河北省照明行业协会
ILLUMINATION INDUSTRY ASSOCIATION OF HEBEI PROVINCE
     
全面理解道路照明和道路照明标准二:不同道路上的视觉作业
来源: | 作者:hbzmcc | 发布时间: 2012-03-12 | 5736 次浏览 | 分享到:

一、 序言

仔细研究国内外道路照明标准[1] [2]后就会发现道路照明涵盖两类性质的道路:

——机动车道路

——行人和非机动车道路

标准上清楚地指出了两类道路照明质量采用不同的评价指标:

——机动车道采用路面亮度及相关的量评价

——行人和非机动车道采用照度及相关的量评价

例如CJJ45-2006中表3.3.1“机动车交通道路照明标准值”是以亮度表达评价指标(辅之照度仅为了便于测算﹑计算和测量),表3.5.1“人行道路照明标准值”则以照度为主。在国际照明委员会推荐的指南CIE115(机动车和行人交通的道路照明推荐指南)中也有类似的表达,该文件的表5.1是道路的分类,表6.1是机动车道交通的路面亮度的要求,表9.1是行人区域的道路分类,表9.2是用照度数值表示的行人交通的照明要求。

于是我们能很清楚地看到,城市道路中不但有两种类型的道路,而且它们的评价指标也是完全不同的。一种采用亮度指标,是给开车的人——驾驶员视觉作业用的,另一种采用照度指标,是给行人或驾驶非机动车的人用的。

那么同样占用道路,同样在路上行驶或行走,为什么会有区别呢?

二、 人在不同路面上的视觉作业

大凡晚上城市中户外移动的人可有如下几种活动状态:行走的﹑骑车的和开车的。他们移动的速度﹑活动范围和心理状态不同,眼睛看到的和关注的内容不同,自然需要了解不同的视觉信息和内容,见图1.


图1 道路上的三类移动的人和他们的视觉作业

户外移动的人处于的状态不同,眼睛看的和关注的内容也不同,表1列出了他们的身体状态(客观的和主观的)。

表1 晚上城市中户外移动的人身体状态一览表

作业对象                  移动速度            精神状态                           视野情况                                                 需要周围信息

机动车驾驶员          50km/h以上         全神贯注,高度集中      较小,正前方,20º圆锥,关心周围环境        了解自身位置非常重要

非机动车驾驶员      ~20km/h             一般                             注视前方,比较关注周围环境                         一般重要,容易改变

行人                         <5 km/h             放松                           全视场,关注周围环境                                不太重要,随意改变

于是,得到他们的作业活动中视觉的基本状态和需要了解的信息要求分别见表2和表3

表2 晚上城市中户外移动的人视觉状态一览表

作业对象                关注方向,位置                              关注时的状态                         关注对象                     观察内容

机动车驾驶员         车前90m的地方(一个刹车距离)      凝视                            远方地面上的情况               障碍物,出现的移动物体

非机动车驾驶员      车前20m的地方和地面                      注视                           路上行人和路面上的情况          障碍物,行人

行人                       前方5m或下方地面                         从容,漫不经心            照顾自己和了解四周                 路面障碍物,寻找物件/对象,辨人

表3 晚上城市中户外移动的人观察对象一览表

 作业对象          被观察对象范围                                    被观察对象                                     要点                          反应时间t*

机动车驾驶员        前方60-160m路面内的亮度         出现的障碍物与路面的对比情况           迅速及时识别障碍物        <200ms[3]

非机动车驾驶员     前方0-20m路面上的情况           路面上会有的情况                                 及时识别障碍物和避让       ~0.5s

行人                  前方0-10m处环境内的情况            路面和行人的细节                            识别障碍物和作出反应          以秒计

*机动车行进时,为安全起见,一定要观察到大于刹车距离SD处的情况,由此得到最小反应时间t,有两种说法:

——在CIE88[4]中取1秒,得到水平的路上机动车的一个刹车距离SD的估算值就是车速v. 如车速v= 80km/h,刹车距离SD=80m.

——实际上,车速v,反应时间t和观察距离S,符合下面的关系式:

t•v+ SD=S

在观察距离S>SD的条件下, v=80km/h, t =200ms和t =1s时的最小观察距离是S:

S=(0.2X80000/3600)+80=84.4m(t =200ms)

S=(1X80000/3600)+80=102m(t =1s)

所以为什么计算亮度时的观察点在离驾驶员90m,观察区域60-160m,就可见一斑了,见本文第四节。

于是,根据观察对象和观察状态,需要照明提供的信息和对照明提出的要求是不同的,见表4。机动车驾驶员需要了解和关注的是一个刹车距离前路面上障碍物的可见度(见图2),障碍物要与发亮的路面之间有明显的亮暗对比,能容易地发现和认知,及时采取措施,避免发生事故。对行人和非机动车驾驶员来说,或希望看到和看清对面来人的模样和细节,或需要了解路面上的情况,如高低不平的路面等,从而及时采取相应的措施和做出反应(见图3)。


 图2 路面亮度分布和障碍物


图3 行人和非机动车驾驶员关心的内容 人的形体似圆柱体,从而产生半柱面照度

表4 晚上城市中户外移动的人观察对象需要的判据一览表

作业对象                        需要信息                                                     被观察对象上的光度计算值                                                     规定的判据

机动车驾驶员           路面上水平亮度L和障碍物(小目标*)亮度L’     由路面亮度L和规定小目标*计算得到的可见度水平VL**       路面上障碍物(小目标)的可见度水平VL

非机动车驾驶员        障碍物垂直面照度                                                  E⊥/路面水平照度E                                                   水平照度E/半柱面照度Esc

        行人              障碍物垂直面照度 、  E⊥/路面水平照度E                  水平照度E/半柱面照度Esc                                           水平照度E和半柱面照度Esc

*对机动车道上的小目标的形状﹑颜色和反射率由标准规定:

——CIE115规定为反射率20%,大小是18cmX18cm的灰色正方形板,

——IESNA的PR-8-00[5]规定为反射率50%的灰色大小是18cmX18cm的正方形板,采用50%反射率的原因是可以使路面上计算得到的可见度水平VL的平均权重值比采用其它反射率的更大,得到更清晰的反映。

采用大小是18cmX18cm的尺寸是因为小汽车前的挡板离地的平均高度是18cm的缘故。

**可见度水平VL:

由小目标上的亮度和它背景路面上的亮度可构成亮度对比度C,随路面上的位置不同,C的数值是变化的,故定义可见度水平VL为:

VL=C/Cth

式中的C是路面上该点的亮度对比度,Cth是此时的阀值亮度对比度。

当C的数值变化到阀值(看得见和看不见的临界状态)对比度Cth时,称此时的可见度水平VL等于1,实际上,有一半的人无法辨认了。即:

VL=C/Cth=1

VL的数值随测量点位置的变化而变化,VL数值越大,分辨障碍物越容易。在CIE115规定的条件下,要求最小维持的VL在5.0-7.5之间(随不同等级的道路而异);在IESNA规定的条件下,VL在1.6-4.9之间(随不同等级的道路而异)。

三、 晚上移动的人眼睛内看到的内容和需要关注的问题

上节中涉及的是人在移动时视觉作业的基本内容和视觉目标,实际上还有如下所述的其他内容必须引起关注,它也影响视觉作业,决定了视觉水平和能力:

a) 晚上的整体光环境

我们的眼睛在晚上可以看到的或被吸引过去注意的内容和“节目”要比白天多得多

和容易得多,一个原因就是我们往往不象白天那样对外界环境中的情况一目了然,很想知道不少看不清的空间和位置上的内容,从而了解外面的世界;另一个原因就是我们的眼睛有“向光性”——喜欢关注视场中亮的地方,特别是会注意最亮的地方,这是生物的特性决定了的。

不同移动方式的人,眼睛的视觉作业对整体光环境情况的了解有比较大的区别,见表5。

表5 不同视觉作业中了解的整体光环境的情况

作业对象             眼睛关心内容                         眼睛使用的视觉细胞位置                  相应的视觉细胞               对整体光环境的了解

机动车驾驶员     正前方,特别是视线1º范围内       中心窝                                      锥体细胞为主                   除正前方外,其它空间并不关心

非机动车驾驶员   正前方,一个10º以上范围           中心窝+部分边缘视觉             锥体细胞和杆体细胞               前方全部空间

行人                    前方和四周                              中心窝+大部分边缘视觉             锥体细胞和杆体细胞                四周全部关注

有鉴于眼睛的中心窝和它的边缘视网膜上的视觉细胞不同,分布的密度也不同,它们的光谱响应自然也不同,见图4和图5,因此,机动车驾驶员对路灯光色的感觉和非机动车和行人是不同的。

整体环境的概念十分重要,它决定眼睛当时处于的适应状态——眼睛的视网膜上视觉细胞的工作状态,决定眼睛对外界整体观察的能力(阀值水平)和发现细节的能力(灵敏度),也决定眼睛响应的光谱和对不同光谱响应的能力。


图4 视网膜上两类视觉细胞的分布密度


图5 视网膜上视觉细胞的分布图


 图6两种视觉细胞的光谱光视效率V(λ)和V’(λ)

b) 眼睛的适应亮度和路面的平均亮度

在道路照明设计标准中规定了各种等级机动车道路上平均亮度的数值要求,采用计算道路表面上各点亮度后求出算术平均值的方法后就能得到,从而检验是否达标。

在图6中表示的两种视觉细胞的光谱光视效率曲线:锥体细胞的V(λ)和杆体细胞的V’(λ),分别代表了眼睛在不同的适应亮度下的特性,即V’(λ)用于的适应亮度≤0.003cd/m2和V(λ)用于适应的亮度>3cd/m2。

若亮度处于中间的区域称中间视觉区域。实际上,按标准要求道路照明的路面平均亮度为0.5-2cd/m2,正好处于中间视觉区域且靠近明视觉的位置上。

但必须注意到的是图6中表示的两种眼睛的适应亮度与道路照明设计中计算得到的路面上的平均亮度是两个不同的概念。平均亮度是呈现在路面上的,该数值仅来自被计算的路面上那么一块面积上的亮度数值的平均,不能依此认为它就表示了眼睛的适应亮度。因为这些路面仅占眼睛整个视场中的一部分(尽管是比较大的部分),视场中还有周围环境中的许多亮度更高的发亮物体,如路灯﹑信号/指示牌﹑广告等,这些发亮的东西会与发亮的路面混合起来从而提高眼睛的适应亮度。由此可见,如果路面计算得到的平均亮度是2cd/m2,那么,眼睛的适应亮度肯定大于2cd/m2.

c) 反应时间和观察时间

反应时间是障碍物出现到眼睛看到之间需要的时间。理论上说,反应时间越短越好,能及早发现并做出处置。实际上,反应时间由许多因素决定,如:

主观因素:个体的原因(年龄﹑视力等)、由周围环境决定的眼睛适应亮度水平、个人因素(移动速度﹑观察方向)等。

客观因素:周围环境的亮度水平﹑障碍物的形状和大小﹑障碍物表面的情况(反射率﹑颜色和表面质地)﹑障碍物的位置和视线之间的角度等。

观察时间是作业者进行该项工作时眼睛视看对象需要的时间,这是在某种照明环境下保障视觉作业正确安全进行的基础。观察时间大于或等于反应时间是通过视觉获得信息的必要条件。作为良好的照明条件就是要创造一个尽可能短的反应时间的环境,使作业者获得更多的资讯,保障安全。 

目前实验中比较普遍采用观察时间的是200ms[3].

d) 辨色﹑辨人和辨物

在行人和非机动车道上,作业者的主要视觉作业是辨色﹑辨人﹑辨物和辨别方向,移动速度较慢,眼睛注视的是前方的地面和前方的空间。为了看清楚对方的情况,需要照明提供一定数量的光线落在水平面和垂直面上,分别可以由路面上的水平照度E和垂直照度E⊥(人的衣着和人脸)来衡量,有的标准中要求提供辨别人脸的需要的半柱面照度.Esc就是这个道理。

四、 不同视觉作业道路照明需要的光度量

1.机动车道的照明要求——路面亮度

机动车的驾驶员是机动车道主要的视觉作业者,不管是白天或晚上,行驶中眼睛只关心正前方离车辆一个刹车距离地方路面上的情况,视线方向固定不变,视场大小也基本不变,因此,眼睛观察角度﹑方向和关注点的距离可以认为是恒定不变,加上各国的路面上使用的材料基本统一,只有柏油和水泥两大类,所有这些都为用路面亮度作为衡量指标创造了条件。

晚上,在这样的观察条件下,看到的只是被路灯照亮的路面上的反射光,整个道路就是许多路灯在路面上形成发亮光斑的迭加,形成了路面的亮度和亮度分布,见图7.


图7 路面上的亮度由若干路灯提供

路面上的亮度数值与下列因素有关:视线与路面的夹角﹑路面材料的反射特性﹑入射于计算点光线的方向和光强。这些因素都与驾驶员的观察状态有关,为此, CIE(欧洲条件) 的规定见图8:

——驾驶员眼睛高度:1.5m;

——眼睛注视点离汽车距离:90m;

——驾驶员的视角:1º;

——视线和水平线(路面平面)的夹角:1º;

——驾驶员1º边缘线与路面相交点距离汽车的位置:近点:60m,远点:160m.

在规定了上述的观察条件后,路面材料的反射特性也可以得到确定并测量,目前世界上已经有统一的对水泥路面和柏油路面的相关的分类和规定数值。

这样的规定和计算,说明了机动车道路的照明仅以小车为考虑对象,不考虑卡车驾驶员。


图8 路面亮度的观察条件(欧洲和北美不完全相同)

2.非机动车道的照明要求——路面照度

考虑非机动车道上的作业对象,他们的视线方向和视看对象根据环境不同有很大的差异,见图1,例如对行人,有高个和矮个的,有视线向前看和向下看的;对骑自行车的人来说,也是如此。更重要的是被观察对象物的属性无法确定,表面反射特性和颜色千变万化,有穿着不同颜色服装的人,有大人和小孩,有行走的,有检东西的等等。目标繁多,它们影响关注目标的大小,影响眼睛的适应能力。因此,对这类作业对象不定的只能考虑环境中各个物体表面接受光通量的数量,从而确定照明环境评价的指标——各个表面上的照度。

这类作业场所中有形形色色的被观察表面,有水平的如路面,有垂直的如人的衣着和走路的和开门的人,有圆弧面如人脸和柱子等各种被观察对象。

参考资料

[1] CJJ45-2006,“城市道路照明设计标准”。中华人民共和国建设部

[2]CIE115-1995,“Recommendations for the lighting of roads for&n, bsp;motor and pedestrian traffic”

[3] Steve Fotios,Chris Cheal,“Lamp Spectrum, Illuminance and the Pedestrian’s Ability to Detect Obstacles” ILE,Vol.73 ,N0.6, December 2008.

[4]CIE88-2004“Guide for the lighting of road tunnels and underpasses”

[5] PR-8-00“Roadway lighting”IESNA 2005.