市政立交桥高杆照明灯具失能眩光评价指标研究

摘 要：失能眩光会影响驾驶人员的视觉感受，造成判断错误，进而导致交通安全事故。为了预防该问题，本文以市政立交桥常用的高杆照明灯具为分析对象，结合现有的眩光理论，探究高杆照明灯具失能眩光的评价指标，包括阈值增量和眩光值，同时介绍了2个指标的理论计算方法，可为该场景下的失能眩光评价提供一定参考。

关键词：立交桥高杆照明灯具；失能眩光；评价指标

中图分类号：TU 113" " 文献标志码：A

高杆照明具有光照半径大、单位面积内灯具需求量少等优点，是立交桥照明设施的常用设计方案。失能眩光是照明灯具在应用过程中可能出现的不利因素，为了应对该问题，应结合立交桥的实际场景，建立相应的评价指标，在理论层面对其进行预防。

1 立交桥高杆照明分析

高杆照明灯具的照明半径通常可达数百米，能够覆盖较大的照明范围，减少立交桥上照明灯具的数量，同时能提供较高的照度，是立交桥照明灯具的主要选择。高杆照明的特点如下。

1.1 高杆照明的分类

根据灯杆的高度，可将高杆照明分为2类，包括半高杆和高杆2种，前者的灯杆高度通常为16m～18m，主要应用于中小型立交桥，其照射半径相对较小，灯具的照明功率多为400W以内。将灯杆高度记为H，高杆照明是指20m≤H≤45m的照明灯具，一般情况下不超过45m，其应用场景包括大型立交桥、大型交通路口等，灯具的照明功率多为400W～2000W。

1.2 投光特点分析

高杆照明灯具常见的投光方式包括3种，分别为单侧方向投光、半圆周形投光和圆周形投光。单侧方向投光具有明确的指向性，光束较集中。半圆周形投光的照射范围呈扇形或半圆周形。圆周形投光以灯具为几何中心，均匀地向四周投射光线。

1.3 照明计算方法

选择立交桥的照明灯具时，应以理论计算的结果为依据，保证照度满足要求，同时具有节能性。将立交桥道路的平均照度记为Eav，则该指标的计算方法如公式（1）所示。

（1）

式中：N为路灯的排列方式，如果路灯在道路两侧相对排列，则N的取值为2.0，如果路灯在道路一侧或者在两侧交错布置，则N的取值为1.0[1]；φ为光源的总光通量；U为光源的利用系数，由灯具制造厂家提供；K为灯具的维护系数，根据《城市道路照明设计标准》（CJJ45—2006），参数K的取值方法见表1；S为路灯灯杆的间距；W为道路的宽度。

2 关于眩光的基本理论

2.1 高杆照明的眩光问题描述

眩光是一种不利的交通因素。驾驶员受眩光影响，可能会出现视觉误判，进而发生交通事故。眩光在本质上是一种视觉感受，其形成原因包括2种，其一是照明光线不稳定，变化幅度较大[2]；其二是光线在路面上分布不均匀。根据现有研究成果，眩光的产生与光线对人眼的入射角度存在密切联系，具体见表2。

2.2 眩光的分类标准

根据眩光对人体视觉感受的影响，可将眩光分为3种类型。第一种为不舒适眩光，其危害相对较低，对视觉的干扰性较小。第二种为失能眩光，其原理是眩光源发射光线，在人的视网膜上形成影像，干扰人对目标物的判断，常见的问题是产生影像重叠。第三种眩光为目盲眩光，可导致暂时性失明，甚至永久性失明。在立交桥的交通管理中，重点控制对象是失能眩光。

3 高杆照明灯具失能眩光评价指标

3.1 眩光评价方法及指标

3.1.1 视觉舒适概率评价法

视觉舒适概率（Visual Comfort Probability，VCP）是评价不舒适眩光的重要指标。当VCPgt;70时，即认为产生了不舒适眩光，具体评价方法包括3个步骤。第一步是评价单个光源造成的不舒适度，其影响因素包括该光源的位置、表面积、亮度及其在视野内产生的平均亮度；第二步是评价多个光源共同作用时对视觉产生的不舒适感；第三步是确定视觉舒适程度，其决定性因素是观察者对不舒适眩光的接受程度。

3.1.2 亮度限制曲线评价法

亮度限制曲线评价方法基于人的视觉试验。在具体实施过程中，该方法需要搭建专门的眩光试验环境，由观察者对眩光的感受做出评价，形成量化的评价数值，再将其绘制成曲线，对眩光进行限制。

3.2 失能眩光评价指标

3.2.1 阈值增量

阈值增量（Threshold Increment，TI）用于度量失能眩光。当环境中存在眩光源时，为了能够看清楚物体，需要在环境背景或物体所在的位置增加亮度，将所增加亮度的百分比称为阈值增量[3]。

3.2.2 眩光值

国际照明委员会提出了一种眩光评价指标，称为统一眩光值（Unified Glare Rating，UGR），用于度量室内视觉环境中照明装置发出的光对人眼引起的不舒适感。但该指标主要应用于室内环境，不能满足立交桥的眩光环境。针对室外环境，该委员会提出了眩光值评价指标，其含义为灯具产生的亮度/照射场地的亮度，国内的技术标准吸收了这一理念，具体可参考《建筑照明设计标准》（GB50034—2013）。

3.3 失能眩光评价指标的计算方法

3.3.1 阈值增量的计算方法

3.3.1.1 计算等效光幕亮度

等效光幕亮度与杂散光密切相关，当杂散光作用于人的视网膜时，会导致视网膜上图像的对比度下降，进而影响视觉效果。该参数的计算方法如公式（2）所示。

（2）

式中：K'为一个常数；Lv为等效光幕亮度值；Egl为眩光源对观察者眼睛视线平面所产生的照度；θ为视线与光源发出的光线所形成的夹角，且1.5°lt;θlt;60°，转化为弧度时，有0.025lt;θlt;1。

实际照明场景中可能存在多个光源，此时应计算出各光源相互叠加所形成的等效光幕亮度，计算方法如公式（3）所示。

Lv，total=∑Lvi （3）

式中：Lvi是第i个光源的等效光幕亮度值[4]。

在立交桥高杆照明灯具失能眩光评价中，需要注意以下几点。1）计算参数Lv时，将观察点设置在靠近道路右侧1/4宽度处，以模拟驾驶员的位置。2）为了排除地面低矮光源对眩光源相关计算的影响，计算时可假定汽车顶部遮光屏与驾驶员的视线为20°。3）改变观察者的位置，计算其在各位置上的Lv值，在TI值的计算中，取其中最大的Lv。

3.3.1.2 计算阈值增量

TI的计算方法与等效光幕亮度、道路平均路面亮度密切相关，其计算过程如公式（4）所示。

（4）

式中：Lav为路面的平均亮度值；Lv，total为所有相关光源的等效光幕亮度，并且有Lv，total=ΣLvi。

3.3.2 TI值相关参数的计算方法

在TI的计算过程中，需要严格控制各相关参数的计算精度。根据观察者的身高和所在的位置确定其眼睛的坐标值，记为（X0，Y0，Z0），再确定灯具的位置，记为（XL，YL，ZL），由此计算出观察者和灯具的相对距离。Egl是TI计算时的重要参数，其计算方法如公式（5）所示。

（5）

式中：I表示灯具的发光强度，其决定因素为C和γ，这2个参数用于确定灯具在特定方向上的发光强度；LO表示观察者的研究与灯具的直线距离。

可根据LO坐标值计算出该参数的取值。其中，参数C=arctan[（Y0-YL）/（XL-X0）]，参数γ的计算方法如公式（6）所示。

（6）

计算参数LO时，由于人眼和灯具的实际坐标为已知量，因此可得LO2=（XL-X0）2+（YL-Y0）2+（ZL-Z0）2，对等式右边开平方即可求出LO[5]。关于参数θ，其计算方法为θ=arccos[（P+Q-R）/2（P×Q）1/2]，并且有P=（XL-X0）2+（YL-Y0）2+（ZL-Z0）2，Q=（Z0）2/（sin1°）2，R=（XL-X0-1.5/tan1°）2+（YL-Y0）2+（ZL）2。灯具的遮光屏可用于调节光线的角度，将遮光屏的角度记为S，则S=arctan|（ZL-Z0）/（XL-X0）|。

3.3.3 眩光值的计算方法

3.3.3.1 眩光值与眩光控制标志

眩光值用于表征人对眩光的视觉感受，该指标越小，人的可接受程度就越高。眩光值与眩光控制标志（GF）间存在明确的数学关系，具体可表示为GR=（10-GF）×10，GR的计算结果与人的忍受程度的对应关系见表3。

3.3.3.2 眩光值的适用范围分析

使用眩光值这一指标时，应根据现实生活中的场景，明确其适用范围。立交桥为交通设施，车辆行驶速度较快，人眼和高杆照明灯具间的位置不断变化，因此GR值的使用应满足以下条件。1）观察者的观看方向不固定，处于变化状态。2）光源的布置方式对眩光值的影响较低，可支持光源的非线性布置方式。3）灯具的安装高度和照明水平都较高。

3.3.3.3 眩光值的计算方法

眩光值的计算方法与等效光幕亮度有直接关系，其计算过程如公式（7）所示。

GR=27+24lg[Lv1/（Lve）0.9] （7）

式中：Lv1为高杆照明灯具的光线射入人眼时产生的等效光幕亮度；Lve为光线受环境的反射作用，射入人眼之后，产生的等效光幕亮度。

根据国内计算规范，Lve=0.035Lav=Ehorav·ρ/（πΩ0）。其中Lav表示可观察的水平照射场地的平均亮度；Ehorav表示照射场地的平均水平照度；ρ为漫反射作用中区域的反射比；Ω0为1个单位立体角。参数Lv1的计算过程如公式（8）所示。

（8）

式中：Eeyei表示第i个光源在观察者眼睛上的照度，并且要求该照度分布在与视线相垂直的平面上；n表示光源的总数量；θi表示观察者视线与第i个光源的入射光线的夹角，要求θi的取值为1.5°～60°。

将特定环境内的等效光幕亮度记为Lve，假设该照射区域内存在若干个点光源，通过公式（8）可求出每个点光源的等效光幕亮度，再对点光源的等效光幕亮度进行求和，即可获得Lve。在实际应用中，可采取一种简化的计算方法，即Lve=0.035Lav，Lav=ρ·Ehav·π-1，其中将区域漫反射的反射比记为ρ，水平区域的平均照度为Ehav。

3.3.3.4 眩光值的仿真计算方法

由于眩光值的计算对各参数的精度要求较高，在工程实践中常利用计算机对其进行仿真计算，以减少人工计算方法的误差。在仿真计算中，可将照明空间划分成网格，计算机通过网格计算观察者与高杆照明灯具间的距离。网格应尽可能采用正方形，如果正方形不能满足要求，也可采用矩形，如果为后者，矩形的长宽比应控制在0.5～2.0。网格单元的最大尺寸可按照公式（9）进行计算。

p=0.2·5logd （9）

式中：d为仿真区域的长边尺寸；p为网格的单元尺寸。

在仿真计算中，每个网格可代表一个观察者的位置，由此能够系统地计算出每一个观察点上的眩光值。

4 典型立交桥高杆照明灯具失能眩光计算机模拟

4.1 立交桥及高杆灯具概况

某立交桥及其高杆照明灯具设计方案如图1所示，共包括11个高杆照明灯具，其高度分为3种规格，分别为40m、30m和25m。3种灯具均采用钠灯光源，照明功率分别为1000W、400W、400W，所有灯具的仰角均设置为60°。

4.2 失能眩光计算机模拟

4.2.1 眩光值计算机模拟计算

眩光值的计算结果与观察者所在位置密切相关。在计算机模拟中，根据该立交桥的特点，选取5个典型观测点，再运用DIALux软件模拟计算不同观测点的眩光值。不同观测条件下GR值的最小值和最大值见表4，根据表3可确定对应的视觉感受。

4.2.2 阈值增量计算机模拟计算

在TI值的计算中，观察者和灯具中心的坐标点是关键参数。主线、跨线、桥区入口、左转匝道和右线匝道观察者具有不同的位置坐标，以主线观察者为例，其坐标为（5.000，

-210.000，5.500）。高杆灯具的数量为12个，以灯具1为例，其坐标为（90.00，90.00，40.00）。根据TI值的计算原理，分别计算出参数C、γ、θ和Egl等参数。将主线观察者作为TI计算的示例，12个灯具的Lv计算结果分别为0.029、0.034、0.007、0.036、0.409、0.004、0.002、2.295、0.001、0.001，由此可计算出LV，total=2.818。利用模拟软件计算出Lav=8.16cd/m2，则该观察者对应的TI=65×2.818÷8.160.8=32.7%。

5 评价指标的局限性分析

TI值的计算适用于规则排列的灯具，如果灯具分布不规则，难以保证结果的可靠性。立交桥通的设计方案具有多样化特点，既有规则的路段，也存在不规则的路段，如果是结构复杂的立交桥，其高杆照明灯具的排列方式往往具有不规则性，会制约阈值增量评价指标的应用效果。眩光值原本的应用场景是较大的运动场或者区域，立交桥基本能够满足其使用要求，但车辆行驶速度较快，当时速超过60km时，驾驶员的快速移动是否会影响评价指标的应用，这一问题尚未明确，还需要做进一步研究。

6 结语

在市政立交桥高杆照明灯具失能眩光评价过程中，可借鉴已有的评价指标，包括阈值增量TI和眩光值GR，通过理论计算和计算机仿真计算等方法，求出评价指标的具体数值，再根据分级标准判断高杆灯具是否会引起失能眩光和可能发生失能眩光的位置。

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