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道路低位照明评价指标探讨

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-07-06  来源:中国智慧照明网  作者:胡 华,石秋霞 中南大学建筑与艺术学院  浏览次数:4797
核心提示:低位照明作为新的道路功能照明方式,有别于传统立杆照明布置形式,照明质量评价指标也存在一定的差异。文章从人眼视觉舒适度出发,结合传统道路照明评价方式及低位照明应用特点,提出低位照明视觉舒适性的影响因素和评价指标,为后续建立“以人为本”的低位照明综合质量评价体系提供参考。
       视觉舒适度道路低位照明是指灯具安装高度低于驾驶员视线高度的一种照明方式。早期,低位照明主要用于辅助照明和景观照明,随着灯具光源功效的提升与配光技术的改进,低位照明逐渐步人城市道路功能照明的行列。2006年,英国一款名为ORUS路灯的诞生,证实了经过严格配光设计的低位照明灯具在道路功能照明中应用的可能性。
        随后,学者针对低位照明方式下道路可见度、舒适度等参数进行了一系列的实验模拟与测试,推动灯具光学性能不断提升,同时也推进了低位照明在实践中的应用。
       1987年,南京市中央门立交桥采用了低位照明设计,这是中国低位照明灯具运用于道路功能照明中的一次有效尝试。当前,立交桥、高架桥等城市立体交通都采用了低位照明作为道路功能照明方式。
       1、道路低位照明的特点
       目前,室外功能性照明灯具的安装方式大都为杆装,在城市道路照明中,多采用安装高度为l0m以上的常规路灯及高杆灯等传统照明方式。然而,针对城市立交桥和快速路等复杂交通环境的交通体、有特殊景观照明需求的道路桥梁工程和环境状况导致的灯杆安装困难等情况,常规的立杆照明方式已不能满足道路功能照明的设计要求。与传统立杆照明方式相比,道路低位照明有自身的优势和局限。
       选取高杆灯、常规路灯与低位照明灯3种道路功能照明常用灯具,从前期投资、投入使用到后期维护阶段对同等照明需求下的景观性、眩光及能耗指标作比较分析,具体数据如表l所示。不同于传统立杆照明灯具布置方式,低位照明灯多与桥梁护栏或防撞墙相结合,布置于驾驶员视线高度下方以集中照亮路面,这种布灯形式改变了传统照明灯杆林立的现象,在节约能源的同时也为后期的维护使用提供了便利。
       此外,低位灯与桥体相结合的布置方式,使灯具在桥面形成连序的线性排列,为驾驶员提供视觉导向的同时减少了对周边建筑及下穿道路的光线干扰,保护了桥梁整体景观的完整与协调性。值得注意的是,由于低位照明安装高度较低,为满足道路功能照明所规定的亮度与均匀度等清晰度要求,一些照明工程在缩短灯具安装间距的同时也对灯具光学系统提出了更加严格的设计要求,使低位照明灯具前期成本大幅度提升,为该技术的推广与发展带来了较大阻力。
表1高杆灯、常规路灯和低位照明灯的应用比较
       表1高杆灯、常规路灯和低位照明灯的应用比较
       当前,低位照明灯多应用于两车道的城市立交桥及高架桥等行人通行量较少的立体交通照明中,尚未将其拓展到3车道以上的立体交通功能性照明或环境照明要求较高的城市道路照明中。随着建筑夜景照明的不断发展,城市整体光环境亮度不断提高,这在一定程度上为低位照明提供适当的周边环境亮度,使其在人车混行的城市支路及商业步行街的应用成为可能。此外,考虑到3车道以上的城市道路中线处多以绿化带进行隔离,若结合隔离带将多车道划分为2车道,在此基础上安装低位照明灯以满足中间车道的照明需求,也是未来低位照明可尝试的方向之一。
       2、道路低位照明评价指标探讨
       由于低位照明安装高度较低、间距较窄的工程布置特性,相比于常规道路照明方式,更容易引起驾驶员生理和心理上的紧张、疲劳等不舒适感,降低其路面视觉体验。为此,对于低位照明质量评价参数的探讨将在亮度、亮度均匀度、视标对比度等物理参数的基础上,增加色温、显色性等舒适度主观评价指标,为生理上协调、心理上舒适、艺术上美观的道路低位照明设计提供参考。
       2.1  亮度和亮度均匀度
       亮度是夜间驾驶员基本视看能力实现的基础,是道路照明视觉作业环境下最重要的影响参数之一。亮度值的大小与光源照度及路面材料的反射特性有关。根据《城市道路照明设计标准》( CJJ 45-2015)中城市快速路的亮度标准要求,立交桥路面平均亮度应维持在1.5—2.Ocd/m2,亮度均匀度不低于0.4。当前,由于缺乏明确、有针对性的低位照明应用研究与指导规范,低位照明应用效果不佳,难以满足道路照明中的亮度、均匀度等清晰度要求。
       考虑到低位照明距离路面及驾驶员视平面较近的灯具布置特点,低位照明在满足常规灯杆照明亮度要求时也需防止光源亮度过高所产生的眩光影响,这在一定程度上对灯具的配光设计提出了较高要求,光源功率的选择应结合灯具布置间距综合考虑。与此同时,对于立交桥、高架桥等以车行交通为主体的城市交通体而言,车辆前照灯的路面补充照明作用也应在低位照明工程应用中引起重视。
       亮度均匀度是衡量路面亮度分布差异的重要指标,路面障碍物的识别及照明视觉舒适度的衡量都与该参数相关。合理的路面亮度均匀度是保证驾驶员集中注意力、对路面状况进行差异化识别的基础,过大的亮度差会导致视觉灵敏度下降,降低驾驶员对暗区障碍物的反应速度。研究表明,立交桥路面亮度均匀度在0.4—0.5时,驾驶员视觉工效表现相对较好,当上升到0.6时,可见度略微下降,因此,低位照明亮度均匀度选值应控制在0.4—0.6之间。
       与此同时,由于低位照明灯具安装高度较低、光束分布较为集中的特点,相邻灯具之间极易形成视觉暗区,这就要求设计时必须选择合适的灯具间距并加强灯具侧向配光,满足纵向均匀度要求。
       2.2视标对比度
       视标对比度也叫亮度对比度,是指目标障碍物与路面背景之间的亮度对比关系,该参数的大小影响驾驶员识别路面障碍物的难易程度。研究表明,在中间视觉状态下,驾驶员对路面障碍物的反应时间随视标对比度的增强而呈现指数缩减的变化趋势,当视标对比度增大到一定程度时,反应时间将不再变化,且过高的视标对比度容易对人眼造成眩光干扰。在立交桥、高架桥等行人通行量较少的道路照明中,驾驶员主要的视觉任务在于关注周边车辆状况以便及时做出反应,因此,营造合理的车辆与路面亮度对比关系以加快驾驶员识别速度是低位照明设计关注的重点。考虑到汽车车灯对周边车辆状况的照明补充作用,低位照明灯应加强对道路路面区域的照明,在提升路面亮度均匀度的同时加强灯具配光设计,以减少背景亮度差及光线散射带来的视觉干扰,为路面交通状况的快速识别奠定基础。
       2.3反应时间
       驾驶过程中的反应时间是指驾驶员从视野区域中发现路面障碍物到做出相应举措所消耗的时间,这一过程包括识别阶段和反应阶段,反应时间的长短与道路交通事故的发生几率息息相关。与常规立杆照明方式相比,低高度的灯具安装方式减少光线传播过程中产生的照明遮蔽效应,可加快驾驶员对道路标线、障碍物等路面状况的识别速度,在雨天、浓雾等视野干扰较大的情况下,这种优势更加显著。
       此外,立交桥复杂多变的交通构造特点,也对道路光环境提出了更高的要求。为使驾驶员快速识别前方道路结构,及时做出反应,照明设计中需加强对路面诱导性的关注。与桥体相结合、短间距的近线性灯具排列方式使低位照明具有路面导向优势,这在一定程度上减少了驾驶员对道路交通环境的识别时间,为路面交通的安全运行提供了保障。
       2.4失能眩光与频闪
       在低位照明中,眩光与频闪效应是影响驾驶员视觉作业能力的两种常见现象。其中,失能眩光是描述光源的散射光线在人眼内形成光幕,从而降低目标物体亮度对比度的物理参数,基于失能眩光度量的阈值增量指标则为评价立交桥道路交通安全最重要的指标之一。研究表明,在3车道以下的立交桥、高架桥等道路低位照明中,阈值增量值随灯具安装间距的缩小及安装高度的增加呈上升趋势,结合立交桥低位照明应用现状,单、双车道的阈值增量值分别控制在30及15以内较为适宜。
       频闪效应是指与行驶速度不对应的低位灯安装间距引起光源在人眼中形成忽明忽暗的“闪烁”现象。闪烁频率厂主要由灯具安装间距s(单位为m)及驾驶速度v(单位为m/s)决定,其数量关系为:f=v/s。研究表明,2.5—15Hz频段内的光源闪烁让人感觉最不舒适。在低位照明设计中,应结合车行时速与闪烁频率计算出合理的灯具安装间距,减弱驾驶过程中频闪现象对驾驶员视看能力的影响。
       在现阶段的立交桥低位照明设计中,灯具安装高度多为0.9—1.2m,相邻灯具间隔在l0m以内,一些工程布置间距低至1—4m。这种布置方式减少了驾驶员视平面与光源之间的距离,若灯具外表面缺少对上射光线的特殊处理,将会带来比传统照明更为严重的失能眩光。此外,灯具间隔的缩短也增大了频闪效应的发生几率,考虑到常规立交桥车辆限速60km/h,灯具安装间距布置在6.8m以上较为合适。对于匝道和桥体中的上坡路段而言,上坡段前方灯具所在路面相比正常路面抬高了几十厘米,使灯具出光口刚好与驾驶员视平面处在同一高度,不可避免地造成路面眩光。因此,对于低位照明而言,严格限制灯具平行于路轴方向上的光通量尤为重要。
       2.5不舒适眩光
       不同于失能眩光指标的可度量性,作为道路照明设施的主观评价参数,不舒适眩光旨在衡量光环境给道路使用者带来的刺眼、疲劳等心理上的不舒适感,为后续光环境视觉舒适性的改进提供参考建议。由于低位照明安装高度较低,若其灯具没有经过特殊的配光处理,光线将集中照亮灯具下方区域,从而在路面上形成明暗差异较大的“光斑”,在驾驶员直视前方路面时产生强烈的眩光。此外,光源色温及背景亮度的改变也将对驾驶员造成影响。研究表明,在光源亮度一定的情况下,被试者的主观视觉舒适性随光源色温的降低及背景亮度的升高呈现上升趋势。因此,在低位照明设计中,应尽量选用中低色温光源,同时加强灯具配光设计,提升路面照明整体均匀度,营造舒适、安全的照明环境。
       2.6色温
       色温是用于表示光线中光谱组成成分的参数。研究表明,不同色温下的照明环境对人体生理、心理状态及脑力活动的影响也不尽相同。例如,中、高色温光源能使大脑保持活跃与清醒状态,起到降低视觉疲劳的作用,而低色温环境则促进人体内褪黑色素的分泌,使人保持放松状态。由描述色温一照度关系的Kruithof曲线可知,对光源色温的视觉偏好与照度这一参数相关(见图1),在高照度条件下,人们将更偏爱于高色温光源。结合低位照明的应用特点,照明效率的提升及灯具安装间距的缩短使低位照明灯在较低照度水平下就能满足道路照明的可见度要求,此时,2500K以下的低色温光源让人感觉最为舒适与放松。然而,过低的光源色温易降低驾驶员大脑活跃度,进而降低反应时间。因此,低位照明光源色温的选择应结合照度水平及路面交通状况综合考虑,为寻求驾驶员视觉功效与视觉舒适度的平衡,低位照明光源色温范围在3500—4500K内较为适宜。
 图1色温一照度关系
    图1色温一照度关系
       2.7显色性
       在夜间人工照明环境中,不同光线背景下的物体颜色表现效果并不相同,用于描述光源对日光状态下物体客观颜色表现能力的参数称为显色性。研究表明,同等亮度背景下,良好的光源显色性使路面空间感觉更为明亮与温馨,还有缓解驾驶员视觉疲劳的作用。在立交桥道路照明中,视觉目标颜色呈现效果直接影响驾驶员对路面状况的辨认速度和反应时间。早期,高压钠灯因其良好的光效优势,在立交桥照明中得以大量运用。随着道路中间视觉状态研究的不断深入,人们开始对钠灯照明状态下较差的视觉呈现效果及目标识别速度提出质疑。近年来,LED光源因其高光效、低能耗及良好的显色性等特点,逐渐取代高压钠灯在立交桥照明领域的优势地位。低位照明设计中LED光源的应用,为满足路面亮度需求的灯具配光设计提供了条件,使其在立交桥功能照明中的应用不断拓展。
       2.8诱导性
       良好的路面导向性是低位照明的应用优势。不同于常规立杆式照明的布灯方式,低位照明设计中灯具与桥体护栏或防撞墙相结合,且以规律、短间距的方式排列。当车辆以一定速度行驶时,两侧灯具将在视线中形成连续、类似线性的灯带,为夜间路面的边缘轮廓及运动方向提供诱导作用的同时,也减少了对桥面及周边建筑环境的干扰,带来了良好的景观视觉效应。
       2.9艺术性
       当前,城市道路在满足基本交通运输功能的基础上,对其自身景观艺术效果越来越重视,某些特殊的城市交通节点也承担着独特的美学价值,在夜间照明中被赋予相应的艺术品味。相比于传统照明灯杆林立的布置方式,低位照明将灯具安装于立交桥护栏或防撞墙内,将功能性照明与桥体的艺术性表达相结合,为其景观照明的发展预留了更多的可能性。选择合适的照明色温以寻求与周边建筑景观的融合也是低位照明设计常用的艺术表现形式。
       3结论
       作为一种新兴的道路照明方式,低位照明在眩光控制、能源利用及后期维护等方面的优势使其在道路照明领域得以大量应用。目前,低位照明缺乏明确、完善的照明品质评价体系,加之对光环境舒适度效果的关注不足,导致道路低位照明效果参差不齐、视觉舒适度评价无从下手等问题。
       文章结合视觉科学相关理论,从使用者角度探讨低位照明光环境的设计需求,提出低位照明品质评价指标,并为道路照明品质的研究提供新的思路与方法。

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