，我國高速公路與城市道路僅依靠長期以來積累的經(jīng)驗(yàn)來維護(hù)交通標(biāo)志，相應(yīng)的檢查評定規(guī)程也沒有統(tǒng)一的規(guī)定。這種做法造成大量無法達(dá)到使用要求的交通標(biāo)志得不到有效更換，造成極高的風(fēng)險(xiǎn)隱患，而有些使用效果依舊良好的交通標(biāo)志受到了過度維護(hù)，增加了不必要的財(cái)政負(fù)擔(dān)。

1.2 研究的目的和意義

道路交通反光膜是制作道路交通標(biāo)志牌的重要材料，對該材料的光特性研究是保證其使用效果的重要手段，對于反光膜逆反射系數(shù)衰減的預(yù)測是指導(dǎo)道路交通標(biāo)志板養(yǎng)護(hù)和更換的基礎(chǔ)。我國現(xiàn)使用的技術(shù)規(guī)范《道路交通反光膜》（GB/T 18833—2012）只規(guī)定了固定使用期限后逆反射系數(shù)的下限值，而對反光膜使用的整個(gè)過程中的衰變并沒有詳細(xì)說明，本文研究的主要目的在于得出反光膜（以美國3M 反光膜為例）逆反射系數(shù)衰減模型，分析道路交通標(biāo)志反光膜光度性能衰減規(guī)律，為標(biāo)志管養(yǎng)提供理論參考[1]。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對逆反射材料的研究起步相對較晚，開始于20 世紀(jì)90年代，在交通運(yùn)輸部實(shí)驗(yàn)場中，研究者將230 個(gè)不同生產(chǎn)廠家、不同規(guī)格的交通標(biāo)志樣本以一定角度露天放置，長期記錄交通標(biāo)志隨時(shí)間的變化情況，并用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬，得到了寶貴的第一手資料，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)[2]。

1.3.2 國外研究現(xiàn)狀

美國學(xué)者Black、Bischoff 等在美國各地設(shè)置反光膜試驗(yàn)區(qū)，對不同顏色、不同等級的反光膜進(jìn)行布設(shè)，得到相關(guān)數(shù)學(xué)模型[3]。

英國早2005年率先擯棄傳統(tǒng)的規(guī)范制定手段，不再以材料的結(jié)構(gòu)、工業(yè)制作方法和光學(xué)參數(shù)對交通標(biāo)志反光材料進(jìn)行分類，轉(zhuǎn)而從人的角度，以駕駛員為中心，對交通標(biāo)志的設(shè)置方式和制作技術(shù)進(jìn)行規(guī)范，這種變化更能體現(xiàn)人在交通中的主導(dǎo)地位，符合人的主觀感受[4]。

1.4 研究方法

采用RT-100A 逆反射測量標(biāo)準(zhǔn)裝置及美國RoadVista 932 便攜式逆反射系數(shù)測量儀，模擬自然環(huán)境，對美國3M 各顏色反光膜進(jìn)行人工加速老化，對逆反射系數(shù)進(jìn)行跟蹤觀測，利用觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析逆反射系數(shù)衰減曲線，再于同一時(shí)期，對不同顏色反光膜樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角變化檢測，得出旋轉(zhuǎn)角與逆反射系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。主要研究方法如下：

第一，選取時(shí)間作為自變量，標(biāo)志的逆反射系數(shù)作為應(yīng)變量。

第二，預(yù)測規(guī)律的擬合度高的模型類別。

第三，使用相關(guān)軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算。

第四，使用決定系數(shù)法確定反光膜逆反射系數(shù)衰減值的預(yù)測模型。

2 逆反系數(shù)衰減試驗(yàn)方法和步驟

2.1 測試設(shè)備

根據(jù)逆反射系數(shù)的測試原理，需要在光源、光接收器、樣品角度控制上選用相應(yīng)的設(shè)備，依托湖南省交通科學(xué)研究院有限公司試驗(yàn)室，此項(xiàng)研究采用設(shè)備規(guī)格如下：光源，CIE 準(zhǔn)直A 光源；色溫，2856K；光接收器，photo-2000 微光照度計(jì)；轉(zhuǎn)角系統(tǒng)，委托杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司定制轉(zhuǎn)角試驗(yàn)架；測試距離，30.48m（采用國外100 英尺標(biāo)準(zhǔn)測試距離）；配套計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)；人工老化試驗(yàn)箱；試樣。

2.2 測量角度

根據(jù)國標(biāo)《道路交通反光膜》（GB/T 18833—2012）要求，I～Ⅴ類反光膜觀測角取值為：0.2o、0.5o、1o，入射角取值為：-4o、15o、30o，Ⅵ、Ⅶ類反光膜觀測角無1o要求。對于駕駛者而言，在前進(jìn)過程中，觀察角會隨著空間位置變化而變化，一般車輛與被觀察物越近，觀察角也越大。車輛的型號大小，也影響觀察角的大小，同等觀測距離的情況下，通常越大的車輛，觀察角越大。逆反射光線在觀察角越大時(shí)，所觀測到的亮度也越低，在對交通標(biāo)志進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，會考慮一個(gè)最佳角度，滿足經(jīng)濟(jì)型要求的同時(shí)，還要使駕駛員能視認(rèn)清晰，并且有足夠的操控反應(yīng)時(shí)間[5]（見表1）。

表1 動態(tài)距離作用下各車型的觀測角

夜間道路行駛中，駕駛者首先會發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的交通標(biāo)志，但由于距離還較遠(yuǎn)，無法完全看清標(biāo)志內(nèi)容，隨著距離縮短，標(biāo)志逐漸進(jìn)入可識別區(qū)域后，駕駛者才開始閱讀并分析，隨后標(biāo)志距離與駕駛者進(jìn)一步縮短，直到看不到標(biāo)志內(nèi)容，標(biāo)志的作用也隨之結(jié)束。那么駕駛者從觀察到脫離觀察的這段距離就稱為觀察的有效距離，這段距離就是駕駛者觀察信息、做出分析、開始操控車輛的黃金距離。相關(guān)研究表明，在距離標(biāo)志150m 左右時(shí)，駕駛者識讀交通標(biāo)志信息比較順暢，此時(shí)開始閱讀，在距離標(biāo)志100m 左右時(shí)，駕駛者不再關(guān)注標(biāo)志的信息，識讀完畢。由此可見，交通標(biāo)志的關(guān)鍵識認(rèn)距離為100～150m，結(jié)合我國高速限速100km/h 或120km/h、跟車距離100m 的實(shí)際情況，該項(xiàng)研究將采用0.2o的觀測角，-4o的入射角。

2.3 人工加速老化方法

選取1800 小時(shí)的人工老化模擬36 個(gè)月的自然條件老化，試驗(yàn)中平均每老化48h 最少測試1 次逆反射系數(shù)。

2.4 結(jié)果計(jì)算

對每個(gè)老化周期試樣，反光膜的逆反射系數(shù)用公式（1）計(jì)算

式（1）中：RA——逆反射系數(shù)，cd.lx.m-2;

mb——背景讀數(shù);

m1——在觀測位置上逆反射式樣讀數(shù);

m2——試樣上垂直于光源的平均照度讀數(shù);

d——測試距離，m;

A——試樣面積，m2。

3 道路交通標(biāo)志反光膜逆反射系數(shù)衰減規(guī)律

3.1 數(shù)據(jù)采集

該項(xiàng)研究選取了美國3M 公司Ⅳ類白、綠、紅、藍(lán)、黃色反光膜，將反光膜剪裁成65×142mm 試樣，放置于老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行老化，老化箱中采用氙弧燈模擬自然光，周期性進(jìn)行噴水，定期對老化后的試樣進(jìn)行逆反射系數(shù)檢測，每個(gè)樣品檢測3 個(gè)點(diǎn)平均值作為逆反射系數(shù)取值，試驗(yàn)進(jìn)行91 天，最終每個(gè)樣品得到51組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以各顏色反光膜時(shí)間為橫坐標(biāo)、逆反射系數(shù)為縱坐標(biāo)繪制圖形，并選取一次函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)為模型分別進(jìn)行回歸分析，并計(jì)算決定系數(shù)來確定擬合度最高的模型類型。

3.2 逆反射系數(shù)衰減特征

通過數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可知反光膜隨著使用時(shí)間的增長其逆反射系數(shù)逐漸下降，且三次函數(shù)的決定系數(shù)較高，各顏色的函數(shù)模型如表2 所示。

表2 各顏色反光膜數(shù)學(xué)模型

3.3 預(yù)測結(jié)果分析

將該項(xiàng)研究結(jié)果與放置在北京的試驗(yàn)場內(nèi)的自然條件下逆反射系數(shù)衰減研究結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型均符合三次函數(shù)，區(qū)別在于該項(xiàng)研究的決定系數(shù)較高，逆反射系數(shù)的衰減規(guī)律更加有跡可循，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，自然條件下環(huán)境更加復(fù)雜，地理環(huán)境、氣候環(huán)境對交通標(biāo)志逆反射系數(shù)的影響較大，受到各種不可控因素的影響，實(shí)際情況中標(biāo)準(zhǔn)反射系數(shù)衰減離散性比較大，所以僅通過試驗(yàn)室下模擬一種可控環(huán)境得出規(guī)律收效并不盡如人意。

我國地域遼闊，山巒起伏，大河蜿蜒，經(jīng)緯度跨度大，存在各種不同的氣候條件，針對每種地理氣候情況來建立模型是不現(xiàn)實(shí)也是不科學(xué)的，在研究中單純地使用一種數(shù)學(xué)模型來對這種現(xiàn)象進(jìn)行歸納描述，其結(jié)果也必然不理想，但在一定程度上，數(shù)學(xué)模型可以反映出設(shè)置時(shí)間與逆反射系數(shù)衰減值之間存在的關(guān)聯(lián)。本文的研究方法得到的數(shù)學(xué)模型仍然可以反饋出交通標(biāo)志逆反射系數(shù)衰減的總體趨勢，對于交通道路設(shè)施管養(yǎng)部門具有一定的參考意義，同時(shí)也會對以后的類似研究有借鑒意義。

4 結(jié)論

4.1 主要研究成果

本文針對反光膜逆反射系數(shù)人工加速老化狀態(tài)下的衰減，采取試驗(yàn)的形式，采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行建模數(shù)學(xué)分析，取得以下研究成果：第一，闡述了交通標(biāo)志的組成以及逆反射系數(shù)的最低使用要求，結(jié)合反光膜的結(jié)構(gòu)，對逆反射的基本原理進(jìn)行了分析，利用現(xiàn)有儀器設(shè)備和相關(guān)規(guī)程規(guī)范，設(shè)計(jì)人工加速老化后逆反射系數(shù)衰減的測試方法。第二，經(jīng)過分析，得出Ⅳ類白、綠、黃、紅、藍(lán)色反光膜經(jīng)人工加速老化后逆反射系數(shù)衰減模型，預(yù)測反光膜的使用年限，并通過數(shù)學(xué)分析，揭示該方法的局限性，為后續(xù)研究提供參考。

4.2 展望

目前微棱鏡型逆反射材料的核心技術(shù)還掌握在美國3M、日本恩希愛等少數(shù)國外企業(yè)手中，受制于基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，我國的光學(xué)材料甚至是光學(xué)設(shè)備都嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國內(nèi)幾個(gè)大的光學(xué)儀器廠家也僅僅處在購買、模仿階段。我國汽車市場活躍，交通壓力逐年增加，安全問題日益凸顯，在國家強(qiáng)盛這條道路上，需要更多的人來投入到工業(yè)發(fā)展的短板上，以前仆后繼之勢將前路點(diǎn)綴得熠熠生輝。