交通標志照明技術的前世今生

文 官陽

近年，在交通安全領域，越來越多的人開始關注交通標志的夜間視認性問題，這是個非常積極的變化。這說明我國的道路交通安全需求已經發展到了一個新的高度，人們對于交通標志向道路使用者傳遞信息時的展現質量，對掌控道路使用者注意力的重視，都有了長足的進步。但在如何實現標志的照明的問題上卻有很多誤解，導致出現了不少浪費。本文就此回顧一下世界上標志照明技術的前世今生。

《統一交通控制實施手冊》（第一版）首次提及標志照明需求

說起交通標志照明，不能不說世界上第一部具備法律約束力的標志標線設置標準，美國的《統一交通控制設施手冊》（英文簡稱MUTCD）。該標準在1935年的第一版（統一）版中，提到了標志需要照明，并且總結了當時存在的三種照亮標志的方法，原文翻譯如下：

第134節 標志的照明方法

照亮標志的燈應該是白色光，除非是停標志（STOP SIGN）上的字要用紅色光。現將標志照明的方法介紹如下，以備參考。

（a）照明燈可以安裝在標志的內部或者后面，也可以是發光管，照亮標志的輪廓和主要的信息，無論是符號還是文字。燈光可以是閃爍的，也可以是穩定的，使用閃爍的燈光更好。

（b）附著在標志上或者獨立安裝的射燈，要求其光線照射于標志版面。

（c）標志面上要安裝反光元素。

標志內部穩定或者持續閃爍的燈，及發光管、標志外部的射燈，都可以最大限度地提高標志的視認性。但這種方法會導致成本和供電連接服務等增加，很多鄉村地區可以不使用這種方法。

在黃底黑框的標志上安裝勾勒標志輪廓的反光鈕時，要避開黑色邊框，安裝在黃色底板的面上。

不難看出，1935年，標志照明已經從技術標準的角度，指出了三種方式：內部照明、外部照明和利用車燈作用與標志表面的反光元素實現照明。這三種方式歷經90多年，沒有改變。

需要特別指出的是，現在使用最多的標志照明措施—— 反光膜，在1935年時尚未問世，所以那時的標志照明，雖然已經有了利用大尺寸玻璃珠做反光鈕的技術，但是效果并不理想，因為反光鈕尺寸太大，卻只有單點能逆反射，效率太低，所以就用了國內現在流行的說法：“主動發光”。其實從英文和技術上講，“Illumination”不是發光，而是“使發光”，也就是通過安裝照明燈使標志變亮。也就是說，無論是在標志內部安裝發光管還是在標志外部使用射燈照亮標志，都不是現在的技術創新，時至今日，這些技術還在一些有特殊需要的領域使用，只是使用的手段越來越好，應用領域也越來越科學，成本也越來越低了。

商用戶外標識和機場跑道上的引導標識是使用內部照明方式最多的領域，也正是因為這種應用的需求非常旺盛，所以內部照明型的標識技術從未停止過發展，今天的燈箱技術，已經登峰造極，人們可以用很少的光源和很輕質的材料制作出漂亮的內部照明標識。

圖1 1935年版MUTCD的封面

圖2 1935年MUTCD第134節的原文頁面截圖

但是這種技術并沒有被廣泛應用于交通標志領域，其原因有兩個，一是因為相對于另外兩種方式，其可靠性和維護復雜且成本太高；二是與駕駛過程的安全需求有關。如果全程把標志都用內照燈照亮，有時會影響進程感，特別是高架的大型標志，遠遠望去，可能一次看到好幾層的設置，信息相互干擾……相比之下，外照明會好很多，因為外照明使用反光膜，只在車燈照射不佳的距離和角度里補光，所以駛近時，標志亮度會降低，解放駕駛人的注意力去觀察路況。這也是為什么在美國1935年提出標志需要照亮的標準后，很多大型標志一直在使用外照補光方式的原因，而且維修也比內照更方便。

圖3 美國在上世紀30年代安裝的使用反光鈕的交通標志，白天和夜間的照片

反光膜的問世與創新升級

正是因為考慮到標志照明的需求，特別是需要交通標志的整體耐候性良好、低維護成本、長生命周期、能高效管理汽車前照燈的燈光，才有了反光膜的問世和反光膜的不斷創新與升級。

世界上第一塊使用反光膜做的交通標志，出現在1939年明尼蘇達州的公路上，從這一年開始，交通標志照明的技術路徑被有效改寫了。這種最初的反光膜，利用了一種直徑非常小的玻璃微珠涂布粘貼技術，和大尺寸反光鈕的原理一樣，把車燈的光反射到駕駛人的眼睛里。只是這種最初的反光膜，反光效率并不高，大約只能捕捉到照射光源的8%。即使是8%的車燈反光，也讓人們看到了希望。1942年，還處在戰爭期間的美國政府，修訂了《統一交通控制設施手冊》，增加了交通標志反光膜的使用要求。

圖4 1942年版《統一交通控制設施手冊》MUTCD的封面。封面上標明：“戰時緊急狀態版”

圖5 1942年版MUTCD的第134節，標志照明部分的原頁影印件

圖5譯文如下：

第134節 標志的照明方法

照明方法可以是下列方法：

（a）照明燈，安裝在標志的內部或者后面，照亮標志的輪廓和主要的信息，無論是符號還是文字。燈光可以是閃爍的，也可以是穩定的。

（b）附著在標志上或者是獨立安裝的射燈，要求其光線照射于標志版面。

照亮標志的燈應該是白色光，除非是停標志（STOP SIGN）上的字用紅色的自照明閃光。

第134.1節－逆反射方法

標志的信息和背景都可以用逆反射光照亮。逆反射的符號或者信息都應該是白色的。如果背景是逆反射照亮，應該是白色或者黃色的，顏色要遵守第126節里描述的顏色規則。

為了通過提高對比度獲得更好的視認性，在信息條背景上可以使用與信息顏色形成對比色的色塊。

眾所周知，1942年，美國正在全面參與第二次世界大戰，在這樣的時刻，其交通部不忘交通安全和新技術應用，反光膜問世三年就在國家標準里鼓勵各地使用這種節能環保、能夠改善道路安全通行條件的技術，其對交通安全和科技創新的重視可見一斑。這也從另一個角度說明，道路交通安全傷害對于國家與社會，不亞于戰爭，需要高度重視。

圖6 右側為使用外射燈結合反光膜的龍門架標志，左側為使用內部發光管和外照燈（補底板的亮度，在一定角度可以感受到底板顏色）的龍門架標志

工程級反光膜

早期的反光膜，也就是業內非常熟悉的“工程級”反光膜，因為是利用裸露在反光膜膠層表面的玻璃微珠的折射功能實現的逆反射，表面附著露水或水汽后，由于玻璃微珠直徑太小，加上水的折射作用，就會引起反射光路的扭曲，影響車燈光的走向。“工程級”一詞，是由發明企業最初注冊的商標，Engineering Grade，后來因為使用太廣泛且延續了幾十年，所以逐漸被業界廣泛使用成了俗稱。

圖7 玻璃微珠反光膜的基本光線傳輸原理

高強級反光膜

直到1970年左右，“高強級”反光膜問世后，這個問題才得以解決。這種“高強級”反光膜，在玻璃微珠表面做了一個密封膠囊，里面含有空氣，這不僅保證了玻璃珠與外面溫度的趨同和不沾水，也可以使光線在進入玻璃微珠前和離開玻璃微珠反射出來時，利用空氣層避免露水等的干擾，使光波在進入空氣開始衍射時，能夠沿著車燈的照射方向反射回去。高強級的反光膜，因此具備對車燈光14%的反射效率，比工程級材料高了近一倍。

微棱鏡反光膜

伴隨人類對光學、數學和材料技術認知的進步，玻璃微珠對光線控制的弱點也逐漸被意識到。特別是同等面積下的反光效率問題，玻璃微珠即使再小，也只有一個反光點，而且反射角度單一。盡管反光膜用的玻璃微珠的直徑已經僅為2微米，但是人類并沒有到此停步。更新的光控制技術在光柵技術原理的發現和進步中出現了，這就是微棱鏡技術。通俗講，微棱鏡技術是把玻璃微珠上不反光的部分切掉，只留下光線進入和返回的線路部分，從而在單位面積下，不僅大大地提高了反光單元的數量，而且可以根據棱鏡的角度調整與多種微棱鏡的組合，大大提高反光效率。

20世紀80年代后期問世的第一代和第二代鉆石級反光膜（大角度反光膜的典型代表，因反光原理與鉆石的折射光路近似而得名，英文是Diamond Grade，也是發明企業注冊的商標稱謂，后來被行業很多人誤以為是產品級別的俗稱），對汽車燈光的捕捉反射能力已經到了32%，特別是第二代鉆石級反光膜（Visual Impact Prismatic，簡稱VIP ），直譯為視覺影響微棱鏡，一改第一代的遠距離反光優勢（Long Distance Prismatic遠距離微棱鏡，簡稱LDP），是利用改變微棱鏡反射角度的方法，讓反光膜具備了大角度的反射特性，使得龍門架上和大型道路的路側的標志也可以被駕駛人看到。

圖8 微棱鏡反光原理示意

反光膜材料技術的大發展

進入21世紀，交通標志用微棱鏡反光膜的研發仍在繼續，不僅品種在增加，生產成本和環保排放也在下降，而且性能越來越好。據美國標準材料檢測協會的技術統計，已經問世的反光膜產品已經有十幾種類型，其中大部分是不同形態和反射性能的微棱鏡材料。目前最高等級的交通標志大角度反光膜是已經用可以兼顧遠距離光投放和近距離光投放性能的新型微棱鏡組合技術制作的，它每平方厘米上有超過80種形態的900多個反光單元來管理入射光和反射光，對車燈的實際反射效率已經高達58%，使得駕駛人不僅可以在大約800米外就能夠發現交通標志，而且絕大部分情況下可以讓大小車的駕駛人在不開遠光燈的情況下，在約150米到50米的距離上獲得可以支撐讀取標志信息的亮度。

值得關注的是，微棱鏡技術問世以前，在高架標志上（龍門架和懸臂）使用射燈為大型交通標志補光，是一種比較普遍的做法，特別是在背景光源復雜、有大型車輛的道路上，直到近15年，這種做法才開始陸續發生變化。美國交通部資助的公路研究合作項目《高架標志夜間視認性指南》（NCHRP REPORT 828號，2016年）介紹“由于標志反光材料的性能越來越高效，可以把更多的車燈光返回給司機，現在有關掉或者拆除高架標志照明燈的趨勢。另外，新的字體設計也是為了迎合新的反光材料的特點，也增加了高架標志的視認性，這就進一步明確了高架標志是否需要照明的問題的答案。調查顯示，很多交通部門開始采取系統的措施，在高架標志上使用高效率的反光材料來取代標志照明燈。在2008年威斯康星洲交通廳調查的30個州里，仍在使用標志照明燈的只有6個州，而且這6個州也是根據具體情況和個案基礎決定的。美國公路和運輸官員協會（AASHTO）也進行過類似調查，調查對象包括36個州，其中21個州，因為更換了新型的標志反光材料和節省開支的原因關閉了高架標志的照明燈；另外15個州表示只在城市和高速路出口等處，還保留了原有的高架標志照明，有5個州表示在新建道路上的高架標志，還在使用標志照明燈。”在一些非常復雜、車燈無法滿足需要的道路環境中，利用補光提高標志的亮度的技術仍然在使用。

圖9 俄羅斯街頭遍布利用熒光黃綠鉆石級改善視認性的標志，以吸引人們的注意力，優化行人過街秩序

與此同時，借助不可見光改善白天標志視認性能的反光材料也開始出現。以熒光黃綠鉆石級和熒光橙鉆石級為代表的新一代反光材料，改變了太陽光中的紫外線的波長，使之進入可見光譜，大大加強了材料的色度，為雨雪霧天和逆光、強光環境增加了一種特殊的安全解決方案。

圖10 俄羅斯制作的外部使用透光型反光膜，內部有LED光源的內照式交通標志，主要用于背景光源復雜的城市環境里

總體上說，標志標識的照明技術，按照應用環境分類，可以分為室內和戶外兩大領域；從照明光源的位置分類，則分為內、外部以及車載光源；從觀察角度需要分類，則有平視、仰視、遠視、近視支持等；從使用材料分類，有透光、反光、透光和反光兼顧等，這些需求和特點都會影響照明方案的最后選擇，但其共性需求是一致的，就是盡可能地做到在需要時，讓標志夠亮；不需要時，則要夠暗，并且做到環保、低耗、易維護。在成本合理的范圍里，優選能滿足每一種視認需要的方案，是個非常復雜和專業的技術活。標志照明技術，事關道路安全通行條件，也事關道路運營成本，科學選擇的前提是要具備正確知識，了解標志照明技術的前世今生的意義就在于此。

內部照明標志分類

交通標志的照明方式

1.內部照明，利用標志面板后的光源通過半透明材料照亮標志圖案或底板；

2.外部照明，安裝專用燈，均勻照亮標志面板；

3.其他設備，如用整形發光管制成標志圖案。發光標志一般用熒光材料制成。反光標志的反光膜，用透明樹脂(包括粘合劑)、玻璃微珠、反光金屬等材料制成，或將玻璃珠壓入塑料中制成。當汽車大燈射向反光標志時，反光膜能將光線定向反射回來，使駕駛人在夜間能看清標志。反光膜的反射亮度、色度、耐候性、粘著性、拉伸強度、耐溶劑性等性能都要符合要求。

內部照明標志產品分類

根據發光亮度的不同，內部照明標志分為高亮型、中亮型和低亮型。

根據燈具外殼防護等級的不同，內部照明標志分為三個等級：

一級，外殼防護等級不低于IP55；

二級，外殼防護等級不低于IP44；

三級，外殼防護等級不低于IP34。

根據照明工作時長的不同，內部照明標志分為：

發光間斷式，實時檢測環境亮度，自動控制標志的開啟和關閉；

發光不間斷式，24h正常發光。

根據調光方式的不同，內部照明標志分為：

手動控制式，由人工控制內部照明標志的照明工況；

自動控制式，實時檢測環境亮度，自動控制照明工況，或按預測程序控制照明工況。

控制式的內部照明標志應具備手動控制功能。

根據適用環境溫度的不同，內部照明標志分為：

低溫型，能在環境溫度-35℃-55℃范圍內運行；

常溫型，能在環境溫度-5℃-55℃范圍內運行。