詹明媚 王 敏

(福建師范大學物理與光電信息科技學院，福建福州 350007)

1 引言

在日新月異的社會發(fā)展中，隨著經濟的發(fā)展、人民生活水平的提高，汽車行業(yè)也不斷的飛躍發(fā)展。汽車為人們出行提供了便捷的服務，使人們的生活方式有了巨大的改變。人們在享受汽車帶給我們的便捷和改變的同時，也因為各種各樣的交通事故，付出了慘痛的代價。夜間車輛在大橋上會車時，由于眩光而造成交通事故就是代價之一。

資料顯示，50%左右的交通事故發(fā)生在夜間，即使該時段的車流量只有白天的10%～30%。造成夜間行車事故多的原因很多，其中汽車前照燈眩光是一個非常重要的因素。本文就是針對夜間車輛在城市大橋上會車時，為了避免汽車前照燈的眩光，通過對城市橋梁防眩屏的優(yōu)化設計，以達到夜間行車時人對車燈防眩光的目的［1］。

2 眩光評價

眩光是指視野中由于不適宜亮度分布，或在空間或時間上存在極端的亮度對比，以致引起視覺不舒適和降低物體可見度的視覺條件［2］。目前評價眩光程度的方法有很多種，如英國的GI法、美國的VCP法以及CIE的UGR系統(tǒng)等。而本文對于眩光程度的評價是用相對閾值增量TI。

若道路照明中路面亮度在0.05～5cd/m2，閾值增量［3～4］可用下式計算:

式中 Lv——等效光幕亮度 (cd/m2)。假定觀察者總是以與水平線成1°夾角注視與路軸平行的正前方 (即一直注視著前方90m路面上的一點);

Lav——路面上的平均亮度。

等效光幕亮度［3～4］可以用以下經驗公式計算:

式中 Eeye——眩光源在觀察者眼睛在垂直于視線平面上所產生的照度 (lx)。

θ——視線和從眩光源來的光線入射方向之間的角度。

K——比例常數，當 θ以度為單位時，K=10。

由等效光幕亮度公式可知，為了得到Lv，我們只要有Eeye即眩光源在垂直于觀察者眼睛視線上所產生的照度和角度θ即可。為了得到眼睛所接收到的照度Eeye，我們利用軟件tracepro進行模擬。我們對城市大橋道路進行模擬，并對大橋防眩屏提出了三種設計方案:(1)單排立柱型防眩屏;(2)雙排立柱型防眩屏;(3)單排立柱+薄片型防眩屏。對這三種方案所得出的輻照度進行分析，最后得出一個最佳的方案。

3 Tracepro模型模擬

Tracepro是一款可以建模，進行光線追擊，并得到不同位置的輻照度分析圖的軟件。通過輻照度分析圖我們可以具體分析當駕駛員位于大橋不同車道時的具體照度分布圖，再利用公式可以具體分析是否有眩光的作用。

下面將具體講述大橋道路模型。

橋面為雙向6車道，每個車道寬3.5米，其中左右 (上下行)內車道間距1.2米。為了可以直觀看到輻照度分析圖，我們在車道每隔1m放置一個照度接收屏。照度接收屏的尺寸長為2m，高為0.6m，厚為0.01m的方塊 (這主要是根據駕駛員在汽車內可能觀察到的視野范圍來定的)。

本文重在對三種方案的模擬設計，因此簡單的模擬汽車的車燈，采用的是點光源的模型。根據國標，汽車前照燈的亮度要求是:近燈900lm，遠燈1100lm，整體為2000lm。當兩車會車時關閉遠光燈，打開近光燈。因此我們設置光源為高斯分布點光源，且以30°角發(fā)散 (大于30°對人眼的眩光左右很小)，車燈距離立柱的中心1.3米，總的光通量為1000lm。

防眩屏的設置有三種模型:

(1)單排立柱型:直徑75mm，高度1.3m的圓柱，立柱前后之間間隔2.3m。

(2)雙排立柱型:直徑75mm，高度1.3m的圓柱，立柱前后之間間隔2.3m，左右之間間隔0.8m。

(3)單排立柱+薄片型:

立柱——直徑75mm，高度0.7m的圓柱，立柱之間間隔2.3m。

薄片——長0.6m，寬0.05m，高0.6m的長方形，薄片之間間隔2.3m。

模型都設計好之后，對格點光源進行光線追擊，查看各個接收屏的照度分布情況，并對不同的防眩屏方案進行分析。

4 數據分析

4.1 不同模型的輻照度分析

通過tracepro模擬，我們可以得到距離車燈不同距離的照度，用接收屏來接收。

通過分析各個位置的照度圖，在水平距離10m遠的屏才開始有接收到車燈的光照。隨著距離的增加，接收到的光照面積增加，平均照度增加，但由于有防眩屏的遮擋作用，在17m～19m的位置開始，隨著距離的增加，光照面積有所下降，且最大照度值下降，因此水平距離17m～19m位置最有可能產生眩光，對其分析即可。選取第一車道距車燈水平距離18m遠的接收屏的輻照度分析圖進行比較。如圖1所示。

假設人坐在車內的眼睛的高度為1.2m，從圖1中可以看到:圖1(c)單排立柱+薄片型防眩屏的照度圖效果最好。因為在接收屏的范圍內，圖1(c)所接收到的有效光照度面積最小，而且如果以1.2米為水平視線的高度，上下浮動10cm，單排立柱+薄片型立柱可遮擋住過往車燈大部分的光線，在效果上對人眼幾乎沒有影響。再看看單排立柱和雙排立柱的效果，不僅遮擋光線的效果不好，而且大范圍地超過了閾值照度，這對人眼會產生較大的眩光，從而影響駕駛員開車，很容易造成交通事故。

圖1 不同防眩屏方案第一車道的輻照度分析圖

現在我們具體以圖1(c)為例，做一簡單的等效光幕亮度的計算。

如圖1(c)所示，人眼高1.2m，在車道0.7m～2.2m的范圍內，光照度為0，可以不予計算。在2.2m～3.5m的范圍內，模擬接收到的光照度為2.5lx，在某位置視線和眩光源光線之間的角度θ可以用以下的方式來計算 (也可以用CAD模擬)

式中 x——人眼距離駛來車燈垂直于車道的距離;

z——人眼距離駛來車燈水平于車道的距離。

若x=2.6，接收光照面17的位置為z=18，可得θ=8.2°，則其等效光幕亮度為:

根據城市道路照明標準［5］假設城市大橋路面的平均照度值為25lx，根據瀝青路面的平均照度換算系數為15(lx cd/m2)可得知路面亮度Lav的平均值為1.67cd/m2。

相對閾值增量為:

(閾值增量最大初始值)會產生眩光

4.2 同一模型不同光照接收面的照度分析

剛才我們從不同類型的立柱模型去分析是否會產生眩光，接下來我們具體以方案 (3)為例，分析當接收屏位于第一車道不同水平位置時的情況。

圖2 第一車道不同位置的輻照度分析圖

在大橋上的汽車車速一般在30～45km/h左右，人的反應時間在0.15～0.4s之間。若以人的反應時間為0.25s，那么，在這個反應時間內，汽車行駛了2.1～3.1m，我們設置的光照接收屏是相隔1m，因此我們可以對相隔2m的接收屏進行觀察分析，如圖2所示，選取光照面16和光照面18為分析對象。

從圖2可以看到，若人在前一時刻在車道2～2.6m范圍內會產生眩光，在下一時刻將不會產生眩光。在人還沒有反應之前，眩光現象消失了，不會對駕駛員造成影響。

4.3 不同位置區(qū)域眩光概率分析

再從概率上分析，汽車行駛在道路上時，一般是位于車道的中間位置，車內的駕駛員一般的視線高度為1.2m，則我們假設:當人眼視線處于在如圖3所示中的1的位置區(qū)域概率為60%，在2的位置區(qū)域的概率為25%，位置區(qū)域3的為15%。

圖3 人眼視線位置的區(qū)域分割圖

對圖2(a)分析，則在第一車道，距離眩光源17m水平位置上，在大概率位置1的光照度面積只有很少的一部分且只是邊緣的小照度，不產生眩光，因此，夜間在城市大橋行駛的汽車駕駛員，只要在行駛在車道中間位置時，在正常視線內也是不會產生眩光的，這也說明模型 (3)是最經濟可行的設計方案。

5 小結和確定方案

從以上的數據分析可以看出，單排立柱+薄片型立柱，效果不錯，但是部分范圍還是會超過閾值增量，如果加密或增大薄片型立柱，可以進一步消除眩光，但會增加成本。另外我們可以通過另外一種方式使其達到眩光限制要求，那就是提高背景亮度，當背景亮度為2cd/m2時，可以得到上述的閾值增量TI=13.8%＜15%，滿足要求。因此提高背景亮度也是滿足眩光限制的方法之一。

三種方案中，在某個范圍內，其閾值增量都會大于閾值增量最大初始值，但是通過對人的反應時間和車速的分析，最終確定方案 (3)—單排立柱+薄片的防眩光效果最好，最經濟，因此可以將其應用在城市大橋的防眩屏設計上。

［1］宋洪飛.普通公路會車時不同車速的眩光造成的危害時段分析 ［J］.公路與汽運，2009(5).

［2］王展鵬，陳大華.眩光控制分析及其在道路照明中的應用 ［J］.燈與照明，2009(9).

［3］楊宇春，劉錫成.失能眩光對道路照明影響的研究［J］.照明工程學報，2007(12).

［4］劉磊實.城市道路照明設計中失能眩光的計算與控制［J］.照明工程學報，2008(3).

［5］CJJ45—2006.城市道路照明設計標準 ［S］.