道路照明現場檢測方法研究

葉榮南，葉 丹，馬承柏

(1.廈門市光電子行業協會，福建廈門 361003；2.廈門市元谷信息科技有限公司，福建廈門 361005)

道路照明現場檢測方法研究

葉榮南1，葉 丹2，馬承柏1

(1.廈門市光電子行業協會，福建廈門 361003；2.廈門市元谷信息科技有限公司，福建廈門 361005)

介紹了道路照明的機理、道路照明測量現狀及亮度測量的進展。分析了道路照明動態測量的合理性及其優點。最后給出了在道路照明動態測量過程中處理相關信息時需要注意的要點。

道路照明；亮度；眩光；現場動態測量；檢測方法

引言

當前道路照明質量都采用測量照度及其均勻度進行評價，筆者對此持有異議。道路照明主要是為人服務的，人眼感覺到的是路面亮度，而不是路面照度。而且，目前道路照明質量評價基本上沒有測量眩光，筆者認為這不科學。眩光對行車安全，對照明質量的影響很大，不能不認真地進行研究和測量。采用現場動態測量方法既可測量亮度及其均勻度，也可測量眩光，而且快速、客觀、準確。當然，動態測量是一個全新的課題，需要進一步探索它的機理，克服動態測量的諸多難題，懂得處理動態測量中所獲得的海量信息。

1 道路照明機理[1-11]

1)引起視覺感應是路面亮度而非路面照度。從系統工程的觀念出發，從燈具發光經過路面的反射到進入駕駛員的眼睛，引起視覺感應，這個光傳遞過程，本身就是一個系統—在這一傳遞過程中所傳遞的光學量是發光強度而不是光照度，是燈具發出的光經過路面的吸收和反射后，一小部分光線進入眼睛瞳孔后照射到視網膜上，其光強對視覺細胞所引起的明亮感覺，人們看到的是亮度，而非照度。

2)道路照明的設計、測試和評價都應該以亮度為指標。從人因工效學的觀點出發，路面照明應為駕駛員服務，應從駕駛員的需求出發，駕駛員是在行駛過程中觀察路面，是動態的、全過程的，所以只是考察特定點的亮度是不夠的，應該動態的、全方位的測量路面亮度；CIE 12、CIE 53、CIE 69、EN 13201等文件都強調了亮度測量的重要性，提出道路照明的亮度標準，同時對亮度測量做了一些規定，給出計算公式；CJJ 45—2015也引入了亮度標準，并強化了亮度均勻性的要求。

3)眩光對行駛安全的影響很大，眩光的測試也是以亮度為基礎。CIE 30、CIE 32、CIE 132、CIE 140、EN 13201對眩光的測量做了一些規定，給出計算公式。

2 道路照明測量現狀

1)推行雙軌制。推行雙軌制，即以考察亮度指標為主，同時也可考察照度指標，二者并行，之間換算可通過乘一系數來實現。原因如下：

亮度測量本身就比照度測量困難，眩光的測量更是難上加難，再加上道路的亮度測量有諸多的限定，比如：觀察視線的限定；駕駛員的觀察是動態的，視場中看到的實質上是多燈同時照明，同時也含有眩光，如何實現這些限定和要求？如何處理這些數據？實在難度很大。

亮度測量困難且誤差很大，而照度測量簡單，且測試儀器——照度計價格低廉，且便于攜帶；致使絕大部分道路照明工作者都采用測量照度并用照度來評價道路照明質量；當然設計的著眼點也在于照度及其均勻性。其理論依據是：在道路照明中亮度和照度之間的關系可乘以一定的系數來轉換。這是CJJ 45標準中給出的，而CJJ 45又是借鑒CIE相關文件的要求而形成的。

2)推行雙軌制的實質是實行以照度為標準指標。原因很簡單：照度測量可操作性強，難度低，重復精度高，以照度為基準的二次配光設計簡單多了。而且還有標準作依據，要換算亮度只要乘一個系數即可，受到絕大部分照明工作者的歡迎。

3)“智者所慮”。路面照度是表征路面的受照程度，它除了與入射光強有關外，還與入射光的入射角有關，駕駛員感覺不到它；引起駕駛員視覺感應的是該光線經過路面的二次反射后進入眼睛的那部分光線，駕駛員看到的是路面亮度而不是路面照度(見圖1和圖2)；簡單說：照度是地面接收到的光通量，而亮度是地面反射后被眼睛接收到的那部分光通量，眩光則是以其他方式直射入眼睛的光通量。路面亮度除了與入射光強及其入射角有關外，還與路面的吸收和散射特性以及駕駛員的觀察角有關。

一些專家比較理智的對待這個問題，他們認為應該推廣亮度標準，原因有兩個：一是測量照度不能反映路面照明的質量，路面照度均勻度良好的路面照明，看起來經常是亮暗不均；二是從人因工效學的觀點，路面照明主要是為駕駛員服務的，路面照度駕駛員根本觀察不到，駕駛員觀察到的是路面亮度，見圖1。

圖1 路面照明Fig.1 Road surface lighting

同樣，目標照明也是如此，見圖2。

圖2 目標照明Fig.2 Target lighting

照度指標良好的路面，駕駛員感覺并不一定好，見圖3。

圖3 照度均勻的路面其亮度不一定均勻Fig.3 The illumination road surface is uniform, but its luminance is not uniform

圖3是廈門岐山北路的照明現場圖，該路段于2009年2月下旬裝燈，已連續檢測了4年，這是該路面照明的第n次測量結果摘錄于表1。

表1 標準試驗系統結果(地點：岐山北路第5～6桿；測試時間：2009年8月25日)

從測量數據看：路面照度均勻度相當高，達0.77，但是從照片上看卻是亮暗不均；通過測量數據，從縱向看：燈下照度要比兩燈之間的照度高；但是從照片上看卻是燈下的亮度比較暗 而兩燈之間的亮度最高。測得的結果與看到的情況截然不同。采用相機拍照與人眼觀察的效果相似，說明用照度測量不能反映人眼的觀察效果，即使是亮度測量，隨著觀測點的變化，其照明效果也不盡相同。

專家認為：要研究不同路面材質的反射性能，依據CIE144和道路代表大會國際常設委員會(PIARC)共同推薦給出的R-Table(簡化亮度系數表)來進行配光設計。表A.0.2-1 為瀝青路面的簡化亮度系數(r)和表A.0.2-2 為水泥混凝土路面的簡化亮度系數(r)；

其中，做了許多簡化，例如：忽略了色度的影響；忽略了地面入射光的光強分布對地面出射光強的影響；將“雙向反射分布函數”簡化為“簡化亮度系數”；將路面反射特性分為瀝青和水泥兩大類；將道路照明光線的傳導過程分為前后兩半程。對于道路照明的前半程(燈具-地面)還是以照度為主；然后以地面照度為基礎，根據路面類型去查閱簡化亮度系數，從而得出道路照明的亮度值。應該說在目前亮度測量困難的條件下，不失為一種有效的方式。

需要注意的是：CIE在給出簡化亮度系數表的時候又作一些簡化：以定點測量代替動態測量以及只計算測量區域的兩盞燈，忽略了其它燈的影響；以上種種簡化，造成了設計誤差和測量誤差都很大；據專家估計都達到百分之十幾。但是，即使如此，也比測量照度要好得多，至少它從駕駛員的觀察角度出發，可以避免道路照明的斑馬線現象。

3 亮度測量的進展

1)亮度指標的重要性已被廣泛認可。GB、CIE、EN等標準均重視人因工程學的應用，都強調道路照明應以測量亮度為主；對觀測點高度、視角以及司機前方擋光板的影響都有詳細的規定；只是限于當時的技術、認識水平，大量出現的是測量路面照度代替測量路面亮度，即使費了很大的力氣測量亮度，也只是采用定點法。而非模仿司機在行駛過程中觀察路面來進行動態的測量。費工費時還不準確。

2)以亮度為基礎的配光設計取得進展。路面亮度與投射光的光強，燈光投射角，被照點的方位角及眼睛的觀察視角有關；在這里觀察視角已確定：為正前方-1°，借助CIE144提出的不同路面的簡化亮度系數表，推算出所要求的投射光光強分布。

簡化亮度系數Γ(β，γ)=q(β，γ)×cos3γ

則dL(β，γ)=dI(C，γ)/H2×Γ(β，γ)(見圖4)

圖4 路面照明觀測圖Fig.4 Observation map of road surface lighting

簡化亮度系數表提供了被照點的燈光投射角γ和被照點的方位角β，再依據路面的照明要求算出像方的光強分布要求；隨后利用亮度的數學表達式及透鏡表面的折射公式求出透鏡的自由曲面。

利用亮度表示式L=I/dS×cosω=(I/H2)×r(β，γ)和透鏡表面的折射公式n×sini=n′×sini′,進行建模、計算、生成透鏡、給出IES文件、模擬路面照明效果。

必須要注意的是，路面亮度是多燈作用的綜合結果。而且這是按照相關標準文件要求的，在靜態、定點前提下的計算結果。

3)采用成像亮度計測量路面亮度是一大進步。采用成像亮度計與人眼的觀察效果是一致的，需要注意的是拍照的位置和高度以及相機的傾角要與相關標準文件的規定相一致，它比逐點測量亮度更簡單、省時，采集的信息量大；

4)采用成像亮度計也可用來測量眩光。與測量路面亮度相似，成像亮度計也可用來測量眩光，觀測狀態不變，只是測量的對象不同，前者是路面，后者是燈光；同樣需要注意相關標準的有關規定。用成像亮度計測量眩光要比逐點測量省事多了。

5)失能眩光的定位和計算。判斷失能眩光的觀測點定位也與亮度相似，只是CIE還規定了車輛頂棚的檔光角度為20°。所以眩光最大處，總是出現在觀測點位于燈具前方(H-1.5)/ tgθ處，θ為眩光源與視軸的夾角，略小于20°，此時眩光源之等效光幕亮度最大；計算同排燈具500 m內各個眩光源對該狀態下的眩光貢獻，計算到某一燈具的等效光幕亮度小于累加等效光幕亮度的20%止，然后求和。

等效光幕亮度Ls=K1×E/θ2，在0.05 cd/m2

4 動態測量的合理性

1)人因工程學(人因功效學)用于道路照明的理解。人因工效學考量了人在工作環境中的解剖學、生理學、心理學等各方面的因素，研究“人——機器——環境系統”中三者交互作用著的各方面(效率、健康、安全、舒適等)如何達到最優化的問題。

人因需求：視覺上看得清，心理上看得舒適，健康方面眩光小；

燈具照明需求：視覺上足夠亮，眩光小，效率高，節能；

環境需求：資源上可再生、節能；環境和諧，舒適。

2)從人因工效學觀念考察道路照明的主要服務對象是駕駛員而非行人。道路照明的主要是為駕駛員服務的，應該以駕駛員的視覺感受為基礎進行照明設計和測量。道路照明除了提供路面照明外，還要提供路面目標的照明；前者提供駕駛員觀察視場的背景照明，后者則提供視場內的目標照明，兩者的亮度差異或者色度差異均能為駕駛員提供識別目標的照明；路面背景照明主要由逆向燈光提供，而目標照明則相反，它主要由順向光提供。

3)動態測量契合人因工程學的需求。道路照明動態測量符合駕駛員的視覺感受；駕駛員在行駛過程中觀察路面，是動態的、全過程的；行駛過程中眩光對駕駛員的影響也是動態的、全過程的(見圖1和圖2)；只有采用動態測量路面的照明質量才能真正反映駕駛員的真實感受。

我們有必要按照人因工效學的要求，仿照駕駛員的觀察視線，動態地測量整個被測區域的亮度及其均勻性，有必要按照光的傳播路徑，以所傳播的光強這個光學量的變換為主線來計算駕駛員在駕駛過程中觀察視線上的路面亮度及其均勻性；研究分析各種典型路面材質對于各種角度的入射光的反射系數表。研究路面亮度計算的建模、編程和軟件制作。

5 道路照明動態測量的優點

1)契合人體工效學的需求；符合駕駛員的視覺感覺。可以動態地記錄下駕駛員觀察到的路面亮度和路面均勻度；可以記錄下駕駛員感覺到的最大眩光在何處、有多大。

2)客觀、準確、可靠。測量的數據比逐點測量法客觀，大大減少主觀因素的影響，提供的是全過程、不同觀察位置的測量數據，因而準確、可靠的多。為今后開展道路照明的評價研究及燈具的光學設計提供客觀的依據。

3)快速，不必封鎖道路。往常幾個小時的工作量，現在動態測量每條車道只要半分鐘就可以，大大降低光環境隨時間變化的影響，不必封鎖道路；而且提供的信息量比往常測量提供的信息量多得多。

4)獲取的信息量大。除了能提供在相關標準文件規定的姿態下測得的靜態亮度、亮度均勻度、眩光外，還能提供大量的動態信息，便于更完整、更全面地評估道路照明質量。

6 動態測量的難度

動態測量需要解決的難題和他的優點一樣突出。

1)動態測量與靜態標準的差異。目前，動態測量首先要滿足國標和CIE等相關文件、標準的要求，而這些要求是基于靜態測量的條件下提出的，這和動態測量狀態大相徑庭，如何滿足這些要求？在最早關注動態測量的EN標準中，提出了在動態測量時，觀察者和布點可能很難或無法達到CIE或EN等對觀察者位置和布點位置的相關要求；這反映了動態測量的難度。難，不等于無法克服！動態測量中必須含有這個“標準點”的測量值。

2)動態測量要提供全方位的路面照明信息。為滿足駕駛員的需求，動態測量除了提供定點測量中符合相關標準要求的數據外，還要提供觀測視線在經過測試路段所看到的全過程、全方位路面照明信息，以供更全面、更完整地評價路面照明；我們要如何做到？

3)如何保障測量精度？動態測量中，觀測角縱向相差0.10，則觀測點相差可達9 m左右，為保證動態測量精度，其測量軸線要穩定，測量點的定位要準確，否則測量就毫無意義；我們如何來保證？

4)我們關心的是哪種平均亮度值？哪種亮度均勻度？動態測量時，測量區內有2～4條車道，甚至更多，每條車道起碼提供十多幅路面亮度圖像，每幅圖像均有大量路面亮度信息，如何處理這海量的信息？我們要的是某一時刻的路面平均亮度及其均勻度，還是在同一視角前提下不同時刻的路面平均亮度及其均勻度？

從滿足標準要求出發，肯定是某一時刻下的亮度值及其均勻度。但從人因工效學考慮、從動態觀測路面出發，如何選取路面各點的亮度值？如何計算路面亮度均勻度？這里有許許多多的結果，哪個(或者哪些)是我們所需的？這些問題值得去探究和討論；同時考慮是否需要對標準進行充實和修訂？

5)低亮度背景下的動態測量，如何解決“拖影’問題？因為“動態”，要求曝光時間短，而路面反射光的亮度又很低，這對像面光敏元件——CCD或CMOS的靈敏度要求很高；靈敏度不夠圖像就會產生“拖影”，如何解決圖像的“拖影”問題？目前很難達到要求，有否其他解決辦法？我們應該怎么解決？

總之，道路照明動態測量優點多多，但也困難重重；不過，辦法總會比困難多。大家也一直在努力實踐著。

7 道路照明動態測量的信息處理

一種新技術的出現往往會帶來一場革命性的飛躍，就如藍光LED的出現，帶來了照明一場飛躍，一次更新換代；一種新設備的出現，往往也會給我們一種觀察事物新利器；相似的道理，車載動態測量設備給了我們一種觀測、分析道路照明新利器；它能很好的從駕駛員的角度來考核路面照明的質量。它能在很短的時間內(約20 s/一條車道)獲得大量的照明信息，而且其效果猶如駕駛員現場觀察一般；對于這些信息如何去取舍？如何去分析？確實是我們應該認真考慮的問題。

道路照明的各項指標由各軟件包根據相關公式計算給出，在計算時需注意以下內容。

1)首先應有從圖片上確定測量區域的功能軟件。

2)要有符合相關標準文件規定的狀態下獲取的照明指標。在海量的圖像信息中提取有用信息時，應該注意：要有符合相關標準文件規定的狀態下獲取的照明指標,比如：CIE對測量路面亮度的測量點位置、測量角度的規定；雖然這個規定現在看來，有相當的局限性，不甚合理，但是在當時具有一定的方便性，既然標準文件中規定了這個要求，我們應該兼顧到它。

3)路面平均亮度的理解。從字面上很好理解，即路面上各點亮度的平均值，問題是：這么大量的亮度信息，究竟哪些能代表路面各點的亮度？當然，按照CIE、GB規定的狀態下測得的數據固然可用，也是必須要給出的；但是，定點測量能否代表全方位全過程測量？其實，有兩種路面平均亮度供我們選擇：一種是駕駛員在保持觀察姿態下經過整個測量區域，在各個瞬間所見到的路面亮度，由此計算出路面平均亮度；這種測量方式，各亮度值前后相距時間較長，與駕駛員的視覺感受相距較遠，依此算出的平均亮度值是否可用？

另一種是駕駛員在行進途中某一瞬間所見到的路面平均亮度，一般，每車道采樣十個亮度數據，也就是說，每條車道可以采集到十種路面平均亮度；其實，標準文件規定的定點測量只是這其中的一個特例。我們究竟是將所有瞬間測得的路面平均亮度中最差者作為測量結果、還是應該取平均值作為測量結果、還是某一定點測得的數據作為測量結果？依據在哪里？是否符合駕駛員的真實感受？

4)兩種“路面亮度總均勻度”的取舍。在提供的圖像信息中，有兩種“路面亮度總均勻度”：一種是從測量的某一瞬間獲取的圖像上計算出來的路面亮度總均勻度，另一種是在整個測量區域內司機保持視角不變前提下，在全過程中觀察到的亮度總均勻度；很顯然，后者取樣時間間隔過長，計算出來的“路面亮度總均勻度”沒有多大意義；而前一種在測量過程中則有許許多多的“瞬間亮度總均勻度”，標準文件中規定的測量位置只是其中的一個“瞬間”，是以各瞬間的亮度總均勻度的平均值來評價，還是以某一瞬間的亮度總均勻度來評價？根據何在?

5)兩種“路面亮度縱向均勻度”含義。同樣也存在著兩種路面亮度縱向均勻度的計算方式：一個是從測量的某一瞬間獲取的圖像上計算出來的路面亮度縱向均勻度，另一個是在整個測量區域內司機保持視角不變前提下，在全過程中觀察到的縱向亮度均勻度；前者表示司機在行駛過程的各個瞬間所見到的路面亮度縱向均勻度，其中含有標準文件中要求的某一測量位置和狀態；后者則表示司機在駕駛過程中感覺到的路面亮度縱向均勻度，EN13201-4中曾提出：“在測量路面亮度和隧道照明亮度時，如果亮度計的位置始終平行于路的方向，就意味著觀察者在測量的時候始終在測量點的縱向線上。這樣的測試結果應該表明為‘移動觀察者觀察的亮度均勻性’”這是因為：這種方式在一個車道上測量縱向亮度均勻度的時間只有幾秒鐘，在這幾秒鐘時間內駕駛員在移動的目視點見到的是連續變化的亮度，其均勻度應是一個重要指標。

6)眩光測量。(a)測量姿態的確定。眩光測量姿態應與亮度的測量姿態相同。即距地1.5 m高，觀測視線為正前方向下1°。(b)眩光源邊界的確定。光源的光強分布曲線是連續的，眩光源的邊界應有一個閾值來限定。(c)光幕亮度的計算。光幕亮度Ls=k1×Σ(Es/θ2)，其中θ是視線和產生眩光的燈具中心(發出的光線所夾)的角度，單位為度。此公式在0.05 cd/m2

7)路燈的色溫，顯色指數測量位置選擇。有燈下點測量，燈具發光面垂線下測量，還有用路面各點的色溫和顯色指數取均值來計算的；國家標準GB規定：應在發光口面的垂線下測量，軟件應取值于燈下點的測量值。

[1] 城市道路照明設計標準:CJJ 45—2015[S].

[2] 公路照明技術條件:GB/T 24969—2010[S].

[3] 照明測量方法:GB/T 5700—2008[S].

[4] Road lighting brightness and intensity of illumination calculation and measurement:CIE 30—1976 [S].

[5] Glare and uniformity in road lighting installations:CIE 31—1976[S].

[6] Lighting of roads for motor and pedestrian traffic:CIE 115—2010[S].

[7] Design methods for lighting of roads:CIE 132—1998[S].

[8] Guide to the lighting of urban areas:CIE 136—2000[S].

[9] Road lighting calculations:CIE 140—2000[S].

[10] Road lighting Part 3:Calculation of performance:EN 13201—3[S].

[11] Road lighting Part 4: Methods of measuring lighting performance:EN 13201—4[S].

Research on the Local Measurement Method of Road Lighting

YE Rongnan1，YE Dan2，MA Chengbai1

(1.XiamenOptoelectronicsManufacturesAssociation,Xiamen361003,China; 2.XiamenIngolDigitalTechnologyCo.,LTD,Xiamen361005,China)

The principles of road lighting, its current situation and the development of luminance measurement were introduced. The rationality of the road lighting dynamic measurement and its advantages were analyzed. Finally, the key points were presented that should be noted while dealing with the information during the process of road lighting dynamic measurement.

road lighting；luminance；glare；local dynamic measurement；measurement method

國家國際科技合作專項項目：LED 照明現場檢測方法研究及評價

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.019