道路照明现场检测方法研究

叶荣南，叶 丹，马承柏

(1.厦门市光电子行业协会，福建厦门 361003；2.厦门市元谷信息科技有限公司，福建厦门 361005)

道路照明现场检测方法研究

叶荣南1，叶 丹2，马承柏1

(1.厦门市光电子行业协会，福建厦门 361003；2.厦门市元谷信息科技有限公司，福建厦门 361005)

介绍了道路照明的机理、道路照明测量现状及亮度测量的进展。分析了道路照明动态测量的合理性及其优点。最后给出了在道路照明动态测量过程中处理相关信息时需要注意的要点。

道路照明；亮度；眩光；现场动态测量；检测方法

引言

当前道路照明质量都采用测量照度及其均匀度进行评价，笔者对此持有异议。道路照明主要是为人服务的，人眼感觉到的是路面亮度，而不是路面照度。而且，目前道路照明质量评价基本上没有测量眩光，笔者认为这不科学。眩光对行车安全，对照明质量的影响很大，不能不认真地进行研究和测量。采用现场动态测量方法既可测量亮度及其均匀度，也可测量眩光，而且快速、客观、准确。当然，动态测量是一个全新的课题，需要进一步探索它的机理，克服动态测量的诸多难题，懂得处理动态测量中所获得的海量信息。

1 道路照明机理[1-11]

1)引起视觉感应是路面亮度而非路面照度。从系统工程的观念出发，从灯具发光经过路面的反射到进入驾驶员的眼睛，引起视觉感应，这个光传递过程，本身就是一个系统—在这一传递过程中所传递的光学量是发光强度而不是光照度，是灯具发出的光经过路面的吸收和反射后，一小部分光线进入眼睛瞳孔后照射到视网膜上，其光强对视觉细胞所引起的明亮感觉，人们看到的是亮度，而非照度。

2)道路照明的设计、测试和评价都应该以亮度为指标。从人因工效学的观点出发，路面照明应为驾驶员服务，应从驾驶员的需求出发，驾驶员是在行驶过程中观察路面，是动态的、全过程的，所以只是考察特定点的亮度是不够的，应该动态的、全方位的测量路面亮度；CIE 12、CIE 53、CIE 69、EN 13201等文件都强调了亮度测量的重要性，提出道路照明的亮度标准，同时对亮度测量做了一些规定，给出计算公式；CJJ 45—2015也引入了亮度标准，并强化了亮度均匀性的要求。

3)眩光对行驶安全的影响很大，眩光的测试也是以亮度为基础。CIE 30、CIE 32、CIE 132、CIE 140、EN 13201对眩光的测量做了一些规定，给出计算公式。

2 道路照明测量现状

1)推行双轨制。推行双轨制，即以考察亮度指标为主，同时也可考察照度指标，二者并行，之间换算可通过乘一系数来实现。原因如下：

亮度测量本身就比照度测量困难，眩光的测量更是难上加难，再加上道路的亮度测量有诸多的限定，比如：观察视线的限定；驾驶员的观察是动态的，视场中看到的实质上是多灯同时照明，同时也含有眩光，如何实现这些限定和要求？如何处理这些数据？实在难度很大。

亮度测量困难且误差很大，而照度测量简单，且测试仪器——照度计价格低廉，且便于携带；致使绝大部分道路照明工作者都采用测量照度并用照度来评价道路照明质量；当然设计的着眼点也在于照度及其均匀性。其理论依据是：在道路照明中亮度和照度之间的关系可乘以一定的系数来转换。这是CJJ 45标准中给出的，而CJJ 45又是借鉴CIE相关文件的要求而形成的。

2)推行双轨制的实质是实行以照度为标准指标。原因很简单：照度测量可操作性强，难度低，重复精度高，以照度为基准的二次配光设计简单多了。而且还有标准作依据，要换算亮度只要乘一个系数即可，受到绝大部分照明工作者的欢迎。

3)“智者所虑”。路面照度是表征路面的受照程度，它除了与入射光强有关外，还与入射光的入射角有关，驾驶员感觉不到它；引起驾驶员视觉感应的是该光线经过路面的二次反射后进入眼睛的那部分光线，驾驶员看到的是路面亮度而不是路面照度(见图1和图2)；简单说：照度是地面接收到的光通量，而亮度是地面反射后被眼睛接收到的那部分光通量，眩光则是以其他方式直射入眼睛的光通量。路面亮度除了与入射光强及其入射角有关外，还与路面的吸收和散射特性以及驾驶员的观察角有关。

一些专家比较理智的对待这个问题，他们认为应该推广亮度标准，原因有两个：一是测量照度不能反映路面照明的质量，路面照度均匀度良好的路面照明，看起来经常是亮暗不均；二是从人因工效学的观点，路面照明主要是为驾驶员服务的，路面照度驾驶员根本观察不到，驾驶员观察到的是路面亮度，见图1。

图1 路面照明Fig.1 Road surface lighting

同样，目标照明也是如此，见图2。

图2 目标照明Fig.2 Target lighting

照度指标良好的路面，驾驶员感觉并不一定好，见图3。

图3 照度均匀的路面其亮度不一定均匀Fig.3 The illumination road surface is uniform, but its luminance is not uniform

图3是厦门岐山北路的照明现场图，该路段于2009年2月下旬装灯，已连续检测了4年，这是该路面照明的第n次测量结果摘录于表1。

表1 标准试验系统结果(地点：岐山北路第5～6杆；测试时间：2009年8月25日)

从测量数据看：路面照度均匀度相当高，达0.77，但是从照片上看却是亮暗不均；通过测量数据，从纵向看：灯下照度要比两灯之间的照度高；但是从照片上看却是灯下的亮度比较暗 而两灯之间的亮度最高。测得的结果与看到的情况截然不同。采用相机拍照与人眼观察的效果相似，说明用照度测量不能反映人眼的观察效果，即使是亮度测量，随着观测点的变化，其照明效果也不尽相同。

专家认为：要研究不同路面材质的反射性能，依据CIE144和道路代表大会国际常设委员会(PIARC)共同推荐给出的R-Table(简化亮度系数表)来进行配光设计。表A.0.2-1 为沥青路面的简化亮度系数(r)和表A.0.2-2 为水泥混凝土路面的简化亮度系数(r)；

其中，做了许多简化，例如：忽略了色度的影响；忽略了地面入射光的光强分布对地面出射光强的影响；将“双向反射分布函数”简化为“简化亮度系数”；将路面反射特性分为沥青和水泥两大类；将道路照明光线的传导过程分为前后两半程。对于道路照明的前半程(灯具-地面)还是以照度为主；然后以地面照度为基础，根据路面类型去查阅简化亮度系数，从而得出道路照明的亮度值。应该说在目前亮度测量困难的条件下，不失为一种有效的方式。

需要注意的是：CIE在给出简化亮度系数表的时候又作一些简化：以定点测量代替动态测量以及只计算测量区域的两盏灯，忽略了其它灯的影响；以上种种简化，造成了设计误差和测量误差都很大；据专家估计都达到百分之十几。但是，即使如此，也比测量照度要好得多，至少它从驾驶员的观察角度出发，可以避免道路照明的斑马线现象。

3 亮度测量的进展

1)亮度指标的重要性已被广泛认可。GB、CIE、EN等标准均重视人因工程学的应用，都强调道路照明应以测量亮度为主；对观测点高度、视角以及司机前方挡光板的影响都有详细的规定；只是限于当时的技术、认识水平，大量出现的是测量路面照度代替测量路面亮度，即使费了很大的力气测量亮度，也只是采用定点法。而非模仿司机在行驶过程中观察路面来进行动态的测量。费工费时还不准确。

2)以亮度为基础的配光设计取得进展。路面亮度与投射光的光强，灯光投射角，被照点的方位角及眼睛的观察视角有关；在这里观察视角已确定：为正前方-1°，借助CIE144提出的不同路面的简化亮度系数表，推算出所要求的投射光光强分布。

简化亮度系数Γ(β，γ)=q(β，γ)×cos3γ

则dL(β，γ)=dI(C，γ)/H2×Γ(β，γ)(见图4)

图4 路面照明观测图Fig.4 Observation map of road surface lighting

简化亮度系数表提供了被照点的灯光投射角γ和被照点的方位角β，再依据路面的照明要求算出像方的光强分布要求；随后利用亮度的数学表达式及透镜表面的折射公式求出透镜的自由曲面。

利用亮度表示式L=I/dS×cosω=(I/H2)×r(β，γ)和透镜表面的折射公式n×sini=n′×sini′,进行建模、计算、生成透镜、给出IES文件、模拟路面照明效果。

必须要注意的是，路面亮度是多灯作用的综合结果。而且这是按照相关标准文件要求的，在静态、定点前提下的计算结果。

3)采用成像亮度计测量路面亮度是一大进步。采用成像亮度计与人眼的观察效果是一致的，需要注意的是拍照的位置和高度以及相机的倾角要与相关标准文件的规定相一致，它比逐点测量亮度更简单、省时，采集的信息量大；

4)采用成像亮度计也可用来测量眩光。与测量路面亮度相似，成像亮度计也可用来测量眩光，观测状态不变，只是测量的对象不同，前者是路面，后者是灯光；同样需要注意相关标准的有关规定。用成像亮度计测量眩光要比逐点测量省事多了。

5)失能眩光的定位和计算。判断失能眩光的观测点定位也与亮度相似，只是CIE还规定了车辆顶棚的档光角度为20°。所以眩光最大处，总是出现在观测点位于灯具前方(H-1.5)/ tgθ处，θ为眩光源与视轴的夹角，略小于20°，此时眩光源之等效光幕亮度最大；计算同排灯具500 m内各个眩光源对该状态下的眩光贡献，计算到某一灯具的等效光幕亮度小于累加等效光幕亮度的20%止，然后求和。

等效光幕亮度Ls=K1×E/θ2，在0.05 cd/m2

4 动态测量的合理性

1)人因工程学(人因功效学)用于道路照明的理解。人因工效学考量了人在工作环境中的解剖学、生理学、心理学等各方面的因素，研究“人——机器——环境系统”中三者交互作用着的各方面(效率、健康、安全、舒适等)如何达到最优化的问题。

人因需求：视觉上看得清，心理上看得舒适，健康方面眩光小；

灯具照明需求：视觉上足够亮，眩光小，效率高，节能；

环境需求：资源上可再生、节能；环境和谐，舒适。

2)从人因工效学观念考察道路照明的主要服务对象是驾驶员而非行人。道路照明的主要是为驾驶员服务的，应该以驾驶员的视觉感受为基础进行照明设计和测量。道路照明除了提供路面照明外，还要提供路面目标的照明；前者提供驾驶员观察视场的背景照明，后者则提供视场内的目标照明，两者的亮度差异或者色度差异均能为驾驶员提供识别目标的照明；路面背景照明主要由逆向灯光提供，而目标照明则相反，它主要由顺向光提供。

3)动态测量契合人因工程学的需求。道路照明动态测量符合驾驶员的视觉感受；驾驶员在行驶过程中观察路面，是动态的、全过程的；行驶过程中眩光对驾驶员的影响也是动态的、全过程的(见图1和图2)；只有采用动态测量路面的照明质量才能真正反映驾驶员的真实感受。

我们有必要按照人因工效学的要求，仿照驾驶员的观察视线，动态地测量整个被测区域的亮度及其均匀性，有必要按照光的传播路径，以所传播的光强这个光学量的变换为主线来计算驾驶员在驾驶过程中观察视线上的路面亮度及其均匀性；研究分析各种典型路面材质对于各种角度的入射光的反射系数表。研究路面亮度计算的建模、编程和软件制作。

5 道路照明动态测量的优点

1)契合人体工效学的需求；符合驾驶员的视觉感觉。可以动态地记录下驾驶员观察到的路面亮度和路面均匀度；可以记录下驾驶员感觉到的最大眩光在何处、有多大。

2)客观、准确、可靠。测量的数据比逐点测量法客观，大大减少主观因素的影响，提供的是全过程、不同观察位置的测量数据，因而准确、可靠的多。为今后开展道路照明的评价研究及灯具的光学设计提供客观的依据。

3)快速，不必封锁道路。往常几个小时的工作量，现在动态测量每条车道只要半分钟就可以，大大降低光环境随时间变化的影响，不必封锁道路；而且提供的信息量比往常测量提供的信息量多得多。

4)获取的信息量大。除了能提供在相关标准文件规定的姿态下测得的静态亮度、亮度均匀度、眩光外，还能提供大量的动态信息，便于更完整、更全面地评估道路照明质量。

6 动态测量的难度

动态测量需要解决的难题和他的优点一样突出。

1)动态测量与静态标准的差异。目前，动态测量首先要满足国标和CIE等相关文件、标准的要求，而这些要求是基于静态测量的条件下提出的，这和动态测量状态大相径庭，如何满足这些要求？在最早关注动态测量的EN标准中，提出了在动态测量时，观察者和布点可能很难或无法达到CIE或EN等对观察者位置和布点位置的相关要求；这反映了动态测量的难度。难，不等于无法克服！动态测量中必须含有这个“标准点”的测量值。

2)动态测量要提供全方位的路面照明信息。为满足驾驶员的需求，动态测量除了提供定点测量中符合相关标准要求的数据外，还要提供观测视线在经过测试路段所看到的全过程、全方位路面照明信息，以供更全面、更完整地评价路面照明；我们要如何做到？

3)如何保障测量精度？动态测量中，观测角纵向相差0.10，则观测点相差可达9 m左右，为保证动态测量精度，其测量轴线要稳定，测量点的定位要准确，否则测量就毫无意义；我们如何来保证？

4)我们关心的是哪种平均亮度值？哪种亮度均匀度？动态测量时，测量区内有2～4条车道，甚至更多，每条车道起码提供十多幅路面亮度图像，每幅图像均有大量路面亮度信息，如何处理这海量的信息？我们要的是某一时刻的路面平均亮度及其均匀度，还是在同一视角前提下不同时刻的路面平均亮度及其均匀度？

从满足标准要求出发，肯定是某一时刻下的亮度值及其均匀度。但从人因工效学考虑、从动态观测路面出发，如何选取路面各点的亮度值？如何计算路面亮度均匀度？这里有许许多多的结果，哪个(或者哪些)是我们所需的？这些问题值得去探究和讨论；同时考虑是否需要对标准进行充实和修订？

5)低亮度背景下的动态测量，如何解决“拖影’问题？因为“动态”，要求曝光时间短，而路面反射光的亮度又很低，这对像面光敏元件——CCD或CMOS的灵敏度要求很高；灵敏度不够图像就会产生“拖影”，如何解决图像的“拖影”问题？目前很难达到要求，有否其他解决办法？我们应该怎么解决？

总之，道路照明动态测量优点多多，但也困难重重；不过，办法总会比困难多。大家也一直在努力实践着。

7 道路照明动态测量的信息处理

一种新技术的出现往往会带来一场革命性的飞跃，就如蓝光LED的出现，带来了照明一场飞跃，一次更新换代；一种新设备的出现，往往也会给我们一种观察事物新利器；相似的道理，车载动态测量设备给了我们一种观测、分析道路照明新利器；它能很好的从驾驶员的角度来考核路面照明的质量。它能在很短的时间内(约20 s/一条车道)获得大量的照明信息，而且其效果犹如驾驶员现场观察一般；对于这些信息如何去取舍？如何去分析？确实是我们应该认真考虑的问题。

道路照明的各项指标由各软件包根据相关公式计算给出，在计算时需注意以下内容。

1)首先应有从图片上确定测量区域的功能软件。

2)要有符合相关标准文件规定的状态下获取的照明指标。在海量的图像信息中提取有用信息时，应该注意：要有符合相关标准文件规定的状态下获取的照明指标,比如：CIE对测量路面亮度的测量点位置、测量角度的规定；虽然这个规定现在看来，有相当的局限性，不甚合理，但是在当时具有一定的方便性，既然标准文件中规定了这个要求，我们应该兼顾到它。

3)路面平均亮度的理解。从字面上很好理解，即路面上各点亮度的平均值，问题是：这么大量的亮度信息，究竟哪些能代表路面各点的亮度？当然，按照CIE、GB规定的状态下测得的数据固然可用，也是必须要给出的；但是，定点测量能否代表全方位全过程测量？其实，有两种路面平均亮度供我们选择：一种是驾驶员在保持观察姿态下经过整个测量区域，在各个瞬间所见到的路面亮度，由此计算出路面平均亮度；这种测量方式，各亮度值前后相距时间较长，与驾驶员的视觉感受相距较远，依此算出的平均亮度值是否可用？

另一种是驾驶员在行进途中某一瞬间所见到的路面平均亮度，一般，每车道采样十个亮度数据，也就是说，每条车道可以采集到十种路面平均亮度；其实，标准文件规定的定点测量只是这其中的一个特例。我们究竟是将所有瞬间测得的路面平均亮度中最差者作为测量结果、还是应该取平均值作为测量结果、还是某一定点测得的数据作为测量结果？依据在哪里？是否符合驾驶员的真实感受？

4)两种“路面亮度总均匀度”的取舍。在提供的图像信息中，有两种“路面亮度总均匀度”：一种是从测量的某一瞬间获取的图像上计算出来的路面亮度总均匀度，另一种是在整个测量区域内司机保持视角不变前提下，在全过程中观察到的亮度总均匀度；很显然，后者取样时间间隔过长，计算出来的“路面亮度总均匀度”没有多大意义；而前一种在测量过程中则有许许多多的“瞬间亮度总均匀度”，标准文件中规定的测量位置只是其中的一个“瞬间”，是以各瞬间的亮度总均匀度的平均值来评价，还是以某一瞬间的亮度总均匀度来评价？根据何在?

5)两种“路面亮度纵向均匀度”含义。同样也存在着两种路面亮度纵向均匀度的计算方式：一个是从测量的某一瞬间获取的图像上计算出来的路面亮度纵向均匀度，另一个是在整个测量区域内司机保持视角不变前提下，在全过程中观察到的纵向亮度均匀度；前者表示司机在行驶过程的各个瞬间所见到的路面亮度纵向均匀度，其中含有标准文件中要求的某一测量位置和状态；后者则表示司机在驾驶过程中感觉到的路面亮度纵向均匀度，EN13201-4中曾提出：“在测量路面亮度和隧道照明亮度时，如果亮度计的位置始终平行于路的方向，就意味着观察者在测量的时候始终在测量点的纵向线上。这样的测试结果应该表明为‘移动观察者观察的亮度均匀性’”这是因为：这种方式在一个车道上测量纵向亮度均匀度的时间只有几秒钟，在这几秒钟时间内驾驶员在移动的目视点见到的是连续变化的亮度，其均匀度应是一个重要指标。

6)眩光测量。(a)测量姿态的确定。眩光测量姿态应与亮度的测量姿态相同。即距地1.5 m高，观测视线为正前方向下1°。(b)眩光源边界的确定。光源的光强分布曲线是连续的，眩光源的边界应有一个阈值来限定。(c)光幕亮度的计算。光幕亮度Ls=k1×Σ(Es/θ2)，其中θ是视线和产生眩光的灯具中心(发出的光线所夹)的角度，单位为度。此公式在0.05 cd/m2

7)路灯的色温，显色指数测量位置选择。有灯下点测量，灯具发光面垂线下测量，还有用路面各点的色温和显色指数取均值来计算的；国家标准GB规定：应在发光口面的垂线下测量，软件应取值于灯下点的测量值。

[1] 城市道路照明设计标准:CJJ 45—2015[S].

[2] 公路照明技术条件:GB/T 24969—2010[S].

[3] 照明测量方法:GB/T 5700—2008[S].

[4] Road lighting brightness and intensity of illumination calculation and measurement:CIE 30—1976 [S].

[5] Glare and uniformity in road lighting installations:CIE 31—1976[S].

[6] Lighting of roads for motor and pedestrian traffic:CIE 115—2010[S].

[7] Design methods for lighting of roads:CIE 132—1998[S].

[8] Guide to the lighting of urban areas:CIE 136—2000[S].

[9] Road lighting calculations:CIE 140—2000[S].

[10] Road lighting Part 3:Calculation of performance:EN 13201—3[S].

[11] Road lighting Part 4: Methods of measuring lighting performance:EN 13201—4[S].

Research on the Local Measurement Method of Road Lighting

YE Rongnan1，YE Dan2，MA Chengbai1

(1.XiamenOptoelectronicsManufacturesAssociation,Xiamen361003,China; 2.XiamenIngolDigitalTechnologyCo.,LTD,Xiamen361005,China)

The principles of road lighting, its current situation and the development of luminance measurement were introduced. The rationality of the road lighting dynamic measurement and its advantages were analyzed. Finally, the key points were presented that should be noted while dealing with the information during the process of road lighting dynamic measurement.

road lighting；luminance；glare；local dynamic measurement；measurement method

国家国际科技合作专项项目：LED 照明现场检测方法研究及评价

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.019