晴雨天气城市道路照明效果研究

韩 帅，卢 茜,丁屹峰

(1.国网北京市电力公司 电力科学研究院 ，北京 100075；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

晴雨天气城市道路照明效果研究

韩 帅1，卢 茜2,丁屹峰1

(1.国网北京市电力公司 电力科学研究院 ，北京 100075；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

为研究不同天气、光源对实际道路照明效果的影响，在晴天、雨天两种天气条件下，对某市中心区两条相邻，但采用不同光源的主干道的路灯照明情况进行了现场测量。并对比国标中平均照度、照度均匀度、平均亮度、亮度均匀度、环境比等指标对照明效果进行了分析。最后，结合道路周边环境，针对两条路段的照明设施提出建议，以期达到满足使用者视觉功效，节能减排的目标。

道路工程；城市道路；照明效果；天气；现场测量

0 引 言

城市道路照明与人们的生产、生活及市容市貌息息相关，是城市形象及其整体经济实力的体现。道路照明的首要目的是在夜间为车辆的驾驶员和行人提供良好的可见度，保证其安全、舒适、迅速地通行。根据国际照明委员会(CIE)报告，良好的夜间照明能让城市道路交通事故率降低30 %，高速公路交通事故率降低30 %，乡村道路交通事故率降低45 %[1]。

关于道路照明标准,CIE道路照明设计标准(115—1995)将机动车道路分为 M1～M5 五类，用平均亮度、亮度总均匀度、亮度纵向均匀度、环境比 和评价眩光的阈值增量来评价道路照明质量[2]；北美照明工程学会(IESNA) 按照道路的复杂程度还有车流量大小将道路分为6大类，其中每一类道路的评价指标规定值又根据人流量的大小和路面反射材料的不同设定了高中低3档[3]；我国的道路设计标准CJJ 45—2006《城市道路照明设计标准》，在评价指标上同时采用照度、亮度、评价眩光的阈值增量及环境比等照明评价指标，参考了CIE 标准的计算方法及指标值并更多地考虑了行车安全的问题[4]。

考虑到城市道路照明主要是机动车道照明，笔者参照CJJ 45—2006《城市道路照明设计标准》，以某市中心区采用不同光源的两条主干路为对象，在晴雨两种天气下对其照明效果进行实地测量，并对测量结果进行了系统的分析。针对测量过程中发现的不同，笔者分析原因，并在最后提出了针对性的解决方案。

1 道路测量

笔者选择对某市中心区采用不同光源的两条主干路进行测试。两条道路相邻，车流量大，具有一定的代表性，其路面信息及照明设备的配备情况见表1。通过实地考察道路两旁灯的间距、高度、悬挑、仰角和光源一致性，以及安全、减少环境光影响等因素，我们将道路中段选定为最终测量区域。测试使用仪器的具体信息见表2。

表1 路面及照明灯具情况

表2 检测设备

1.1 照度测量

照度用于指示物体表面被照明程度的强弱。在道路照明测试中，通常要对选定路段进行整体照度测量。测量区域的纵方向(沿道路走向)包括同侧两个灯杆之间的区域；单侧布灯时横方向为整个路宽；双侧交错布灯、对称布灯或者中心布灯时横方向可为1/2路宽。有四点法和中心法两种布点方式。笔者采用中心布点法，即把同一侧两路灯灯柱间的待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。当两灯柱的间距S≤50 m时，沿道路纵向把间距S十等分，在道路的横方向把每条车道三等分，如图1。

图1 中心布点法示意Fig.1 Schematic of center location method

路面平均照度Eav为：

(1)

照度均匀度可用极差及均差表示:

(2)

(3)

式中：U1为极差；Emin为最小照度，lx；Emax为最大照度，lx；U2为均差。

1.2 亮度测量

亮度是表征发光体发光强弱或物体反光强弱的物理量。按照GB/T 5700—2008《室外照明测量方法》的规定，亮度测量采用亮度计直接测量，亮度测量的高度应距路面1.5 m。亮度计观测点的纵向位置，应距第一排测点60 m，纵向测量长度为100 m，采用中心布点法，见图2。

图2 亮度测量范围Fig.2 Range of brightness measurement

平均亮度有两种测量方式。当采用积分亮度计测量时，平均亮度为

(4)

式中：Lav为平均亮度，cd/m2；Lav1为从灯下开始测出的平均亮度；Lav2为从两灯中间开始测出的平均亮度。

当采用亮度计逐点测量时，平均亮度为

(5)

式中：Li为各测点的亮度，cd/m2；n为测点数。

道路亮度总均匀度为

(6)

式中：U0为亮度总均匀度；Lmin为测点上测出的最小亮度。

将测量出的各车道的亮度纵向均匀度中的最小值作为路面的亮度纵向均匀度，各车道的亮度纵向均匀度为

(7)

式中：UL为亮度纵向均匀度；Lmin为测出的每条车道的最小亮度；Lmax为测出的每条车道的最大亮度。

1.3 环境比、色温及显色指数测量

环境比是以选定路灯灯杆为中心，背对灯杆侧5 m宽状区域内3×10测试点的平均水平照度与车道靠近灯杆侧5m宽状区域内3×10测试点的平均水平照度之比。在笔者测试道路条件下，环境比即为非机动车道与机动车道平均水平照度比。

色温是度量光线颜色的值。显色指数则用来表示光源显色性优劣。显色指数越高，被照物显示的颜色与自然光或者标准光下的颜色越接近。显色指数和色温可通过分光测色仪直接测出。

2 现场实际测量数据及分析

图3(a)为主干道A，所用灯具是高压钠灯，高压钠灯是目前应用在城市道路照明中最主要的光源[7]。它具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。但显色性差，启动时间长。主干道B南临主干道A，如图3(b)，道路两侧也有茂盛的树木，所用灯具是LED灯。LED是一种新型固态冷光源，具有发光效率高，灯具反射损失低，显色性高，寿命长等优点[5]。

图3 待测路段白天实景Fig.3 Measured sections of road in the daytime

LED路灯当前在单灯成本及安装造价方面比高压钠灯高，但在铺设成本、耗电成本及寿命方面优于高压钠灯。晴天时的检测时间为6月13日00:00—02:30，检测前灯已点燃4小时，检测时的环境温度是25 ℃，相对湿度是60%RH，无天然光影响；检测过程中灯具正常工作。未出现异常。道路实际状况见图4。雷雨天气的检测时间为8月29日00:00—03:00，电检测前灯已点燃4 h，检测时的环境温度是22℃，相对湿度是87%RH，无天然光影响；检测过程中灯具正常工作，未出现异常。道路实际状况见图5。

图4 待测路段晴天夜景Fig.4 Measured sections of road at night on clear day

图5 待测路段雨后实景Fig.5 Measured sections of road at night on rainy day

测量数据见表3。对于主干路A，由“晴天/路A”列可知，晴天时，只有道路的平均亮度满足标准值。平均照度和环境比都略低于标准值，照度均匀度距标准值差距较大，亮度总均匀度和亮度纵向均匀度都远远达不到标准要求。根据我国行业标准《城市道路照明设计标准》，平均亮度和亮度均匀度是衡量道路照明效果的重要指标；而照度用于评价环境比。照度和亮度相关多个指标都不达标表明道路整体偏暗且分布不均匀，整体照明效果不理想。且亮度设计理论认为，即使平均亮度很高，但亮度分布相差较大的地方，也会使发现障碍物变得困难。同时，还会给在该道路上行车的驾驶员带来不舒适的感觉[6]。此段道路在亮度方面无法带给驾驶员满意的照明体验。

表3 测量结果

注：*表示CIE标准。

由表3“雨天/路A”可见，雨天时，道路的平均亮度比晴天时略高；但亮度总均匀度和亮度纵向均匀度低于晴天时的值。我们知道路面的亮度分布它取决于3个因素：路面的反射特性、灯具的光分布和灯具或灯杆的排列[6]。雨天路面有不均匀积水，有积水的地方在粗糙的路面形成一层连续水膜，水膜在局部区域将起到半透明光滑界面的作用，从外侧入射的光在水膜表面上一部分被镜面反射，剩余部分折射后进入水膜，通过水膜吸收衰减后被基底材料表面反射，经基底材料表面多次反射和水膜表面折射后进入外界环境[7]。造成路面的反射特性相差较大，湿路面区域更像是镜面反射而不是漫反射，路面明亮部分变小而亮度提高，相反暗区面积变大而亮度降低，结果是在潮湿道路平均亮度多会上升但亮度均匀度严重下降。这会极大地影响夜间的交通安全。因为驾驶员在夜间是借助于障碍物及其作为背景的路面两者的亮度对比来观察前方道路上有无障碍物，在亮度分布不均匀的路面，在阴暗相差很大的地方，障碍难以发现。而且雨天的环境比较晴天略高。究其原因，一种可能的解释是路灯下方植被茂盛，雨后植被对光线的反射比晴天强。非机动车道较机动车道距离路灯光源远，受此种影响比机动车道更为明显，因而环境比约有10 %左右的提升。

对于主干路B，由表3“晴天/路B”列可见各项测量指标都不满足标准。但亮度均匀度、平均亮度和环境比3项测试结果都与相应的标准值相差较少。雨天时，环境比和平均亮度较晴天都有提高，满足标准值，其中平均亮度超出标准值不少；但雨天的亮度总均匀度和亮度纵向均匀度都较晴天下降，和标准值相差变大。究其原因与安装高压钠灯主干路A一样，雨天路面有不均匀积水，光线反射情况相差较大。通过实际的测试数据可知，天气对道路照明效果的影响巨大。但国内还未针对潮湿路面出台照明效果相关标准及规定；国际方面，CIE也仅给出了潮湿路面亮度总均匀度的标准值[8]。为保证雨天城市道路的行车安全，我们建议国内及国际标准化组织应尽快制定、完善潮湿道路照明标准。

比较“晴天/路A”和“晴天/路B”两列可知，晴天时，装有LED路灯的主干路B，他的环境比、亮度总均匀度和亮度纵向均匀度都较装有高压钠灯的主干路A高；LED的显色指数也远好于高压钠灯。但LED灯的平均亮度低于钠灯，究其原因，可能是采用LED路灯功率较小。比较“雨天/路A”和“雨天/路B”两列可知，除了平均照度外，“雨天/路B”的测量结果都较“雨天/路A”好。可见，装有LED灯路段照明效果更好些。

针对测试中发现的照度、亮度不达标的问题，有以下建议：①适当减少灯杆间距，避免由于灯杆间距过大导致照度和亮度不均匀的问题；②选用大功率光源，提升总体照度和亮度水平；③对于光线被树木遮挡而严重影响道路照明的区域,可采用修剪枝叶或适当调整灯杆高度及灯具横向安装位置的方法加以解决。

针对雨后潮湿路面照明效果变差的问题，有以下建议：①研究并起草潮湿路面照明效果相关标准；②科研院所应充分发挥以LED为代表的面光源的优势，开发适用于多种天气条件的新型路灯灯具；③道路照明设计应将天气影响纳入考虑。

3 结 语

通过对两段主干路的照明效果的实地测试及分析，我们发现光源及天气对道路的照明效果都有非常明显的影响。同一路段，雨天时道路的亮度总均匀度和亮度纵向均匀度都有降低，但环境比和平均亮度有提高。在相同天气下，装有LED灯的路段的亮度总均匀度、亮度纵向均匀度、色温和显色指数都高于装有高压钠灯的路段。将不同天气情况下光源的特性纳入道路照明设计有助于提升道路照明的适用性，是对传统照明设计方法的补充和完善。

[1] 李景色,李铁楠.修订我国《城市道路照明设计标准》中的几个问题(之二)[J].照明工程学报.2004,15(1):35-37. LI Jingse, LI Tienan. Some problems about revising the 《Standard for Lighting Design of Urban Road》(Ⅱ)[J].ChinaIlluminatingEngineeringJournal,2004, 15(1):35-37.

[2] CIE.RecommendationsfortheLightingofRoadformotorandpedestriantraffic:CIE 115—1995 [S]. Austria: Cie Technical Committee, 1995.

[3] REA M S.TheIESNALightingHandbook[M]. 9th ed. New York : Illuminating Engineering Society of North America, 2000.

[4] 史玲娜,陈伟民,刘显明,等.道路照明标准比较和节能分析[J].照明工程学报,2014(3):58-63. SHI Lingna, CHEN Weimin, LIU Xianming, et al. Energy-saving analysis and comparison of road lighting standard[J].ChinaIlluminatingEngineeringJournal,2014(3): 58-63.

[5] 翁奕华.高压钠灯与LED在城市道路照明中的应用分析及前景展望[J].中国照明电器,2012(4):1-5. WENG Yihua. Application analysis and prospects of the high sodium lamp and LED in the urban road lighting[J].ChinaLight&Lighting, 2012(4):1-5.

[6] 翁季.机动车交通道路照明设计标准研究[D].重庆:重庆大学,2006. WENG Ji.ResearchofDesignCriterionofRoadLighting[D]. Chongqing: Chongqing University,2006.

[7] 穆猷,谢鸣,刘林华.干湿状态对花岗岩表面双向反射特性影响实验研究[J].工程热物理学报,2009,30(3): 495-497. MU You, XIE Ming, LIU Linhua. Experiment study on the bi-directional reflection properties of granite surface[J].JournalofEngineeringThermophysics, 2009, 30(3): 495-497.

[8] CIE.RoadLightingforWetConditions:CIE 47—1979 [S]. Victoria :ARRB Group Limited ,1979.

Urban Road Lighting Effect on Clear and Rainy Days

HAN Shuai1, LU Xi2, DING Yifeng1

(1. Electric Power Research Institute, State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100075, P.R.China;2. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, P.R.China)

To study how different weather and light sources affected the actual road lighting effect, the field measurements on two adjacent arterial roads which located in center region of a city but used different light sources were carried out on clear and rainy days. Indicators, such as average luminance, luminance uniformity, average brightness, brightness uniformity and surround ratio were compared with Chinese national standard and analyzed. Finally, combined with the surround environment of roads, some suggestions on the lighting facilities of the two roads were proposed to meet the user’s visual effect and realize the target of energy conservation and emission reduction.

highway engineering; urban road; lighting effect; weather; field measurement

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.11

2015-03-21；

2016-01-10

韩 帅(1984—)，男，山东临沂人，工程师，博士，主要从事照明技术及计算机视觉方面的研究。E-mail:sdlyjacky@163.com。

U417.9

A

1674-0696(2016)03-050-04