雾环境下道路照明“白墙效应”的模拟实验

徐博林，李玮晟，陈神飞，杨松柏，衡 涛，赵海天

(深圳大学 建筑与城市规划学院，广东 深圳 518060)

引言

在浓雾天气下，当驾驶员试图通过打开机动车远光灯时，灯光在浓雾中形成强烈的散射与反射，导致眼前一片雪白，即产生阻碍驾驶员视觉的“白墙效应”。恶劣天气下，机动车驾驶规定要求：机动车在夜间没有路灯、照明不良或者遇有雾、雨、雪、沙尘、冰雹等低能见度情况下行驶时，应当开启前照灯、示廓灯和后位灯，但同方向行驶的后车与前车近距离行驶时，不得使用远光灯。

浓雾天气下“白墙效应”严重影响驾驶员视觉环境，而对于白墙效应的产生条件及状态，国外研究中仅在Wout van Bommel的《Road Lighting》[1]中提到其影响，而对于其产生的具体条件、雾的种类、浓度与照明光源以及照明方式的关系并未深入研究，国内也仅在报道中出现，并未有任何相关文献及理论研究。

可见光在雾中的穿透性研究中，大量的实验研究标明：雾灯穿透能力最佳波长为578 nm；对于白光LED，色温越低，透雾能力越强；不同颜色LED，黄光优于白光[2-4]。文献[5]中实验开展了雾天气下人眼视觉可见度研究，人眼视力水平随雾能力增加呈线性递减。而在实际机动车行驶过程中，除关注光源穿透性之外，还应关注光源对驾驶员视觉环境的影响。

本文所述实验采用超声波雾化加湿器产生雾，模拟封闭的大雾环境，雾的浓度由一个LED光源在相应浓度下的照度衰减值来描述。探索在白天和夜晚状态，不同光源不同浓度下目标物识别能力变化状况，通过对目标物亮度和背景亮度对比度来描述，研究“白墙效应”，对于指导现有道路照明与机动车照明具有一定的参考意义。

1 实验方法

1)实验装置。实验按照1∶50模拟100 m长、3.75 m宽3车道，2.5 m宽应急车道的高速公路。实验装置为密闭环境，内表面为可更换不反光内衬；模拟制造雾环境的雾化加湿器，顶部设置抽风排雾口；照度计正对射灯，采集射灯照度值；顶部为24 W白光LED面板灯,用于模拟白天和夜晚场景。实验装置如图1所示。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental device

2)实验条件。该实验中，实验用雾发生器采用300 W超声波雾化加湿器，湿度范围可控制在10%～98%，其粒子直径为3～5 μm，自然界雾粒子直径为3～100 μm，可模拟自然界中的雾；在实验箱内充满雾，抽风口控制雾浓度，射灯照度值确定雾浓度；目标物为灰色3D打印PLA材质直径为3.5 cm郎道尔标准视环，距离光源照射中心1.5 m。

所使用光源为：LED射灯8 W,色温 3 100 K，显色指数为81 (以下简称暖白光)；LED射灯8 W,色温 6 500 K，显色指数89(以下简称冷白光)。

调整两种光源功率使得光源在1.5 m处的照度均为10 000 lx。

亮度采集使用LMK亮度成像仪，照片记录采用NIKON-D700。

3)实验过程。实验在全黑暗室内进行，白天场景内衬更换为白色绒布，夜晚场景更换为黑色绒布。实验框架如图2所示。首先，确定实验基本参数，在无雾顶板灯关闭状态下打开射灯记录照度值，作为基础照度E0。打开超声波雾化加湿器，待装置内充满雾，射灯照度稳定不再下降，关闭加湿器。打开抽风机到肉眼可见目标物，停止排雾待照度计读数稳定记录照度记为E1，以100 lx为梯度，依次记为E2、档位E3、档位E4……至雾基本消失。

图2 实验框架Fig.2 Experimental framework

白天不开灯数据采样过程：

打开射灯，充雾并调整雾稳定时照度计读数为E1，关闭射灯，打开顶板灯，使用亮度成像仪拍照记录；

关闭顶板灯，打开射灯，排雾并调整雾稳定时照度计读数为E2，关闭射灯，打开顶板灯，使用亮度成像仪拍照记录；

关闭顶板灯，打开射灯，排雾并调整雾稳定时照度计读数为E3，关闭射灯，打开顶板灯，使用亮度成像仪拍照记录；

……

至雾基本消失。

同理依次完成白天暖白光数据→白天冷白光数据→夜晚暖白光数据→夜晚冷白光数据采样。

4)雾浓度的表征。本实验中，无雾状态下，射灯基础照度为2 650 lx,记为E0,目标物可初见时，射灯照度为2 100 lx即为E1，在En照度时分别记录对应浓度下亮度数据；相对雾的浓度N计算公式：N=(E0-En)/100；N为0时表示无雾，N值越大，雾浓度越高。

5)目标物的识别性表征。实验得到四种雾浓度下亮度数据，为降低人造雾浓度不均匀带来误差，取郎道尔视环上三个点亮度求平均值L1，取背景上四个点亮度求平均值L2,如图3所示，郎道尔视环的识别性用亮度差ΔL表征，计算公式为ΔL=︱L1-L2︱。

图3 郎道尔环取点位置Fig.3 Point position on the ring

2 实验结果

1)白天状况下。由表1可得到不同浓度雾下，白天状况下不同光源照射下目标物的识别能力变化曲线，如图4所示。图5为白天状况下，不同雾浓度时的白墙效应形态照片。

表1白天状况下亮度对比(ΔL)数据

Table 1 Luminance contrast data in daytimecd·m-2

横坐标表示雾的浓度，纵坐标为亮度差图4 白天状况下，不同光源照射下目标物的识别能力变化曲线Fig.4 Recognition ability of target under different light sources in the daytime

图5 白天状况下，不同雾浓度时的白墙效应形态Fig.5 White wall phenomenonin under various concentration of fog in the daytime

2)夜晚状况下。实验计算得到夜晚状况下亮度对比度数据，如表2所示。由表2可得到不同浓度雾下,夜晚状况下不同光源照射下目标物的识别能力变化曲线，如图6所示。图7为夜晚状况下，不同雾浓度时的白墙效应形态照片。

表2夜晚状况下亮度对比(ΔL)数据

Table2Luminancecontrastdataatnightcd·m-2

横坐标表示雾的浓度，纵坐标为亮度差图6 夜晚状况下，不同光源照射下目标物的识别能力变化曲线Fig.6 Recognition ability of target under different light sources at night

图7 夜晚状况下，不同雾浓度时的白墙效应形态Fig.7 White wall phenomenonin under various concentration of fog at night

3 实验讨论

本实验不仅能够验证之前实验暖白光在雾天对于提升目标物的识别性优于冷白光，而且进一步探索了冷、暖白光环境与无光源环境下目标物的识别性关系，“白墙效应”产生的条件与雾浓度的关系——仅在雾浓度较高时才会产生“白墙效应”。光线在大气层中的理论散射模型通常可以分为两个部分：单位体积大气成分的单次散射和整个大气层的多重散射。

如图8所示，单次散射下一束平行光线I0照射到单位体积 dv粒子上的散射示意图。利用 Stokes 矢量入射光I0可以描述为I0={I0,Q0,U0,V0}，那么距离R处的散射光强度为

(1)

其中，Ksca为散射系数，P为四行四列的相位矩阵。

图8 大气粒子散射示意图Fig.8 A schematic diagram of atmospheric particle scattering

当雾浓度较低时,散射能力较弱，因而打开光源时，依然有大量的反射光强进入视线，实现增强物体识别性；当雾浓度高时，散射能力较强，打开车灯会形成光幕即所谓的“白墙”，降低人眼对物体识别性。

4 结束语

本实验测量了白天状况两种色温光源与无光源在不同浓度下，目标物的识别性，随着雾的浓度升高，物体的识别性下降，在雾浓度较低时，打开光源，有助于提升目标物的识别性；但当雾的浓度较高时，开灯反而会降低目标物的识别性，即产生所谓的“白墙效应”；夜晚在没有路灯的状况下，机动车不打开光源是无法观测到目标物，因此实验中只讨论打开光源的情况，同浓度下，暖白光下目标物的识别性优于冷白光；在雾浓度较低时，应打开光源提升视野环境内目标物可见度；浓度较高时，应关闭实验中所采用的光源或选择能够提升目标物可见度的光源。

本实验目前尚无法定量测试实验中模拟雾的浓度与现实中雾的浓度对应关系，需要进一步完善实验，指导机动车在不同雾浓度下使用前照灯。