中美道路照明标准及测试方法的解析

孟令涛 邹念育 贺晓阳 曹冠英 杨轶 李德胜 张竞辉

(大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116034)

1 引言

道路照明为机动车驾驶人员创造良好的视觉环境，以求达到保障交通安全、提高交通运输效率、降低犯罪活动和美化城市夜晚环境的效果［1］。道路照明的设置还有助于创造舒适宜人的夜晚环境氛围［2］。此外，优良的道路照明设施也是城市形象和人文修养的重要表现之一［3］。道路照明评价标准是评价城市照明设施好与坏的主要依据，科学和详细的道路照明标准可以客观真实的反映道路照明设施的质量。而道路照明测试方法则是评价与检验道路照明设施的照明效果是否达标的主要手段。本文之所以重点以中美两国的测试标准为参考基础，是因为美国的道路照明工程发展比较早，其标准和测试方法参照了国际照明委员会 (CIE)的有关规定，而且美国的地理位置和气候条件与我国相似，因此研究和解析中美两国的道路照明标准及测试方法，对我国道路照明的开展与检测有实际价值。

2 中美道路照明标准的解析

中国道路照明标准和美国道路照明标准对照明评价参数都作出了详细的规定，本文对其进行了详细的解析和比较，如表1所示。

表1 中美道路照明标准参数的比较［3～13］

我国根据使用功能和车流量的大小，将城市道路照明按快速路与主干路、次干路、支路分为三级［7］。美国在道路分级上将高速公路照明纳入该国的道路照明标准，将道路照明按A类高速公路、B类高速公路、快速路与主干路、次干路、支路分为五级［7］，而在我国，高速公路一般归交通运输部系统管理，高速公路照明标准需另见交通部制订的标准。

我国的平均亮度值和照度值规定了高档和低档两个值，在选定照明标准值时，应考虑城市的性质和规模，中小城市和车流量较小的道路以及交通控制系统和道路分隔设施完善的道路可选择标准中的低档值［7］，而大城市和车流量大的道路应该选择标准中的高档值，这是我国标准的科学精确之处，既满足了不同道路的照明功能，又节约了能源。因此，平均亮度的高低挡值规定应该继续保留在我国标准中。

美国标准根据道路表面反射系数的不同和车流人流的大小，把每个分级道路的平均照度标准值规定为三个值或三个范围。而我国标准直接给出的平均照度仅适用于沥青路面，水泥混凝土路面对应的平均照度值可相应降低约30%，这一数值是根据该标准附录A给出的水泥混凝土路面的简化亮度系数表算出的。同时，在我国标准中，平均照度标准值只适用于干燥路面，没有考虑到雨雪等天气的湿滑路面的情况，，我国应该将平均照度值的范围扩大，把雨雪天气因素纳入到标准当中，进一步完善我国平均照度的标准值。而美国标准存在同样的问题［10］

中美两国在眩光限制标准值方面也存在差异。在各个级别的道路上，我国和CIE一致，采用阈值增量的评价方法，而美国的标准采用光幕亮度比的评价方法［13］。两国的评价方法不同，但是都有其科学性和合理性。

3 道路照明测试方法的解析

道路照明测试方法是测试和检验道路照明设施照明效果的主要手段，也是评价照明质量的主要依据［7］。因此，解析中美两国道路照明测试方法，对我国照明质量的提高有重要的意义。

3.1 照度测试方法的解析

中美两国的照度测试方法基本一致，根据测量点的选择方式的不同，两国道路照明照度测量的布点方法都采用四点法和中心法两种。如图1示，四点法是把同一侧两灯柱间的测量路段分成若干个大小相等的矩形网格，把测点设置在每个矩形网格的四角。如图2示，中心法是把同一侧两灯柱间的测量路段划分成若干个大小相等的矩形网格，把测点设在网格中心。

图1 四点法示意图 (图中圆点为测量点)

四点法的平均照度计算:若M为纵方向划分的网格数，N为横方向划分的网格数，则被测区域的总网格数为 M×N(本文中的 M和 N的值以4×4为例)。网格的划分方法和数量在我国标准GB/T 5700－2008《照明测量方法》已有规定，而平均照度为 Eav，

其中:E0为图一中测量区4个角处测点的照度;E1为图一中除4个角处4条外边上测点的照度;E2为图一中测量区4个外边以内测点的照度。

图2 中心法示意图 (图中的圆点为测量点)

而中心布点法的平均照度计算公式为，

其中，Eav为平均照度值，E0为图二中各个测量点测量的照度值。

本文既考虑到某些数值的特殊性，又考虑到计算的整体性，而采用了式 (3)所示的加权平均算法，该公式将测量区域归纳为三类，第一类是四个灯杆正下方的位置;第二类是两灯杆中心位置;第三类是为除前两类之外的位置。第一类型测量区域(四个灯杆正下方的位置)的测量点 E0的点数最少，也是司机使用频率最少的区域，将其乘以系数1，第二类型测量区域 (两灯杆中心位置)的测量点E2是司机使用频率最多的区域，将其乘以系数4，第三类型区域中测试点E1的使用频率介于第一类和第二类之间。将其乘以系数2，并且考虑到布点区域 (M和N)，M为横向网格数，N为纵向网格数。进而根据公式 (3)计算获得的平均照度值。综上所述，在测试区域相同的条件下，本文有效地避免了传统四布点测试方法中机动车道测量点与人行道测量点相重合的问题，并且计算的平均照度值更加精确［14］。其改进的公式为，

3.2 亮度测试方法的比较

首先，选择亮度测量路段应该考虑的因素也较多，选择测量地段时，应从灯具的间距、高度、悬挑、仰角等的安装规整性及光源的一致性等方面选择有代表性的路段［15～18］。亮度测量范围在道路纵向应为从一根灯杆起100m距离以内的区域，至少应包括同一侧两根灯杆之间的区域;对于交错布灯，应为观测方向左侧灯丁开始的两根灯杆之间的区域。在道路横向应为整条路宽。亮度计的观测点高度应距路面1.5m，亮度计的观测点的纵向位置应距第一排测量点为60m。亮度测点的布置方法也详见国标GB/T 5700－2008，这里不再赘述。在美国RP－8－00《道路照明》附录 A之A9中也规定了路面亮度测量方法，其布点方法和我国的方法略有不同，但这还不是最主要的，主要差别在于其规定亮度计的高度为1.45m，且亮度计 (观测者)随着测试点平行于道路移动，始终保持1°视线，与测点纵向距离为83m。我国的测量标准和CIE保持一致，而对于美国标准我们无从评价。

测量高度的一致性需三角架来控制。平均亮度的值是设定的点上测得的各点亮度的平均值，它是衡量照明效果的主要参数。路面亮度总均匀度为路面上最小亮度与平均亮度的比值。路面亮度纵向均匀度是同一条车道中心线上最小亮度与最大亮度的比值［18－20］。

3.3 亮度测试和照度测试的关系

评价机动车道路照明的质量，是从机动车驾驶者角度来衡量，考虑其视觉的功能和舒适性两个方面。概括而言，主要指道路的平均亮度、亮度的均匀度，对使用者产生的眩光控制水平等。虽然依据亮度建立标准比依据照度建立标准科学合理。但是如果要检查或核对亮度的设计是否符合实际 (或符合规范、标准)，也可通过测量照度来进行，即如果照度的设计值和实测值是符合的话，则亮度的设计值和实际值也会符合。当然，这是以路面的反光性能接近设计时所依据的数值为前提的。由于测量亮度需要亮度计，实际测量工作也比较费时费力，而测量照度的方法要简单方便得多，照度计的使用和携带也比亮度计方便，因此，没有条件进行亮度测量的地方，不但不能放弃反而要重视照度测量。

综上所述，美国制定的照度和亮度相互补充的照明标准和测量方法是可取的。目前，我国也采用了照度和亮度两套标准。

3.4 眩光的限制方法

目前，中美两国眩光的限制方法主要有两个方面，即失能眩光和不舒适眩光，失能眩光损害眼睛看物体的能力，直接影响到驾驶员察觉路面情况的可靠性;不舒适眩光通常会引起视觉上的不舒服或疲劳。

失能眩光的限制值，我国规定了阈值增量(TI)的范围。阈值增量是将平均路面亮度作为背景亮度，当背景亮度范围为0.005cd/m2＜Lb＜5cd/m2时，TI的计算公式近似为下式，

其中，TI是相对阈值增量 (%)，Lv是等效光幕亮度，Lav为平均路面亮度，而等光效光幕亮度的计算方法式 (5)

其中，Lv为等效光幕亮度，Eeye为眩光源在观察者眼睛上 (位于垂直于视线的平面上)所产生的照度，θ为视线与眩光源入射方向之间的夹角，K为比例常数，当θ以度为单位时，K=10，当θ以弧度为单位时，K=3×10－3。在实际情况中，视场中会出现多个眩光源，此时总的等效光幕亮度是每个眩光源所产生的等效光幕亮度之和。

美国的失能眩光限制则是采用根据式 (6)计算得到的光幕亮度比Lvmax/Lavg来评价的。

式中 Lv=一个灯具产生的光幕亮度 ;K=10×在25岁观察者眼睛平面上产生的垂直照度 ;θ=以度为单位的角度。Lavg为路面平均亮度

请注意，式 (5)和式 (6)还是有一些差别的

目前，LED路灯大范围应用于道路照明，其低能耗、高亮度、寿命长等优点已经得到广泛的认可。然而如果高亮度的LED路灯布灯不合理，就会也会造成比传统光源更强的眩光。因此，眩光的限制应该进一步加以重视。

3.5 讨论及建议

LED作为一种新型光源，与传统光源相比具有很多优点，例如体积小、重量轻、节省空间、光谱范围广、易于设计、能耗低等。而且可靠性好、寿命长，有着广阔的发展前景。表2可显现出LED路灯相对传统高压钠路灯具有的优势。目前，为了引导我国半导体照明应用的健康和快速发展，科技部启动了“十城万盏”半导体照明应用工程。由于LED自身的优势和国家的大力倡导，LED取代传统光源的进程势必加快。因此，我国照明标准是否应该针对LED随之有所增补和完善。虽然与传统光源相比LED具有很多优势，但是作为道路照明，仍然还存在一些技术上的问题急需要解决。与普通的高压钠灯或金卤灯相比，虽然LED光源发光角度较小，有效照射面的亮度更大，方向感强，在局部照明上有优势，然而将其应用到道路照明后，每根路灯灯杆之间都有规定的距离，由于每支光源发光角度小，光线比较集中，就导致了两个灯杆之间部分的亮度明显暗于灯下，这也就是通常所说的“斑马线”，其对于路面照明来说是非常不利的，容易引发安全事故。因此LED路灯在亮度均匀度和照度均匀度方面还有待提高。

表2 LED 路灯和高压钠灯的对比

作为新光源，LED路灯不可避免地与现有主流照明，特别是高压钠灯反复比较，色温正是主要的比较点。LED路灯支持者认为，高色温白光用于道路照明有中间视觉效应，可视性好，感觉比低色温黄光更明亮;高压钠灯支持者则认为，黄光透雾性好，感觉温暖，比白光更受市民欢迎。从研究角度看，我国道路照明标准有必要从研究内容、研究方法等方面找出LED路灯色温在规模推广前最需要解决的问题。

同时与传统道路照明器件相比，LED路灯研制中散热结构的设计与检测也非常重要，没有很好散热结构的LED路灯，会由于升温太大而降低发光效率，太高的结温不仅会使路灯的LED功率器件加速光通量的衰减，降低使用寿命，严重的甚至会造成失效。因此，我国标准应该对LED路灯的散热标准有所规定。

4 总结

我国道路照明标准在道路分级、不同路面材料所对应的照度值、湿滑路面参数值方面有待提高，而我国在平均亮度的高低两档值规定方面要优于美国标准。在测试方法方面，中美两国目前采用的照度测试方法基本一致，本文对照度的现场测试方法进行了改进和优化。在机动车道路测试方面，由于主要使用者是司机，CIE及包括中国在内的大多数国家现在都建议采用亮度测量，而美国认为行人和道路清洁施工人员也是机动车道路的使用者，因此照度测量应该保留。综上所述，研究结果对提高我国道路照明的质量具有一定的参考价值。

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