城市道路车辆行驶照明范围需求研究

吴 巍，冀俊明，张红涛，李 娜，扶原放

（长安汽车股份有限公司 北京研究院，北京 100000）

随着社会经济的发展，汽车在中国越来越普及，已成为人们生活中不可或缺的交通和运输工具。然而，随着汽车保有量的上升，道路交通事故也逐年呈上升趋势。汽车安全事故统计资料表明：全球每年汽车交通事故死亡人数达50万。而这些交通事故中，夜间发生的数量为白天的3倍，照明状况不良时的事故率又是照明良好时的3倍，足见前照灯在汽车安全性方面的重要作用。

为了更好地评估车辆前照灯的性能，各国研究机构不断完善相关标准。其中，CIE 188车辆照明系统性能评价方法经批准并形成技术报告。该报告提出了一种前照灯光学性能评估方法，其中道路照明部分涵盖了远、近光的照明距离、行人可见度、照明宽度、弯道能见度、十字路口行人可见度等维度。然而，该报告未对道路实际照明范围需求进行研究。本文参考CIE 188技术报告评估维度，结合中国城市道路设计标准，对中国城市道路车辆行驶所需最低照明范围进行了分析研究。

1 CIE 188车辆照明系统性能的评价方法

汽车前照灯的作用是照明车辆前方道路标识、边界和交通标识等特征，以便驾驶员保持行驶过程中对车辆的控制。另外，驾驶员还需要对行人和其他道路使用者进行识别。为了确保性能评估时充分考虑这些要求，所以在高于道路表面0.25m的水平面对性能进行评估。0.25m高度平面是行人小腿中点的平均高度［1］，有的主机厂对路面照度评估也是可行的，本文研究内容对2种高度均适用。

另外，现有研究显示，3lx照度是能够确保发现道路特征、行人和障碍物的照度下限，故本文以3lx作为照明范围的基准照度。当然也有研究表明5lx照度是能够识别上述目标的照度下限，也可以研究基准，但这将使前照灯性能要求大大提高。

由于受到安装高度、电压/电流、光通量等因素影响，前照灯实际性能与实验室测量结果有所不同，CIE 188的核心内容，就是制定了实际安装情况下前照灯性能的评估方法。CIE 188对前照灯远近光道路照明的评估维度主要在直行道路、弯道、十字路口的照明距离、宽度等方面，如图1所示。本文将在上述维度基础上增加坡道路况进行研究。

2 中国城市道路设计参数

本文主要参考CJJ37—2012《城市道路工程设计规范》和CJJ152—2010《城市道路交叉口设计规程》平面交叉部分进行研究，引用了道路设计速度、车道宽度、圆曲线最小半径、停车视距、路缘石半径、最大纵坡等参数。

2.1 道路设计速度

中国城市道路分为快速路、主干路、次干路和支路4个等级，各级道路设计速度如表1所示［2］。其中快速路采用控制出入形式，无非机动车混行和平面交叉。

表1 各级城市道路设计速度

2.2 车道宽度

图1 CIE 188车辆照明系统性能评价方法

中国城市道路车道宽度如表2所示。由于在照明宽度需求计算时宽车道兼容窄车道，为简化计算，以3.75 m车道宽度作为研究对象。

表2 车道宽度

2.3 圆曲线最小半径

道路平面线形宜由直线、圆曲线等组成，道路圆曲线最小半径应符合表3。一般情况下应采用大于或等于不设超高最小半径值；当地形条件受限制时，可采用设超高最小半径一般值。

直线与圆曲线或大半径圆曲线与小半径圆曲线之间应设缓和曲线。该情况下缓和曲线半径大于圆曲线。因此在弯道情况下，缓和曲线对照明宽度的需求较圆曲线道路小，故为简化计算，仅考虑圆曲线半径。

表3 圆曲线最小半径

2.4 停车视距

停车视距应大于或等于表4所示的距离要求。本文依据法规给出的参考值进行研究，鼓励各主机厂根据自身实际性能参数进行研究。

表4 停车视距

2.5 最大纵坡

机动车道最大纵坡应符合表5所示规定，为简化计算，本文仅对一般值进行研究。由于各设计速度下的道路最小坡长大于其停车视距，故坡道与平面道路相比，对前照灯的照明需求仅在上坡坡峰和下坡坡谷位置有区别，即“凸”形坡和“凹”形坡位置，本文将对这2个路况进行研究。

表5 最大纵坡

2.6 路缘石转弯半径

平面交叉口转角处缘石转弯半径如表6所示［3］。

表6 路缘石转弯半径

2.7 十字路口形式

十字路口形式分为十字形交叉口和X形交叉口，X形交叉口最小交角宜为70°，如图2所示。

图2 十字路口形式

3 中国城市道路照明范围需求

3.1 设计准则

基于上述路况，研究中国城市道路车辆行驶所需的最小3 lx照明范围。定义研究基本准则如下：①由于设计速度60 km/h以上道路为出入控制形式，故仅考虑时速60 km/h以下道路行人可见度。②主要考虑一般设计指标下的道路照明满足情况。③在相应车速下，照明范围应为：当发现前方行人时，应能够及时制动或加速通过；当不能发现前方行人时，应能在行人之前通过遭遇点，不会发生碰撞。

3.2 直行道路

1）照明距离

根据表4停车视距可知：①在设计时速为60 km/h道路上，本方道路右侧边界3 lx照度的到达距离应≥70 m；②在设计时速为80 km/h道路上，本方道路右侧边界3 lx照度的到达距离应≥110 m；③在设计时速为100 km/h道路上，本方道路右侧边界3lx照度的到达距离应≥160 m。本文以60 km/h及以下时速作为近光分析基础，60 km/h以上作为远光分析基础。

2）照明宽度

横向照明宽度需求计算过程如下：①计算在各设计速度下行驶所对应停车视距所需的时间t；②设行人横穿道路速度为1 m/s，计算时间t内所行走的距离L；③横向照明距离需求=L+车道宽度/2 = L+1.875 m；④近光明暗截止线按50 m落地考虑。

由此得到在各设计速度下车辆行驶停车视距距离的时间内行人行的距离，如表7所示。将数据在路面铺点并用线形连接，可得在直行道路下，及时制动或加速通过所需的3lx照明距离和宽度，如图3所示，灰色项表示该车速下的停车视距未超过该距离，不需要考虑该距离照明宽度。

表7 直行道路照明宽度需求参数

图3 直行道路照明宽度需求曲线

3.3 弯道

照明宽度如图4所示，弯道照明距离需求计算过程如下：①弧长C=停车视距；②通过公式：圆心角A =，求圆心角A；③α=A/2，通过弦长L=2Rsin（A/2），求出弦长L；④依据α角和弦长L计算在行驶方向上车辆在弯道行驶所需的单侧照明宽度。

设超高圆曲线最小半径一般值情况下，前照灯单侧照明宽度为行驶相应停车视距所需的道路照明宽度，加上车辆各设计速度下行驶所对应停车视距所需的时间t内行人横向移动距离L和车道宽度/2，各停车视距下的宽度值如表8所示。

图4 弯道照明宽度需求

表8 设超高圆曲线最小半径一般值高配前照灯单侧照明宽度需求

依据表8数据在路面铺点并用线形连接，可得在弯道路况下，及时制动或加速通过所需的3 lx照明距离和宽度，如图5所示。

图5 弯道照明宽度需求曲线

3.4 十字路口

平面交叉口转弯速度应按组成交叉口设计速度的50%计算，如表9所示。60 km/h以上车速为快速路，不需要考虑交叉口速度。

表9 十字路口行车速度

根据表2、表6和图2构建的十字路口模型，选取30 km/h和20 km/h转弯速度进行研究。十字路口照明距离需求计算过程如下：①弧长C=停车视距；②通过公式：圆心角A =，求圆心角A；③通过圆心角A，考虑行人速度，确定弦长L的终点；④依据α角和弦长L计算在行驶方向上，各设计速度下，车辆在弯道行驶所需的单侧照明宽度。设计转弯速度30 km/h十字路口照明距离需求如图6所示，20 km/h数据略。

将数据在路面铺点并用线形连接，可得：在十字路口相应距离和车速下，及时制动或加速通过时所需的3 lx照明距离和宽度，如图7所示。

3.5 坡道

各级道路纵坡变化处应设置竖曲线，竖曲线宜采用圆曲线，竖曲线最小半径与竖曲线最小长度应符合表10所示。由图8可知，当角α1与α2为极限值时道路倾角最大，当弧长L为极限值时竖曲线半径最小，故针对极限情况进行研究。

1）凹形坡道

凹形坡道灯光上扬角度计算过程如下：通过公式α=180L/πr，求得各安装高度下的灯光相对路面上扬角度α，其中，L为竖曲线弧长，r为竖曲线半径。

对比直行道路停车视距灯光偏角与凹形坡灯光角度变化可知，仅凭借固定位置的近光不能满足坡道安全视距要求，需配合近光高度调节装置、降速行驶或使用远光等辅助手段满足安全视距要求，故本文不再继续研究。

图6 设计转弯速度30 km/h十字形交叉口照明宽度需求

图7 十字路口照明宽度需求曲线

图8 坡道道路设计参数

表10 竖曲线最小半径与竖曲线最小长度

2）凸形坡道

凸形坡道情况下（一般值和极限值），灯光无法照射到相应安全视距（数据略），在凸形坡道时应降速行驶，故本文不再继续研究。

3.6 特殊路况——近光近场

由于中国城市道路情况的特殊性，在近光近场区域（30 m前）需要较大的宽度以保证行人较多路况的行驶安全，故高配车型近光需尽最大可能满足人眼30°视场照明范围，即在前方20～30 m区域应采用十字路口转弯照明需求线或视场线的较大值，如图9所示。

图9 十字路口转弯照明需求线与人眼视场线

人眼30°视场在20 m和30 m处单边宽度分别为7.28 m和17.32 m，分别可满足识别1 m/s和4 m/s速度行人识别需求。人眼视场线与十字路口转弯照明需求线相比较，在车前10～25 m范围内十字路口转弯照明需求线更宽，故选取该线作为照明需求线。

3.7 光形复合

1）近光

以直行道路线、设超高弯道一般值线、左右转弯线、人眼视场线截取相应视距部分以辅助线连接，形成近光3 lx照度最小光形范围需求符合曲线，如图10所示。其中人眼视场线外侧的左右转弯线可仅在具备弯道照明功能时满足，其他路况时满足人眼视场线。

图10 近光3 lx最小照明范围

2）远光

以直行道路线、设超高弯道一般值线、左右转弯线截取相应视距部分以辅助线连接，形成远光3 lx照度最小光形范围需求符合曲线，如图11所示。其中人眼视场线外侧的左右转弯线可仅在具备弯道照明功能时满足，其他路况时满足人眼视场线。另外，远光辅助线前部端点处弧线对于照射距离影响较小（高配约1.6 m），故忽略本方案道路宽度影响。

图11 远光3 lx最小照明范围

4 总结

将所得曲线与目前主机厂评估前照灯性能的测点标准相比较，本文研究所得3 lx照度范围曲线与现行测点评估标准相符，且对现行标准未涉及区域进行了补充，并结合CIE 188和中国道路特点，以及人眼视场特性，能够为光学设计提供一定参考。

参考文献：

［1］ CIE 188—2010，PERFORMANCE ASSESSMENT METHOD FOR VEHICLE HEADLIGHTING SYSTEMS［S］.

［2］ CJJ37—2012，城市道路工程设计规范［S］.

［3］ CJJ152—2010，城市道路交叉口设计规程［S］.