中美道路照明標準及測試方法的解析

孟令濤 鄒念育 賀曉陽 曹冠英 楊軼 李德勝 張競輝

(大連工業大學 光子學研究所，遼寧 大連 116034)

1 引言

道路照明為機動車駕駛人員創造良好的視覺環境，以求達到保障交通安全、提高交通運輸效率、降低犯罪活動和美化城市夜晚環境的效果［1］。道路照明的設置還有助于創造舒適宜人的夜晚環境氛圍［2］。此外，優良的道路照明設施也是城市形象和人文修養的重要表現之一［3］。道路照明評價標準是評價城市照明設施好與壞的主要依據，科學和詳細的道路照明標準可以客觀真實的反映道路照明設施的質量。而道路照明測試方法則是評價與檢驗道路照明設施的照明效果是否達標的主要手段。本文之所以重點以中美兩國的測試標準為參考基礎，是因為美國的道路照明工程發展比較早，其標準和測試方法參照了國際照明委員會 (CIE)的有關規定，而且美國的地理位置和氣候條件與我國相似，因此研究和解析中美兩國的道路照明標準及測試方法，對我國道路照明的開展與檢測有實際價值。

2 中美道路照明標準的解析

中國道路照明標準和美國道路照明標準對照明評價參數都作出了詳細的規定，本文對其進行了詳細的解析和比較，如表1所示。

表1 中美道路照明標準參數的比較［3～13］

我國根據使用功能和車流量的大小，將城市道路照明按快速路與主干路、次干路、支路分為三級［7］。美國在道路分級上將高速公路照明納入該國的道路照明標準，將道路照明按A類高速公路、B類高速公路、快速路與主干路、次干路、支路分為五級［7］，而在我國，高速公路一般歸交通運輸部系統管理，高速公路照明標準需另見交通部制訂的標準。

我國的平均亮度值和照度值規定了高檔和低檔兩個值，在選定照明標準值時，應考慮城市的性質和規模，中小城市和車流量較小的道路以及交通控制系統和道路分隔設施完善的道路可選擇標準中的低檔值［7］，而大城市和車流量大的道路應該選擇標準中的高檔值，這是我國標準的科學精確之處，既滿足了不同道路的照明功能，又節約了能源。因此，平均亮度的高低擋值規定應該繼續保留在我國標準中。

美國標準根據道路表面反射系數的不同和車流人流的大小，把每個分級道路的平均照度標準值規定為三個值或三個范圍。而我國標準直接給出的平均照度僅適用于瀝青路面，水泥混凝土路面對應的平均照度值可相應降低約30%，這一數值是根據該標準附錄A給出的水泥混凝土路面的簡化亮度系數表算出的。同時，在我國標準中，平均照度標準值只適用于干燥路面，沒有考慮到雨雪等天氣的濕滑路面的情況，，我國應該將平均照度值的范圍擴大，把雨雪天氣因素納入到標準當中，進一步完善我國平均照度的標準值。而美國標準存在同樣的問題［10］

中美兩國在眩光限制標準值方面也存在差異。在各個級別的道路上，我國和CIE一致，采用閾值增量的評價方法，而美國的標準采用光幕亮度比的評價方法［13］。兩國的評價方法不同，但是都有其科學性和合理性。

3 道路照明測試方法的解析

道路照明測試方法是測試和檢驗道路照明設施照明效果的主要手段，也是評價照明質量的主要依據［7］。因此，解析中美兩國道路照明測試方法，對我國照明質量的提高有重要的意義。

3.1 照度測試方法的解析

中美兩國的照度測試方法基本一致，根據測量點的選擇方式的不同，兩國道路照明照度測量的布點方法都采用四點法和中心法兩種。如圖1示，四點法是把同一側兩燈柱間的測量路段分成若干個大小相等的矩形網格，把測點設置在每個矩形網格的四角。如圖2示，中心法是把同一側兩燈柱間的測量路段劃分成若干個大小相等的矩形網格，把測點設在網格中心。

圖1 四點法示意圖 (圖中圓點為測量點)

四點法的平均照度計算:若M為縱方向劃分的網格數，N為橫方向劃分的網格數，則被測區域的總網格數為 M×N(本文中的 M和 N的值以4×4為例)。網格的劃分方法和數量在我國標準GB/T 5700－2008《照明測量方法》已有規定，而平均照度為 Eav，

其中:E0為圖一中測量區4個角處測點的照度;E1為圖一中除4個角處4條外邊上測點的照度;E2為圖一中測量區4個外邊以內測點的照度。

圖2 中心法示意圖 (圖中的圓點為測量點)

而中心布點法的平均照度計算公式為，

其中，Eav為平均照度值，E0為圖二中各個測量點測量的照度值。

本文既考慮到某些數值的特殊性，又考慮到計算的整體性，而采用了式 (3)所示的加權平均算法，該公式將測量區域歸納為三類，第一類是四個燈桿正下方的位置;第二類是兩燈桿中心位置;第三類是為除前兩類之外的位置。第一類型測量區域(四個燈桿正下方的位置)的測量點 E0的點數最少，也是司機使用頻率最少的區域，將其乘以系數1，第二類型測量區域 (兩燈桿中心位置)的測量點E2是司機使用頻率最多的區域，將其乘以系數4，第三類型區域中測試點E1的使用頻率介于第一類和第二類之間。將其乘以系數2，并且考慮到布點區域 (M和N)，M為橫向網格數，N為縱向網格數。進而根據公式 (3)計算獲得的平均照度值。綜上所述，在測試區域相同的條件下，本文有效地避免了傳統四布點測試方法中機動車道測量點與人行道測量點相重合的問題，并且計算的平均照度值更加精確［14］。其改進的公式為，

3.2 亮度測試方法的比較

首先，選擇亮度測量路段應該考慮的因素也較多，選擇測量地段時，應從燈具的間距、高度、懸挑、仰角等的安裝規整性及光源的一致性等方面選擇有代表性的路段［15～18］。亮度測量范圍在道路縱向應為從一根燈桿起100m距離以內的區域，至少應包括同一側兩根燈桿之間的區域;對于交錯布燈，應為觀測方向左側燈丁開始的兩根燈桿之間的區域。在道路橫向應為整條路寬。亮度計的觀測點高度應距路面1.5m，亮度計的觀測點的縱向位置應距第一排測量點為60m。亮度測點的布置方法也詳見國標GB/T 5700－2008，這里不再贅述。在美國RP－8－00《道路照明》附錄 A之A9中也規定了路面亮度測量方法，其布點方法和我國的方法略有不同，但這還不是最主要的，主要差別在于其規定亮度計的高度為1.45m，且亮度計 (觀測者)隨著測試點平行于道路移動，始終保持1°視線，與測點縱向距離為83m。我國的測量標準和CIE保持一致，而對于美國標準我們無從評價。

測量高度的一致性需三角架來控制。平均亮度的值是設定的點上測得的各點亮度的平均值，它是衡量照明效果的主要參數。路面亮度總均勻度為路面上最小亮度與平均亮度的比值。路面亮度縱向均勻度是同一條車道中心線上最小亮度與最大亮度的比值［18－20］。

3.3 亮度測試和照度測試的關系

評價機動車道路照明的質量，是從機動車駕駛者角度來衡量，考慮其視覺的功能和舒適性兩個方面。概括而言，主要指道路的平均亮度、亮度的均勻度，對使用者產生的眩光控制水平等。雖然依據亮度建立標準比依據照度建立標準科學合理。但是如果要檢查或核對亮度的設計是否符合實際 (或符合規范、標準)，也可通過測量照度來進行，即如果照度的設計值和實測值是符合的話，則亮度的設計值和實際值也會符合。當然，這是以路面的反光性能接近設計時所依據的數值為前提的。由于測量亮度需要亮度計，實際測量工作也比較費時費力，而測量照度的方法要簡單方便得多，照度計的使用和攜帶也比亮度計方便，因此，沒有條件進行亮度測量的地方，不但不能放棄反而要重視照度測量。

綜上所述，美國制定的照度和亮度相互補充的照明標準和測量方法是可取的。目前，我國也采用了照度和亮度兩套標準。

3.4 眩光的限制方法

目前，中美兩國眩光的限制方法主要有兩個方面，即失能眩光和不舒適眩光，失能眩光損害眼睛看物體的能力，直接影響到駕駛員察覺路面情況的可靠性;不舒適眩光通常會引起視覺上的不舒服或疲勞。

失能眩光的限制值，我國規定了閾值增量(TI)的范圍。閾值增量是將平均路面亮度作為背景亮度，當背景亮度范圍為0.005cd/m2＜Lb＜5cd/m2時，TI的計算公式近似為下式，

其中，TI是相對閾值增量 (%)，Lv是等效光幕亮度，Lav為平均路面亮度，而等光效光幕亮度的計算方法式 (5)

其中，Lv為等效光幕亮度，Eeye為眩光源在觀察者眼睛上 (位于垂直于視線的平面上)所產生的照度，θ為視線與眩光源入射方向之間的夾角，K為比例常數，當θ以度為單位時，K=10，當θ以弧度為單位時，K=3×10－3。在實際情況中，視場中會出現多個眩光源，此時總的等效光幕亮度是每個眩光源所產生的等效光幕亮度之和。

美國的失能眩光限制則是采用根據式 (6)計算得到的光幕亮度比Lvmax/Lavg來評價的。

式中 Lv=一個燈具產生的光幕亮度 ;K=10×在25歲觀察者眼睛平面上產生的垂直照度 ;θ=以度為單位的角度。Lavg為路面平均亮度

請注意，式 (5)和式 (6)還是有一些差別的

目前，LED路燈大范圍應用于道路照明，其低能耗、高亮度、壽命長等優點已經得到廣泛的認可。然而如果高亮度的LED路燈布燈不合理，就會也會造成比傳統光源更強的眩光。因此，眩光的限制應該進一步加以重視。

3.5 討論及建議

LED作為一種新型光源，與傳統光源相比具有很多優點，例如體積小、重量輕、節省空間、光譜范圍廣、易于設計、能耗低等。而且可靠性好、壽命長，有著廣闊的發展前景。表2可顯現出LED路燈相對傳統高壓鈉路燈具有的優勢。目前，為了引導我國半導體照明應用的健康和快速發展，科技部啟動了“十城萬盞”半導體照明應用工程。由于LED自身的優勢和國家的大力倡導，LED取代傳統光源的進程勢必加快。因此，我國照明標準是否應該針對LED隨之有所增補和完善。雖然與傳統光源相比LED具有很多優勢，但是作為道路照明，仍然還存在一些技術上的問題急需要解決。與普通的高壓鈉燈或金鹵燈相比，雖然LED光源發光角度較小，有效照射面的亮度更大，方向感強，在局部照明上有優勢，然而將其應用到道路照明后，每根路燈燈桿之間都有規定的距離，由于每支光源發光角度小，光線比較集中，就導致了兩個燈桿之間部分的亮度明顯暗于燈下，這也就是通常所說的“斑馬線”，其對于路面照明來說是非常不利的，容易引發安全事故。因此LED路燈在亮度均勻度和照度均勻度方面還有待提高。

表2 LED 路燈和高壓鈉燈的對比

作為新光源，LED路燈不可避免地與現有主流照明，特別是高壓鈉燈反復比較，色溫正是主要的比較點。LED路燈支持者認為，高色溫白光用于道路照明有中間視覺效應，可視性好，感覺比低色溫黃光更明亮;高壓鈉燈支持者則認為，黃光透霧性好，感覺溫暖，比白光更受市民歡迎。從研究角度看，我國道路照明標準有必要從研究內容、研究方法等方面找出LED路燈色溫在規模推廣前最需要解決的問題。

同時與傳統道路照明器件相比，LED路燈研制中散熱結構的設計與檢測也非常重要，沒有很好散熱結構的LED路燈，會由于升溫太大而降低發光效率，太高的結溫不僅會使路燈的LED功率器件加速光通量的衰減，降低使用壽命，嚴重的甚至會造成失效。因此，我國標準應該對LED路燈的散熱標準有所規定。

4 總結

我國道路照明標準在道路分級、不同路面材料所對應的照度值、濕滑路面參數值方面有待提高，而我國在平均亮度的高低兩檔值規定方面要優于美國標準。在測試方法方面，中美兩國目前采用的照度測試方法基本一致，本文對照度的現場測試方法進行了改進和優化。在機動車道路測試方面，由于主要使用者是司機，CIE及包括中國在內的大多數國家現在都建議采用亮度測量，而美國認為行人和道路清潔施工人員也是機動車道路的使用者，因此照度測量應該保留。綜上所述，研究結果對提高我國道路照明的質量具有一定的參考價值。

［1］翁季．機動車交通道路照明設計標準研究 ［D］．重慶:重慶大學建筑成規學院．2006，12．

［2］楊公俠．視覺與視覺環境 (修訂版)［M］．上海:同濟大學出版社．2002:85－98．

［3］中國城市環境 (道 路照明)規范 ［S］．DB31/T316 2004．

［4］Reaed MS．The IESNA Lighting Handbook，Reference＆Application［S］．New York，Illuminating Engineering Society of North America，2000．

［5］Ries H ，Rabl．A．Edge－ray principle of nonimaging optics［J］， Optics InfoBase:Journal of the Optical Society of America A，1994，11(10):2627－2632．

［6］Wolf KB．Geometry and dynamics in refracting systems［J］，European Journal of Physics，1995，(16):2 －14．

［7］城市道路照明設計標準 ［S］．CJJ45－2006．

［8］American National Standard Practice for Roadway Lighting［S］．ANSI/IESNA RP－8－00．

［9］Roadway Sign Ligthing［S］．RP－19－01．

［10］Road lighting for wet conditions［S］．CIE47－1997．

［11］李恭慰．建筑照明設計手冊 ［M］．中國建設出版社．2004:200－203．

［12］Road lighting as accident countermeasure ［S］．CIE93－1992．

［13］李秋紅．LED光源在道路照明中應用的功效分析［J］．中國市政工程．2009.(2):52－53．

［14］鄒念育，孟令濤，李德勝 等．一種道路照明照度測試方 法 ［P］． 專 利 國 別:中 國， 專 利 號:201010500860.3，2010.10.09．

［15］郝洛西，繆海林．上海市城市照明建設與發展 (2008－2009)［J］，中國照明，2009:540－543．

［16］郭起宏，高京泉，賀孝田．LED道路照明若干技術瓶頸問題探討 ［J］．照明工程學報 2010.21(1):64－68．

［17］吳春波．評測報告—LED路燈測試分析評價與應用對策 ［J］．照明工程社區．2009.(6):21－24．

［18］肖輝乾．道路照明若干問題的思考 ［J］，中國照明．2008:147－151．

［19］李鐵楠．道路照明的節能 ［J］，中國照明．2008:138－141．

［20］傅竹西．固體光電子學 ［M］．中國科學技術大學出版社．2004:100－102．