市政立交橋高桿照明燈具失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

摘 要：失能眩光會(huì)影響駕駛?cè)藛T的視覺感受，造成判斷錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致交通安全事故。為了預(yù)防該問題，本文以市政立交橋常用的高桿照明燈具為分析對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)有的眩光理論，探究高桿照明燈具失能眩光的評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括閾值增量和眩光值，同時(shí)介紹了2個(gè)指標(biāo)的理論計(jì)算方法，可為該場(chǎng)景下的失能眩光評(píng)價(jià)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：立交橋高桿照明燈具；失能眩光；評(píng)價(jià)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TU 113" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高桿照明具有光照半徑大、單位面積內(nèi)燈具需求量少等優(yōu)點(diǎn)，是立交橋照明設(shè)施的常用設(shè)計(jì)方案。失能眩光是照明燈具在應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的不利因素，為了應(yīng)對(duì)該問題，應(yīng)結(jié)合立交橋的實(shí)際場(chǎng)景，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在理論層面對(duì)其進(jìn)行預(yù)防。

1 立交橋高桿照明分析

高桿照明燈具的照明半徑通?？蛇_(dá)數(shù)百米，能夠覆蓋較大的照明范圍，減少立交橋上照明燈具的數(shù)量，同時(shí)能提供較高的照度，是立交橋照明燈具的主要選擇。高桿照明的特點(diǎn)如下。

1.1 高桿照明的分類

根據(jù)燈桿的高度，可將高桿照明分為2類，包括半高桿和高桿2種，前者的燈桿高度通常為16m～18m，主要應(yīng)用于中小型立交橋，其照射半徑相對(duì)較小，燈具的照明功率多為400W以內(nèi)。將燈桿高度記為H，高桿照明是指20m≤H≤45m的照明燈具，一般情況下不超過45m，其應(yīng)用場(chǎng)景包括大型立交橋、大型交通路口等，燈具的照明功率多為400W～2000W。

1.2 投光特點(diǎn)分析

高桿照明燈具常見的投光方式包括3種，分別為單側(cè)方向投光、半圓周形投光和圓周形投光。單側(cè)方向投光具有明確的指向性，光束較集中。半圓周形投光的照射范圍呈扇形或半圓周形。圓周形投光以燈具為幾何中心，均勻地向四周投射光線。

1.3 照明計(jì)算方法

選擇立交橋的照明燈具時(shí)，應(yīng)以理論計(jì)算的結(jié)果為依據(jù)，保證照度滿足要求，同時(shí)具有節(jié)能性。將立交橋道路的平均照度記為Eav，則該指標(biāo)的計(jì)算方法如公式（1）所示。

（1）

式中：N為路燈的排列方式，如果路燈在道路兩側(cè)相對(duì)排列，則N的取值為2.0，如果路燈在道路一側(cè)或者在兩側(cè)交錯(cuò)布置，則N的取值為1.0[1]；φ為光源的總光通量；U為光源的利用系數(shù)，由燈具制造廠家提供；K為燈具的維護(hù)系數(shù)，根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ45—2006），參數(shù)K的取值方法見表1；S為路燈燈桿的間距；W為道路的寬度。

2 關(guān)于眩光的基本理論

2.1 高桿照明的眩光問題描述

眩光是一種不利的交通因素。駕駛員受眩光影響，可能會(huì)出現(xiàn)視覺誤判，進(jìn)而發(fā)生交通事故。眩光在本質(zhì)上是一種視覺感受，其形成原因包括2種，其一是照明光線不穩(wěn)定，變化幅度較大[2]；其二是光線在路面上分布不均勻。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，眩光的產(chǎn)生與光線對(duì)人眼的入射角度存在密切聯(lián)系，具體見表2。

2.2 眩光的分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)眩光對(duì)人體視覺感受的影響，可將眩光分為3種類型。第一種為不舒適眩光，其危害相對(duì)較低，對(duì)視覺的干擾性較小。第二種為失能眩光，其原理是眩光源發(fā)射光線，在人的視網(wǎng)膜上形成影像，干擾人對(duì)目標(biāo)物的判斷，常見的問題是產(chǎn)生影像重疊。第三種眩光為目盲眩光，可導(dǎo)致暫時(shí)性失明，甚至永久性失明。在立交橋的交通管理中，重點(diǎn)控制對(duì)象是失能眩光。

3 高桿照明燈具失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 眩光評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

3.1.1 視覺舒適概率評(píng)價(jià)法

視覺舒適概率（Visual Comfort Probability，VCP）是評(píng)價(jià)不舒適眩光的重要指標(biāo)。當(dāng)VCPgt;70時(shí)，即認(rèn)為產(chǎn)生了不舒適眩光，具體評(píng)價(jià)方法包括3個(gè)步驟。第一步是評(píng)價(jià)單個(gè)光源造成的不舒適度，其影響因素包括該光源的位置、表面積、亮度及其在視野內(nèi)產(chǎn)生的平均亮度；第二步是評(píng)價(jià)多個(gè)光源共同作用時(shí)對(duì)視覺產(chǎn)生的不舒適感；第三步是確定視覺舒適程度，其決定性因素是觀察者對(duì)不舒適眩光的接受程度。

3.1.2 亮度限制曲線評(píng)價(jià)法

亮度限制曲線評(píng)價(jià)方法基于人的視覺試驗(yàn)。在具體實(shí)施過程中，該方法需要搭建專門的眩光試驗(yàn)環(huán)境，由觀察者對(duì)眩光的感受做出評(píng)價(jià)，形成量化的評(píng)價(jià)數(shù)值，再將其繪制成曲線，對(duì)眩光進(jìn)行限制。

3.2 失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2.1 閾值增量

閾值增量（Threshold Increment，TI）用于度量失能眩光。當(dāng)環(huán)境中存在眩光源時(shí)，為了能夠看清楚物體，需要在環(huán)境背景或物體所在的位置增加亮度，將所增加亮度的百分比稱為閾值增量[3]。

3.2.2 眩光值

國(guó)際照明委員會(huì)提出了一種眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)，稱為統(tǒng)一眩光值（Unified Glare Rating，UGR），用于度量室內(nèi)視覺環(huán)境中照明裝置發(fā)出的光對(duì)人眼引起的不舒適感。但該指標(biāo)主要應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，不能滿足立交橋的眩光環(huán)境。針對(duì)室外環(huán)境，該委員會(huì)提出了眩光值評(píng)價(jià)指標(biāo)，其含義為燈具產(chǎn)生的亮度/照射場(chǎng)地的亮度，國(guó)內(nèi)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)吸收了這一理念，具體可參考《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034—2013）。

3.3 失能眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法

3.3.1 閾值增量的計(jì)算方法

3.3.1.1 計(jì)算等效光幕亮度

等效光幕亮度與雜散光密切相關(guān)，當(dāng)雜散光作用于人的視網(wǎng)膜時(shí)，會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜上圖像的對(duì)比度下降，進(jìn)而影響視覺效果。該參數(shù)的計(jì)算方法如公式（2）所示。

（2）

式中：K'為一個(gè)常數(shù)；Lv為等效光幕亮度值；Egl為眩光源對(duì)觀察者眼睛視線平面所產(chǎn)生的照度；θ為視線與光源發(fā)出的光線所形成的夾角，且1.5°lt;θlt;60°，轉(zhuǎn)化為弧度時(shí)，有0.025lt;θlt;1。

實(shí)際照明場(chǎng)景中可能存在多個(gè)光源，此時(shí)應(yīng)計(jì)算出各光源相互疊加所形成的等效光幕亮度，計(jì)算方法如公式（3）所示。

Lv，total=∑Lvi （3）

式中：Lvi是第i個(gè)光源的等效光幕亮度值[4]。

在立交橋高桿照明燈具失能眩光評(píng)價(jià)中，需要注意以下幾點(diǎn)。1）計(jì)算參數(shù)Lv時(shí)，將觀察點(diǎn)設(shè)置在靠近道路右側(cè)1/4寬度處，以模擬駕駛員的位置。2）為了排除地面低矮光源對(duì)眩光源相關(guān)計(jì)算的影響，計(jì)算時(shí)可假定汽車頂部遮光屏與駕駛員的視線為20°。3）改變觀察者的位置，計(jì)算其在各位置上的Lv值，在TI值的計(jì)算中，取其中最大的Lv。

3.3.1.2 計(jì)算閾值增量

TI的計(jì)算方法與等效光幕亮度、道路平均路面亮度密切相關(guān)，其計(jì)算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：Lav為路面的平均亮度值；Lv，total為所有相關(guān)光源的等效光幕亮度，并且有Lv，total=ΣLvi。

3.3.2 TI值相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法

在TI的計(jì)算過程中，需要嚴(yán)格控制各相關(guān)參數(shù)的計(jì)算精度。根據(jù)觀察者的身高和所在的位置確定其眼睛的坐標(biāo)值，記為（X0，Y0，Z0），再確定燈具的位置，記為（XL，YL，ZL），由此計(jì)算出觀察者和燈具的相對(duì)距離。Egl是TI計(jì)算時(shí)的重要參數(shù)，其計(jì)算方法如公式（5）所示。

（5）

式中：I表示燈具的發(fā)光強(qiáng)度，其決定因素為C和γ，這2個(gè)參數(shù)用于確定燈具在特定方向上的發(fā)光強(qiáng)度；LO表示觀察者的研究與燈具的直線距離。

可根據(jù)LO坐標(biāo)值計(jì)算出該參數(shù)的取值。其中，參數(shù)C=arctan[（Y0-YL）/（XL-X0）]，參數(shù)γ的計(jì)算方法如公式（6）所示。

（6）

計(jì)算參數(shù)LO時(shí)，由于人眼和燈具的實(shí)際坐標(biāo)為已知量，因此可得LO2=（XL-X0）2+（YL-Y0）2+（ZL-Z0）2，對(duì)等式右邊開平方即可求出LO[5]。關(guān)于參數(shù)θ，其計(jì)算方法為θ=arccos[（P+Q-R）/2（P×Q）1/2]，并且有P=（XL-X0）2+（YL-Y0）2+（ZL-Z0）2，Q=（Z0）2/（sin1°）2，R=（XL-X0-1.5/tan1°）2+（YL-Y0）2+（ZL）2。燈具的遮光屏可用于調(diào)節(jié)光線的角度，將遮光屏的角度記為S，則S=arctan|（ZL-Z0）/（XL-X0）|。

3.3.3 眩光值的計(jì)算方法

3.3.3.1 眩光值與眩光控制標(biāo)志

眩光值用于表征人對(duì)眩光的視覺感受，該指標(biāo)越小，人的可接受程度就越高。眩光值與眩光控制標(biāo)志（GF）間存在明確的數(shù)學(xué)關(guān)系，具體可表示為GR=（10-GF）×10，GR的計(jì)算結(jié)果與人的忍受程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

3.3.3.2 眩光值的適用范圍分析

使用眩光值這一指標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中的場(chǎng)景，明確其適用范圍。立交橋?yàn)榻煌ㄔO(shè)施，車輛行駛速度較快，人眼和高桿照明燈具間的位置不斷變化，因此GR值的使用應(yīng)滿足以下條件。1）觀察者的觀看方向不固定，處于變化狀態(tài)。2）光源的布置方式對(duì)眩光值的影響較低，可支持光源的非線性布置方式。3）燈具的安裝高度和照明水平都較高。

3.3.3.3 眩光值的計(jì)算方法

眩光值的計(jì)算方法與等效光幕亮度有直接關(guān)系，其計(jì)算過程如公式（7）所示。

GR=27+24lg[Lv1/（Lve）0.9] （7）

式中：Lv1為高桿照明燈具的光線射入人眼時(shí)產(chǎn)生的等效光幕亮度；Lve為光線受環(huán)境的反射作用，射入人眼之后，產(chǎn)生的等效光幕亮度。

根據(jù)國(guó)內(nèi)計(jì)算規(guī)范，Lve=0.035Lav=Ehorav·ρ/（πΩ0）。其中Lav表示可觀察的水平照射場(chǎng)地的平均亮度；Ehorav表示照射場(chǎng)地的平均水平照度；ρ為漫反射作用中區(qū)域的反射比；Ω0為1個(gè)單位立體角。參數(shù)Lv1的計(jì)算過程如公式（8）所示。

（8）

式中：Eeyei表示第i個(gè)光源在觀察者眼睛上的照度，并且要求該照度分布在與視線相垂直的平面上；n表示光源的總數(shù)量；θi表示觀察者視線與第i個(gè)光源的入射光線的夾角，要求θi的取值為1.5°～60°。

將特定環(huán)境內(nèi)的等效光幕亮度記為L(zhǎng)ve，假設(shè)該照射區(qū)域內(nèi)存在若干個(gè)點(diǎn)光源，通過公式（8）可求出每個(gè)點(diǎn)光源的等效光幕亮度，再對(duì)點(diǎn)光源的等效光幕亮度進(jìn)行求和，即可獲得Lve。在實(shí)際應(yīng)用中，可采取一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，即Lve=0.035Lav，Lav=ρ·Ehav·π-1，其中將區(qū)域漫反射的反射比記為ρ，水平區(qū)域的平均照度為Ehav。

3.3.3.4 眩光值的仿真計(jì)算方法

由于眩光值的計(jì)算對(duì)各參數(shù)的精度要求較高，在工程實(shí)踐中常利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，以減少人工計(jì)算方法的誤差。在仿真計(jì)算中，可將照明空間劃分成網(wǎng)格，計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)格計(jì)算觀察者與高桿照明燈具間的距離。網(wǎng)格應(yīng)盡可能采用正方形，如果正方形不能滿足要求，也可采用矩形，如果為后者，矩形的長(zhǎng)寬比應(yīng)控制在0.5～2.0。網(wǎng)格單元的最大尺寸可按照公式（9）進(jìn)行計(jì)算。

p=0.2·5logd （9）

式中：d為仿真區(qū)域的長(zhǎng)邊尺寸；p為網(wǎng)格的單元尺寸。

在仿真計(jì)算中，每個(gè)網(wǎng)格可代表一個(gè)觀察者的位置，由此能夠系統(tǒng)地計(jì)算出每一個(gè)觀察點(diǎn)上的眩光值。

4 典型立交橋高桿照明燈具失能眩光計(jì)算機(jī)模擬

4.1 立交橋及高桿燈具概況

某立交橋及其高桿照明燈具設(shè)計(jì)方案如圖1所示，共包括11個(gè)高桿照明燈具，其高度分為3種規(guī)格，分別為40m、30m和25m。3種燈具均采用鈉燈光源，照明功率分別為1000W、400W、400W，所有燈具的仰角均設(shè)置為60°。

4.2 失能眩光計(jì)算機(jī)模擬

4.2.1 眩光值計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算

眩光值的計(jì)算結(jié)果與觀察者所在位置密切相關(guān)。在計(jì)算機(jī)模擬中，根據(jù)該立交橋的特點(diǎn)，選取5個(gè)典型觀測(cè)點(diǎn)，再運(yùn)用DIALux軟件模擬計(jì)算不同觀測(cè)點(diǎn)的眩光值。不同觀測(cè)條件下GR值的最小值和最大值見表4，根據(jù)表3可確定對(duì)應(yīng)的視覺感受。

4.2.2 閾值增量計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算

在TI值的計(jì)算中，觀察者和燈具中心的坐標(biāo)點(diǎn)是關(guān)鍵參數(shù)。主線、跨線、橋區(qū)入口、左轉(zhuǎn)匝道和右線匝道觀察者具有不同的位置坐標(biāo)，以主線觀察者為例，其坐標(biāo)為（5.000，

-210.000，5.500）。高桿燈具的數(shù)量為12個(gè)，以燈具1為例，其坐標(biāo)為（90.00，90.00，40.00）。根據(jù)TI值的計(jì)算原理，分別計(jì)算出參數(shù)C、γ、θ和Egl等參數(shù)。將主線觀察者作為TI計(jì)算的示例，12個(gè)燈具的Lv計(jì)算結(jié)果分別為0.029、0.034、0.007、0.036、0.409、0.004、0.002、2.295、0.001、0.001，由此可計(jì)算出LV，total=2.818。利用模擬軟件計(jì)算出Lav=8.16cd/m2，則該觀察者對(duì)應(yīng)的TI=65×2.818÷8.160.8=32.7%。

5 評(píng)價(jià)指標(biāo)的局限性分析

TI值的計(jì)算適用于規(guī)則排列的燈具，如果燈具分布不規(guī)則，難以保證結(jié)果的可靠性。立交橋通的設(shè)計(jì)方案具有多樣化特點(diǎn)，既有規(guī)則的路段，也存在不規(guī)則的路段，如果是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的立交橋，其高桿照明燈具的排列方式往往具有不規(guī)則性，會(huì)制約閾值增量評(píng)價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用效果。眩光值原本的應(yīng)用場(chǎng)景是較大的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)或者區(qū)域，立交橋基本能夠滿足其使用要求，但車輛行駛速度較快，當(dāng)時(shí)速超過60km時(shí)，駕駛員的快速移動(dòng)是否會(huì)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用，這一問題尚未明確，還需要做進(jìn)一步研究。

6 結(jié)語

在市政立交橋高桿照明燈具失能眩光評(píng)價(jià)過程中，可借鑒已有的評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括閾值增量TI和眩光值GR，通過理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算等方法，求出評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值，再根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判斷高桿燈具是否會(huì)引起失能眩光和可能發(fā)生失能眩光的位置。

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