人工加速老化法的道路交通标志反光膜逆反射系数衰减分析

任冠群、周浩

（湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410000）

1 研究概况

1.1 研究背景

根据规范《道路交通反光膜》（GB/T 18833—2012）要求，反光膜的最高使用年限为10年，在使用过程中的维修与养护均没有明确的指标要求，我国高速公路与城市道路仅依靠长期以来积累的经验来维护交通标志，相应的检查评定规程也没有统一的规定。这种做法造成大量无法达到使用要求的交通标志得不到有效更换，造成极高的风险隐患，而有些使用效果依旧良好的交通标志受到了过度维护，增加了不必要的财政负担。

1.2 研究的目的和意义

道路交通反光膜是制作道路交通标志牌的重要材料，对该材料的光特性研究是保证其使用效果的重要手段，对于反光膜逆反射系数衰减的预测是指导道路交通标志板养护和更换的基础。我国现使用的技术规范《道路交通反光膜》（GB/T 18833—2012）只规定了固定使用期限后逆反射系数的下限值，而对反光膜使用的整个过程中的衰变并没有详细说明，本文研究的主要目的在于得出反光膜（以美国3M 反光膜为例）逆反射系数衰减模型，分析道路交通标志反光膜光度性能衰减规律，为标志管养提供理论参考[1]。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内研究现状

我国对逆反射材料的研究起步相对较晚，开始于20 世纪90年代，在交通运输部实验场中，研究者将230 个不同生产厂家、不同规格的交通标志样本以一定角度露天放置，长期记录交通标志随时间的变化情况，并用数学方法进行模拟，得到了宝贵的第一手资料，为后续的研究奠定了基础[2]。

1.3.2 国外研究现状

美国学者Black、Bischoff 等在美国各地设置反光膜试验区，对不同颜色、不同等级的反光膜进行布设，得到相关数学模型[3]。

英国早2005年率先摈弃传统的规范制定手段，不再以材料的结构、工业制作方法和光学参数对交通标志反光材料进行分类，转而从人的角度，以驾驶员为中心，对交通标志的设置方式和制作技术进行规范，这种变化更能体现人在交通中的主导地位，符合人的主观感受[4]。

1.4 研究方法

采用RT-100A 逆反射测量标准装置及美国RoadVista 932 便携式逆反射系数测量仪，模拟自然环境，对美国3M 各颜色反光膜进行人工加速老化，对逆反射系数进行跟踪观测，利用观测数据进行综合分析逆反射系数衰减曲线，再于同一时期，对不同颜色反光膜样品进行旋转角变化检测，得出旋转角与逆反射系数的对应关系。主要研究方法如下：

第一，选取时间作为自变量，标志的逆反射系数作为应变量。

第二，预测规律的拟合度高的模型类别。

第三，使用相关软件进行相关数学计算。

第四，使用决定系数法确定反光膜逆反射系数衰减值的预测模型。

2 逆反系数衰减试验方法和步骤

2.1 测试设备

根据逆反射系数的测试原理，需要在光源、光接收器、样品角度控制上选用相应的设备，依托湖南省交通科学研究院有限公司试验室，此项研究采用设备规格如下：光源，CIE 准直A 光源；色温，2856K；光接收器，photo-2000 微光照度计；转角系统，委托杭州远方光电信息股份有限公司定制转角试验架；测试距离，30.48m（采用国外100 英尺标准测试距离）；配套计算机软件控制系统；人工老化试验箱；试样。

2.2 测量角度

根据国标《道路交通反光膜》（GB/T 18833—2012）要求，I～Ⅴ类反光膜观测角取值为：0.2o、0.5o、1o，入射角取值为：-4o、15o、30o，Ⅵ、Ⅶ类反光膜观测角无1o要求。对于驾驶者而言，在前进过程中，观察角会随着空间位置变化而变化，一般车辆与被观察物越近，观察角也越大。车辆的型号大小，也影响观察角的大小，同等观测距离的情况下，通常越大的车辆，观察角越大。逆反射光线在观察角越大时，所观测到的亮度也越低，在对交通标志进行设计时，会考虑一个最佳角度，满足经济型要求的同时，还要使驾驶员能视认清晰，并且有足够的操控反应时间[5]（见表1）。

表1 动态距离作用下各车型的观测角

夜间道路行驶中，驾驶者首先会发现远处的交通标志，但由于距离还较远，无法完全看清标志内容，随着距离缩短，标志逐渐进入可识别区域后，驾驶者才开始阅读并分析，随后标志距离与驾驶者进一步缩短，直到看不到标志内容，标志的作用也随之结束。那么驾驶者从观察到脱离观察的这段距离就称为观察的有效距离，这段距离就是驾驶者观察信息、做出分析、开始操控车辆的黄金距离。相关研究表明，在距离标志150m 左右时，驾驶者识读交通标志信息比较顺畅，此时开始阅读，在距离标志100m 左右时，驾驶者不再关注标志的信息，识读完毕。由此可见，交通标志的关键识认距离为100～150m，结合我国高速限速100km/h 或120km/h、跟车距离100m 的实际情况，该项研究将采用0.2o的观测角，-4o的入射角。

2.3 人工加速老化方法

选取1800 小时的人工老化模拟36 个月的自然条件老化，试验中平均每老化48h 最少测试1 次逆反射系数。

2.4 结果计算

对每个老化周期试样，反光膜的逆反射系数用公式（1）计算

式（1）中：RA——逆反射系数，cd.lx.m-2;

mb——背景读数;

m1——在观测位置上逆反射式样读数;

m2——试样上垂直于光源的平均照度读数;

d——测试距离，m;

A——试样面积，m2。

3 道路交通标志反光膜逆反射系数衰减规律

3.1 数据采集

该项研究选取了美国3M 公司Ⅳ类白、绿、红、蓝、黄色反光膜，将反光膜剪裁成65×142mm 试样，放置于老化试验箱中进行老化，老化箱中采用氙弧灯模拟自然光，周期性进行喷水，定期对老化后的试样进行逆反射系数检测，每个样品检测3 个点平均值作为逆反射系数取值，试验进行91 天，最终每个样品得到51组试验数据，以各颜色反光膜时间为横坐标、逆反射系数为纵坐标绘制图形，并选取一次函数、二次函数、三次函数、指数函数、幂函数为模型分别进行回归分析，并计算决定系数来确定拟合度最高的模型类型。

3.2 逆反射系数衰减特征

通过数据进行回归分析，可知反光膜随着使用时间的增长其逆反射系数逐渐下降，且三次函数的决定系数较高，各颜色的函数模型如表2 所示。

表2 各颜色反光膜数学模型

3.3 预测结果分析

将该项研究结果与放置在北京的试验场内的自然条件下逆反射系数衰减研究结果对比，发现数学模型均符合三次函数，区别在于该项研究的决定系数较高，逆反射系数的衰减规律更加有迹可循，同时也可以发现，自然条件下环境更加复杂，地理环境、气候环境对交通标志逆反射系数的影响较大，受到各种不可控因素的影响，实际情况中标准反射系数衰减离散性比较大，所以仅通过试验室下模拟一种可控环境得出规律收效并不尽如人意。

我国地域辽阔，山峦起伏，大河蜿蜒，经纬度跨度大，存在各种不同的气候条件，针对每种地理气候情况来建立模型是不现实也是不科学的，在研究中单纯地使用一种数学模型来对这种现象进行归纳描述，其结果也必然不理想，但在一定程度上，数学模型可以反映出设置时间与逆反射系数衰减值之间存在的关联。本文的研究方法得到的数学模型仍然可以反馈出交通标志逆反射系数衰减的总体趋势，对于交通道路设施管养部门具有一定的参考意义，同时也会对以后的类似研究有借鉴意义。

4 结论

4.1 主要研究成果

本文针对反光膜逆反射系数人工加速老化状态下的衰减，采取试验的形式，采集数据后进行建模数学分析，取得以下研究成果：第一，阐述了交通标志的组成以及逆反射系数的最低使用要求，结合反光膜的结构，对逆反射的基本原理进行了分析，利用现有仪器设备和相关规程规范，设计人工加速老化后逆反射系数衰减的测试方法。第二，经过分析，得出Ⅳ类白、绿、黄、红、蓝色反光膜经人工加速老化后逆反射系数衰减模型，预测反光膜的使用年限，并通过数学分析，揭示该方法的局限性，为后续研究提供参考。

4.2 展望

目前微棱镜型逆反射材料的核心技术还掌握在美国3M、日本恩希爱等少数国外企业手中，受制于基础科学的发展，我国的光学材料甚至是光学设备都严重依赖进口，国内几个大的光学仪器厂家也仅仅处在购买、模仿阶段。我国汽车市场活跃，交通压力逐年增加，安全问题日益凸显，在国家强盛这条道路上，需要更多的人来投入到工业发展的短板上，以前仆后继之势将前路点缀得熠熠生辉。