旋轉(zhuǎn)角對(duì)道路交通逆反射材料光度性能影響分析

◎任冠群 陳鄲達(dá) 王文成

本文從交通標(biāo)志反光膜的結(jié)構(gòu)、逆反射原理入手，通過(guò)對(duì)各顏色反光膜的多旋轉(zhuǎn)角測(cè)試，用極坐標(biāo)繪制個(gè)色反光膜的逆反射系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角的變化，并計(jì)算相對(duì)誤差，以此模型來(lái)表征反光膜的旋轉(zhuǎn)均勻性。

一、緒論

1.研究背景。

2021年是新中國(guó)成立72周年。72年來(lái)，我國(guó)交通事業(yè)跨越式發(fā)展，人民出行方式顛覆式改變。特別是公路交通，總里程從建國(guó)初的8.08萬(wàn)公里增長(zhǎng)至521.65萬(wàn)公里，增長(zhǎng)了60倍；高速公路從“零”增長(zhǎng)至15萬(wàn)公里通車?yán)锍獭⑾到y(tǒng)規(guī)模均居世界第一；農(nóng)村公路總里程超過(guò)404萬(wàn)公里，其中，100多萬(wàn)公里的公路是最近10年終修建的。根據(jù)《道路交通反光膜》（GB/T 18833-2012）有關(guān)規(guī)定，交通標(biāo)志大范圍采用Ⅴ、Ⅵ類反光膜推薦使用年限一般為10年[2]，這就意味著未來(lái)十年（2020-2030年）我國(guó)100多萬(wàn)km道路的交通標(biāo)志需要養(yǎng)護(hù)或更換，如果加上前期已修建的但未得到及時(shí)更換和養(yǎng)護(hù)的公路里程，這個(gè)數(shù)字將會(huì)更加龐大。這將給道路管理和養(yǎng)護(hù)部門帶來(lái)巨大的人力和物力消耗。

2.研究目的和意義。

旋轉(zhuǎn)角是從逆反射體軸上的觀察點(diǎn)逆時(shí)針測(cè)量，在垂直于逆反射體軸的平面上，從觀測(cè)軸與逆反射軸形成的半平面到基準(zhǔn)軸的夾角，-180°＜ε≤180°。

道路交通反光膜是制作道路交通標(biāo)志牌的重要材料，對(duì)該材料的光特性研究保證其使用效果的重要手段，對(duì)于反光膜逆反射系數(shù)衰減的預(yù)測(cè)是指導(dǎo)道路交通標(biāo)志板養(yǎng)護(hù)盒更換的基礎(chǔ)，我國(guó)現(xiàn)使用的技術(shù)規(guī)范GB/T18833-2012只規(guī)定了在0°的旋轉(zhuǎn)角下逆反系數(shù)的最低值，其他旋轉(zhuǎn)角下逆反射系數(shù)也缺少相關(guān)要求，基于上述問(wèn)題，本論文主要的研究目的在于：得出不同旋轉(zhuǎn)角下反光膜逆反射系數(shù)衰變，采用極坐標(biāo)繪制旋轉(zhuǎn)角與逆反射系數(shù)之間的關(guān)系，以此來(lái)表征反光膜的逆反射角度均勻性，對(duì)標(biāo)志板面的粘貼也起到了一定指示作用。

3.研究現(xiàn)狀。

我國(guó)的逆反射基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，產(chǎn)品的規(guī)范以及測(cè)試方法主要參照西方國(guó)家。道路交通行業(yè)使用的產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，我國(guó)直到2012年才將旋轉(zhuǎn)角考慮在內(nèi)。

道路交通標(biāo)志所采用的的微棱鏡型結(jié)構(gòu)的反光膜，在各個(gè)測(cè)試方向，即不同旋轉(zhuǎn)角ε下，其光度性能可能存在極大的差異。這種差異在標(biāo)志板粘貼反光膜時(shí)，由于粘貼方向的隨意性，導(dǎo)致交通標(biāo)志的實(shí)際逆反射效果較差，管養(yǎng)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)離散性也很大，使用過(guò)程中缺乏可靠性。

現(xiàn)階段在反光膜的生產(chǎn)制備過(guò)程中，生產(chǎn)廠商會(huì)在樣品上做基準(zhǔn)標(biāo)記（沿基準(zhǔn)軸方向用箭頭標(biāo)注），表示此方向?yàn)榇朔焦饽さ淖畲竽娣瓷湎禂?shù)方向，使用安裝或測(cè)試過(guò)程中需按照此方向進(jìn)行，否則效果會(huì)大打折扣，但在實(shí)際操作過(guò)程中，受到施工人員、專業(yè)技術(shù)人員的水平限制，很難完全按照此方向進(jìn)行施工，目前國(guó)內(nèi)較少有研究各旋轉(zhuǎn)角對(duì)反光膜逆反射系數(shù)的具體影響，故本文在研究Ⅳ類反光膜逆反射系數(shù)衰減規(guī)律之余，同時(shí)采集各旋轉(zhuǎn)角下逆反射系數(shù)的分布，沿不同的旋轉(zhuǎn)角測(cè)試出的逆反射系數(shù)數(shù)值差異不大，表明該反光膜基本各向同性，制作交通標(biāo)志時(shí)可不用考慮方向性。但如沿不同的旋轉(zhuǎn)角測(cè)試出的逆反射系數(shù)數(shù)值差異很大，則表明該反光膜各向異性，使用該反光膜制作交通標(biāo)志時(shí)，應(yīng)根據(jù)其標(biāo)志的類型和設(shè)置位置來(lái)考慮反光膜的粘貼方向。

4.研究方法。

采用美國(guó)RoadVista932便攜式逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x，模擬自然環(huán)境，對(duì)美國(guó)3M各顏色反光膜進(jìn)行人工加速老化，對(duì)逆反射系數(shù)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，利用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析逆反射系數(shù)衰減曲線，再于同一時(shí)期，對(duì)不同顏色反光膜樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角變化檢測(cè)，得出旋轉(zhuǎn)角與逆反射系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。主要研究方法如下：

a.每隔5°對(duì)反光膜逆反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量；

b.0-360°范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果用二維極坐標(biāo)進(jìn)行表征；

c.計(jì)算絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差。

二、道路交通標(biāo)志逆反射材料概述

1.道路交通標(biāo)志反光材料分類。

根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T18833-2012，《道路交通反光膜》，反光膜按照其光度性結(jié)構(gòu)和用途，分為7種類型。

a.I類，通常為透鏡埋入式玻璃珠型結(jié)構(gòu)，稱工程級(jí)反光膜，使用壽命一般為7年，可用于永久性交通標(biāo)志和作業(yè)區(qū)設(shè)施。

b.II類，通常為透鏡埋入式玻璃珠型結(jié)構(gòu)，稱超工程級(jí)反光膜，使用壽命一般為10年，可用于耐久性交通標(biāo)志惡化作業(yè)區(qū)設(shè)施。

c.III類，通常的密封膠囊式玻璃珠型結(jié)構(gòu)，稱高強(qiáng)級(jí)反光膜，使用壽命一般為10年，可用于永久性交通標(biāo)志和作業(yè)區(qū)設(shè)施。

d.IV類，通常為微棱鏡結(jié)構(gòu)，稱超強(qiáng)級(jí)反光膜，使用壽命一般為10年，可用于永久性交通標(biāo)志、作業(yè)區(qū)設(shè)施和輪廓標(biāo)。

e.V類，通常為微棱鏡結(jié)構(gòu)，稱大角度反光膜，使用壽命一般為10年，可用于永久性交通標(biāo)志、作業(yè)區(qū)設(shè)施和輪廓標(biāo)。

f.VI類，通常為微棱鏡結(jié)構(gòu)，有金屬鍍層，使用壽命一般為3年，可用于輪廓標(biāo)和交通柱，無(wú)金屬鍍層時(shí)也可用于作業(yè)區(qū)設(shè)施和字符較少的交通標(biāo)志。

g.VII類，通常為微棱鏡結(jié)構(gòu)，柔性材質(zhì)、使用壽命一般為3年，可用于臨時(shí)性交通標(biāo)志和作業(yè)區(qū)設(shè)施[2]。

2.逆反射原理。

逆反射是指光線沿著與入射光方向的鄰近方向反射，當(dāng)照射角在很大范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)仍能保持這一特性。逆反射按其反射單元結(jié)構(gòu)可分為兩大類。一類是玻璃珠型逆反射。當(dāng)一束入射光水平入射玻璃珠制成的逆反射材料后，經(jīng)過(guò)系列折射與反射得到一束與入射光平行的反射光，而由于所用玻璃珠粒徑很小，所以反射光束的光軸和入射光束的光軸幾乎重合，也就是反射光線向光源方向返回。另一類是微棱鏡型逆反射，入射光投射到透明的立方體或三棱體上，每一個(gè)棱鏡逆反射單元具有三個(gè)相互垂直的反射面，入射光線經(jīng)由三個(gè)反射表面折射和反射后，出射光按入射光方向平行的返回所示[4]。

三、旋轉(zhuǎn)角對(duì)道路交通逆反射材料測(cè)試的影響

1.各旋轉(zhuǎn)角下逆反射系數(shù)試驗(yàn)方法。

（1）試驗(yàn)設(shè)備。

a.RoadVista932便攜式逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x。

b.2.0-360°角度尺。

2.幾何角度。

測(cè)試采取0.2°觀測(cè)角，-4°入射角，以基準(zhǔn)標(biāo)記為軸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)每15°測(cè)試一組數(shù)據(jù)。

3.數(shù)據(jù)處理。

將個(gè)各顏色反光膜測(cè)試結(jié)果繪制于極坐標(biāo)軸上，得出各顏色反光膜特征圖形，圖形越接近于圓，說(shuō)明該反光膜旋轉(zhuǎn)均勻性更好，圖形越有凹凸，說(shuō)明該種反光膜旋轉(zhuǎn)均勻性不好，在進(jìn)行標(biāo)志施工時(shí)要注意粘貼的方向性。

其中：

Rmax為檢測(cè)的最大值，Rmin為檢測(cè)的最小值；

2.不同旋轉(zhuǎn)角下逆反射系數(shù)分布。

選取高速公路上使用量最大的Ⅳ類微棱鏡型白、綠、黃、紅、藍(lán)色反光膜，生產(chǎn)廠家為美國(guó)3M公司。

表1是以15°為間隔，各顏色反光膜逆反射系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。

?

在極坐標(biāo)下繪制逆反射系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角變化曲線如圖1所示。

圖1 不同旋轉(zhuǎn)角下逆反射系數(shù)變化圖

3.相對(duì)誤差分析。

從以上數(shù)據(jù)分析，微棱鏡型反光膜在0°和180°時(shí)逆反射系數(shù)較高，在45°、135°、225°、315°時(shí)逆反射系數(shù)較低，分別計(jì)算各顏色反光膜的絕對(duì)誤差，見表2。

白色：

紅色：

綠色：

藍(lán)色：

黃色：

?

從測(cè)試結(jié)果和分析可知，旋轉(zhuǎn)角ε對(duì)微棱鏡型逆反射材料的影響非常顯著，由此產(chǎn)生的誤差在41%-80%之間，所以，在標(biāo)志的支座過(guò)程中，要尤其注意反光膜文字的剪裁，粘貼的角度，不適當(dāng)?shù)慕嵌葧?huì)對(duì)標(biāo)志的視認(rèn)帶來(lái)極不利的影響，給交通安全設(shè)施管養(yǎng)帶來(lái)麻煩的同時(shí)，也嚴(yán)重影響道路行車安全。

四、結(jié)論與展望

1.主要研究成果。

目前國(guó)內(nèi)較少學(xué)者研究旋轉(zhuǎn)角對(duì)逆反射材料逆反系數(shù)的具體影響，本研究做了初步試探，得出了微棱鏡型反光膜各旋轉(zhuǎn)角與逆反射系數(shù)模型關(guān)系，通過(guò)分析得出的結(jié)論與實(shí)際情況一致，給標(biāo)志安裝與質(zhì)量檢測(cè)提供了理論借鑒，并對(duì)后續(xù)新逆反材料的研發(fā)提供參考。

2.需進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

受到作者學(xué)術(shù)水平及研究條件的限制，本文的研究尚有一些有待加深的空間：

（1）反光材料的廠家、型號(hào)眾多，本文只選取了使用量最為普及的一類型進(jìn)行研究，并且得出的結(jié)論需要在實(shí)際環(huán)境中驗(yàn)證，在有條件的情況下，需要對(duì)其他品類的反光膜也進(jìn)行試驗(yàn)，增大數(shù)據(jù)的采集量，從更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，增加研究的可靠性。

（2）逆反射系數(shù)的衰減實(shí)際上受到使用時(shí)間、光照、海拔、溫度、濕度等多種因素的影響，單一情況的模擬只適用于特定地區(qū)，為增加普適性，應(yīng)在全國(guó)地區(qū)開展相關(guān)調(diào)差研究。

五、展望

目前微棱鏡型逆反射材料的核心技術(shù)還掌握在美國(guó)3M、日本恩希愛等少數(shù)國(guó)外企業(yè)手中，受制于基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，我國(guó)的光學(xué)材料甚至是光學(xué)設(shè)備都嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)幾個(gè)大的光學(xué)儀器廠家也僅僅處在購(gòu)買、模仿階段，幾年前，國(guó)家和行業(yè)的規(guī)范也只是處在翻譯國(guó)外規(guī)范的狀態(tài)。我國(guó)汽車市場(chǎng)活躍，交通壓力逐年增加，安全問(wèn)題日益凸顯，在國(guó)家強(qiáng)盛的這條道路上，需要更多的人來(lái)投入到工業(yè)發(fā)展的短板上，以前仆后繼之勢(shì)將前路點(diǎn)綴得熠熠生輝。