深圳市典型路面材料亮度系數(shù)的初步測量*

吳春海 吳貴才 陳 新 鄭曉東

(1.深圳市燈光環(huán)境管理中心，廣東深圳 518033;2.浙江大學光電信息工程學系，浙江杭州 310027)

1 前言

發(fā)光二極管 (LED)的迅速普及，使道路照明設計增加了新的自由度和優(yōu)化參數(shù)。由于LED本身的發(fā)光體面較小，通常只有1mm2，與二次透鏡結合可以實現(xiàn)靈活的配光設計，使光斑形狀完美地匹配道路形狀，并實現(xiàn)路面照度的均勻分布。如何最大限度地利用好LED器件本身的特點是照明行業(yè)所普遍關心的問題。

道路照明的目的是增加道路交通的安全性、流量和舒適性。通過照亮路面及其周圍環(huán)境使路面上的目標為司機所見。司機所感受的路面亮度取決于兩個因素，照射道路的路燈和路面材料對光的反射特性。我們觀察到路面有一定亮度是因為路燈所發(fā)出的光經(jīng)過路面材料反射后進入了人眼。由于路面的干、濕會在很大程度上改變路面的光反射特性，所以在同樣的路燈照明下，雨天開車的視覺條件遠不如晴天。目前，國內(nèi)多數(shù)研究工作均集中在路燈的配光分布等對道路照明質(zhì)量的影響［1，2］。而對路面本身反射特性的影響研究很少。

目前，國際通用的道路照明主要評價指標是:路面平均亮度、路面亮度均勻度和縱向均勻度。照度僅用于評價環(huán)境比。我國的情況有所不同，現(xiàn)在仍有不少部門將照度作為照明質(zhì)量的評價方法，照度評價也仍舊包含在新近制定的多個標準中。

既然亮度才是道路照明設計的正確評價指標，在道路照明設計過程中需要將路燈配光與路面材料的反射系數(shù)相結合才能實現(xiàn)準確的道路照明設計［3］。如果，設計中使用的亮度系數(shù)比實際低，將增加道路照明的能耗和建設成本，反之則所設計的路燈配置將達不到標準要求的亮度，增加交通事故發(fā)生的概率。只有了解路面反射特性才能夠優(yōu)化路燈的配光設計和燈桿配置，提供安全、舒適、節(jié)能的照明環(huán)境。

各國都非常重視本國實際路面亮度系數(shù)的測量工作。古川等調(diào)查了日本常用的小粒瀝青混凝土和新開發(fā)的排水性鋪裝兩種路面材料在鋪設后1～9年中反射率的變化情況［4］。盡管澳大利亞和新西蘭在1982年已經(jīng)對本國的路面亮度系數(shù)進行過測量［5］，但隨著各種新型路面鋪裝材料的廣泛應用，2009年又重新對亮度系數(shù)進行了更加廣泛的測量工作［6］。重新測量的結果表明，實際路面亮度系數(shù)遠低于原有測量值，也就是說按照原有數(shù)據(jù)設計的路面照明無法達到合理的亮度要求。美國、英國、挪威、芬蘭等國家也都在近年開展了相應的測試工作。細化評測不同地域、不同氣候下不同路面材料的亮度系數(shù)對于各區(qū)域的節(jié)能優(yōu)化設計具有重要意義。

2 亮度系數(shù)的定義

亮度系數(shù) (q)為路面上某微小面元的亮度L和路燈在該面元處所產(chǎn)生的水平照度E之比。即:

式中，q，L，E 的單位分別為:Sr－1，cd/m2和lx［7］。q除了與路面材料的反射特性有關外，還取決于觀察者和路燈相對于路面所考查點的位置，或者說觀察者眼睛與考查點的連線與路面法線的夾角有關。即:

式中的β角為光的入射平面和觀察者平面之間的角度，γ為入射光線與路面法線方向的夾角，如圖1所示。

圖1 α，β，γ角定義示意圖

在假設照射路面的光源為點光源，也就是說照度與發(fā)光強度之間平方反比定律成立的條件下，路面亮度和光線在考察面上的入射角度余弦的三次方成正比。在計算機編程普及之前，為了手工計算照度分布的方便，一般將光源與考察點連線與路面法線的夾角，即光線入射角余弦三次方與亮度系數(shù)的乘積定義為簡化亮度系數(shù):

不同角度簡化亮度系數(shù)構成的表格俗稱為r表［8］。

圖2 α角的選擇

司機所關注的主要是其前方60～100m的路面，綜合各種不同車輛高度，選擇司機的典型視點高度為離路面1.5m，如圖2所示，這時觀察角僅在0.5°～1.5°之間變化。路面亮度系數(shù)定義中將圖1中觀察角α的數(shù)值選定為1°。道路上的不同點對應不同β、γ角，所以β，γ角的變化范圍分別為0°～180°和0°～90°。

路面反射特性取決于所鋪設的材料，表面干、濕狀況和材料磨損程度。磨損程度取決于道路使用年限和在車道中的具體位置。比如，道路中間線附近所受磨損的程度會遠低于車道邊緣對應車輪部分的磨損情況。

3 測量方法及結果

為了測量路面亮度系數(shù)，我們根據(jù)其定義開發(fā)了專用的分布式反射率測量裝置。裝置由樣品臺，光源掃描裝置，亮度計，數(shù)據(jù)采集卡及掃描控制軟件等部分組成。照明光源可以為道路照明用的高壓鈉燈、金屬鹵化物燈或LED燈。所選定的光源可以在半球空間內(nèi)沿γ角0°～90°，β角0°～180°范圍內(nèi)任意轉動并精確定位。在γ角方向的定位精度為0.01°，在β方位的定位精度為0.1度。光源最大發(fā)光強度方向指向轉臺的轉動中心。被測樣品被固定在樣品臺上。樣品臺可在上下、水平及傾角5個維度進行精確調(diào)節(jié)，使樣品表面與光源轉動臺的轉動軸心精確重合，并利用水平尺將樣品面調(diào)整為水平。光源處于空間不同β、γ角度時，樣品面的亮度用描點式亮度計直接測量。亮度計放置在距離被測樣品約1m處，調(diào)整亮度計光軸與水平面成1°角。亮度測量所選用的是杭州遠方光電公司的LM-3型多視場亮度計，測量時選用的視場角為0.1°。照度測量選用了北師大生產(chǎn)的ST-80C數(shù)字式照度計。為了減少照度計的余弦響應誤差，在每次測量前只測量γ=0，即光源從上方垂直向下照射被測樣品時的照度值Eγ=0。光源轉動到其它γ角時樣品面的水平照度由Eγ=0cos(γ)獲得。在光源轉動臂上安裝有光源發(fā)光強度監(jiān)測探頭，用于監(jiān)測測量過程中光源發(fā)光強度隨時間的變化。完成一個樣品的測試時間約為1小時20分鐘。

被測樣品取自深圳濱海休閑帶道路，采樣地點約位于東經(jīng)113°57'，北緯22°31'。樣品材質(zhì)為瀝青混凝土 (開級配瀝青磨耗層OGFC-13)，道路建成到取樣時的使用時間約為6個月。樣品直徑150mm，厚度約50mm，由路面取芯機鉆取而得。其表面反射率情況與路面自然狀態(tài)完全相同。如圖3所示。測試所用的光源為白光LED。

圖3 被測樣品照片

上述樣品的簡化亮度系數(shù)測量結果如表1所示。

表1 深圳市典型瀝青路面的簡化亮度系數(shù)測量結果

根據(jù)表1的測量數(shù)據(jù)可以計算出道路分級用平均亮度系數(shù)Q0=0.064，鏡面系數(shù)S1=0.90。β=0°，90°，180°時，簡化亮度系數(shù)測量值與 CIE推薦值的比較如圖4所示。

圖4 測量值與CIE推薦值的比較

4 結論

本文介紹了對深圳濱海地帶路面材料亮度系數(shù)的初步測量結果。結果表明該地區(qū)瀝青路面的實際亮度系數(shù)比國際照明委員會的推薦亮度系數(shù)稍低。在γ=0的正入射條件下，被測樣品的亮度系數(shù)為CIE推薦值的0.9倍［8］。也就是說為達到同樣亮度所需要的照度值要提高10%。測量值與CIE推薦值相差較大的點發(fā)生在β=0°，γ=26.6°處。所測路面樣品的簡化亮度系數(shù)僅為CIE推薦值的70%。

在對測量裝置進行進一步完善后，將對更多樣品進行實際測量，獲得深圳市路面亮度系數(shù)更全面的信息。一方面為我國道路照明設計標準的修訂提供基礎數(shù)據(jù)，同時也為國際照明委員會提供我國道路材料亮度系數(shù)的具體調(diào)查結果。

致謝:本項目獲得國家科技支撐計劃“LED燈具在線檢測、光譜分布與現(xiàn)場測試方法及設備研究”項目的資助，謹在此表示衷心感謝。

［1］崔澤英.LED平面光源路燈的配光及道路照度計算［J］.照明工程學報，2011，22(6):100～104.

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