基于视觉功效法及行人穿行情况下的LED道路照明功效研究

宋佳音 马剑 刘 刚

(天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

1 绪论

夜间功能照明是机动车安全行驶的重要保障，而道路照明的光源也经历了一系列的更迭，从煤油灯到高压钠灯和LED灯。LED作为新型的功能照明光源，其发光原理和特性都与之前的光源不尽相同;另外道路照明处于中间视觉范围内，而中间视觉下的人眼光视效率曲线尚处于缺失状态，所以针对这种新型光源在中间视觉下的光视效率研究变得尤为重要。自从上世纪80年代开始国际照明界对中间视觉下的人眼光视效率研究越来越重视，CIE对此成立了专门的委员会。本世纪初以来我国开展了针对中间视觉的大量研究，其中重庆大学、浙江大学取得的研究成果最为突出，重庆大学完成了针对高压钠灯和金卤灯的光谱效率研究，得到了反应时间与背景亮度之间的光视效率曲线，浙江大学则完成了不同单色光照明下人眼反应时间与背景亮度之间的光视效率曲线研究［1～11］。这些研究都采用的是基于反应时间或者探测率的视觉功效法，这种方法也是中间视觉下研究的最主要方法之一。我国现行的道路照明设计标准中对道路亮度、照度的规定是根据明视觉光视效率规律进行规定的，而在中间视觉条件下光视效率曲线发生变化，所以针对LED这种新型光源在中间视觉下的光视效率研究对于实际工程和相关照明标准的制定都有着十分重要的意义。

2 实验过程

本“道路照明反应时间测试系统”根据小孔成像原理进行设计，采用1∶10缩尺模型对实际道路进行模拟，模型道路长10m、宽2m。实验平台可使用不同光源对道路光环境实验室还原，根据不同的光源可以将路面亮度在0.001至10cd/m2之间进行调节。障碍物使用1∶10缩尺人形模型去模拟1.7m高成年人，人形模型通过使用不同灰度来得到不同的对比度，障碍物采取随机从道路两侧向中间以不同速度运动的形式出现，以此模拟夜间道路中行人穿行的情况，人形模型如图1所示。观察者在道路模型一端通过不同视场角的观察孔进行测试，在不同的道路亮度环境中记录下障碍物从运动到被发现的反应时间，实验平台示意图如图2所示。

图1 人形模型示意 (作者自绘)Fig.1 Person model

图2 实验平台示意图 (作者自绘)Fig.2 Experimental table

本实验平台每次可以对一名被试者进行测试，测试时需要两名工作人员共同完成，其中一名工作人员负责实验平台道路缩尺模型中的光环境检测和灯具调光，另一名工作人员负责实验过程中的数据记录、改变障碍物运动速度和故障排除等，实验用灯具如图3所示。当实验开始后，被试者需提前五分钟进入试验区域进行环境的适应。当适应环境后，启动实验平台照明系统并将光环境调节至实验要求，被试者要求在当前测试光环境下适应一分钟，之后开始实验。当被试者第一次按下按键后的五秒内步进电机随机启动开始带动障碍物进行匀速运动，同时计时器开始计时。被试者发现障碍物并再次按下按键时，步进电机停止运动同时计时器停止计时。这时，由工作人员记录下显示面板中显示的时间并提示被试者进行复位操作。复位后将可以进行下一次测试。实验整个过程由被试者自行操作，实验时照片如图4所示。

图3 实验用LED灯具图片 (作者自绘)Fig.3 LED lamp

图4 实验工作照片Fig.4 Experimental working scence

3 实验数据分析

本实验总样本数为20，测试中共针对4种光源在0.001～3.2cd/m2范围内8组路面亮度等级进行测试。测试时的障碍物视标对比度为C=0.3、0.4、0.5，每个视标对比度在每个亮度等级测试3次。实验时统一采用2°视场角进行测试。所有测试共得到23040个数据，由于数据量较大，使用削减平均值法针对这些数据进行处理，之后对处理后的数据进行回归分析。

根据实验所得到的数据得到20个样本在对比度为0.5、0.4、0.3时不同路面亮度对应的反应时间，如表1所示。

表1 4种光源在三种对比度下的反应时间Table 1 Reaction time under three kinds of C for the four light source

由表1可以看出三种对比度下的实验结果都具有随路面亮度的增加反应时间呈减小的趋势;对比度取C1=0.5、C2=0.4、C3=0.3整体反应时间相对比，依次呈减小的趋势 (图5、图6、图7)。在道路照明中，由于路面颜色多以深灰色为主，所以提高对比度最简单的方式就是提高目标的反射率进而提高目标的亮度。以C2=0.4时反应时间为例，LED1为3种LED产品中反应时间最长，但LED1的整体反应时间比高压钠灯小了12.2%，而在反应时间相差最大处即路面亮度0.001cd/m2处LED1的反应时间要比高压钠灯小了21.1%。LED3为3种LED产品中反应时间最小，LED3的整体反应时间要比高压钠灯小29.3%，在路面亮度0.001cd/m2处LED3的反应时间要比高压钠灯小了38.8%。在三种对比度试验中在相同路面亮度水平下LED的反应时间整体低于高压钠灯，所以可以证明LED在中间视觉下所引起视觉功效的特性要高于高压钠灯，在使用LED灯时要达到与高压钠灯同等的反应时间其所需的路面亮度更低。而对三个LED灯产品进行对比分析，在三个对比度试验中均有LED1至LED3整体反应时间呈减小的趋势。其中LED1在三个产品中的整体反应时间最长，而LED2和LED3的反应时间整体较为接近，LED3的反应时间比LED2整体略小。通过spss软件对数据进行回归拟合，得到4种光源不同对比度下的反应时间y与路面亮度x之间的函数关系式。如表2所示。

图5 C1=0.5时路面亮度与反应时间关系Fig.5 Relation between road luminance and reaction time when C1=0.5

图6 C2=0.4时路面亮度与反应时间关系Fig.6 Relation between road luminance and reaction time when C2=0.4

图7 C3=0.3时路面亮度与反应时间关系Fig.7 Relation between road luminance and reaction time when C3=0.3

表2 3种对比度下反应时间y与路面亮度x的拟合函数关系式Table 2 Fitting function of y and x

4 光源光谱对反应时间影响研究

通过对4种光源特性的测试结果和之前反应时间测试结果进行对比研究，得到影响反应时间的机理。经过测试得到4种光源的光谱，如图8所示。提取光源测试结果的主要参数进行整理，得到表3，根据主要参数和对比度为0.4时的反应时间逐项进行对比研究。

图8 4种光源光谱Fig.8 Light source spectrum

表3 反应时间与4种光源参数对比Table 3 Reaction time and light source parameter

4.1 色温对反应时间的影响

由表3的数据可见虽然高压钠灯与LED1的色温相差很小，但是他们之间在低路面亮度(0.001cd/m2)环境中的反应时间相差却很大，而LED1与LED2和LED2与LED3之间在低路面亮度(0.001cd/m2)时反应时间的差异远远不及色温的差异。4种光源都具有反应时间随色温上升而减小的趋势，但色温和反应时间的关系并不是严谨的呈线性函数的关系。因此可以推断高压钠灯与LED灯之间反应时间的差距并不仅仅是因为色温的差异而导致的，或许有其他因素影响着被试者的视觉功效。

4.2 显色性对反应时间的影响

由表3可以看到高压钠灯的显色性最低只有20%，而色温与其相近的LED1的显色性可以达到73%。随着显色性的大幅提高，可以看到在低路面亮度等级 (0.001cd/m2)时的反应时间LED1要比高压钠灯减小114.4ms，在中高路面亮度等级 (0.1cd/m2)和高路面亮度等级 (3.2cd/m2)时的反应时间则比高压钠灯略小。3种LED灯的显色性相差不大，最小的LED1与最大的LED3相差只有3.5%。相应三种LED灯在低、中、高三种路面亮度等级下反应时间相差也不大，在相差最大的低路面亮度 (0.001cd/m2)下LED1与LED2反应时间相差48.99ms，LED2与LED3之间相差只有19.98ms;而在中、高路面亮度等级下反应时间更是相差无几，甚至在高路面亮度等级下LED2的反应时间比LED3还小0.44ms。反应时间表现出来的规律与4种光源显色性的差异吻合，可见光源显色性与反应时间之间的关系更为密切，而且这个规律在低路面亮度的环境中更适用，而在中、高路面亮度的环境中这个规律虽然还存在但是随着路面亮度的提高这个规律在被削弱。

4.3 光源光谱对反应时间影响

通过表3可以发现，对光源显色性产生正影响的450nm和540nm波长处高压钠灯的相对光谱缺失，也就是高压钠灯内缺少蓝色和绿色波长光的成份，这些是在低亮度等级 (0.001cd/m2)下LED1的反应时间远远小于高压钠灯的主要原因。随着路面亮度等级的提高，450nm和540nm波长光的能量多少对反应时间影响在减弱。

另外通过对3种LED光谱对比发现，450nm波长处能量值越大反应时间越短，580nm波长处能量值越大反应时间越长。这种规律在低路面亮度等级(0.001cd/m2)下十分突出，而随着路面亮度的增加，在中路面亮度等级 (0.1cd/m2)和高路面亮度等级 (3.2cd/m2)这种趋势在降低。

5 结论

通过对反应时间的测试数据的分析可以得到，在0.001～3.2cd/m2的路面亮度范围内，LED的反应时间整体小于高压钠灯，可见LED灯的视觉效率要明显高于高压钠灯。而且随着对比度的变大，4种光源的反应时间整体在降低。

通过spass软件对反应时间与路面亮度的关系进行拟和分析，得到不同对比度下的反应时间y与路面亮度x之间的函数关系式，且拟合关系很好。

根据4种光源的光谱特性与反应时间之间的对比研究发现，光源显色性对反应时间的影响较色温更为密切。且对光源显色性有主要影响的450nm、540nm波长能量对反应时间同样产生正影响，而580nm波长能量对反应时间产生负影响，但这些影响随着路面亮度等级的提高在降低。

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