文 官陽

近年，在交通安全領(lǐng)域，越來越多的人開始關(guān)注交通標(biāo)志的夜間視認(rèn)性問題，這是個(gè)非常積極的變化。這說明我國(guó)的道路交通安全需求已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)新的高度，人們對(duì)于交通標(biāo)志向道路使用者傳遞信息時(shí)的展現(xiàn)質(zhì)量，對(duì)掌控道路使用者注意力的重視，都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但在如何實(shí)現(xiàn)標(biāo)志的照明的問題上卻有很多誤解，導(dǎo)致出現(xiàn)了不少浪費(fèi)。本文就此回顧一下世界上標(biāo)志照明技術(shù)的前世今生。

《統(tǒng)一交通控制實(shí)施手冊(cè)》（第一版）首次提及標(biāo)志照明需求

說起交通標(biāo)志照明，不能不說世界上第一部具備法律約束力的標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)的《統(tǒng)一交通控制設(shè)施手冊(cè)》（英文簡(jiǎn)稱MUTCD）。該標(biāo)準(zhǔn)在1935年的第一版（統(tǒng)一）版中，提到了標(biāo)志需要照明，并且總結(jié)了當(dāng)時(shí)存在的三種照亮標(biāo)志的方法，原文翻譯如下：

第134節(jié) 標(biāo)志的照明方法

照亮標(biāo)志的燈應(yīng)該是白色光，除非是停標(biāo)志（STOP SIGN）上的字要用紅色光?，F(xiàn)將標(biāo)志照明的方法介紹如下，以備參考。

（a）照明燈可以安裝在標(biāo)志的內(nèi)部或者后面，也可以是發(fā)光管，照亮標(biāo)志的輪廓和主要的信息，無論是符號(hào)還是文字。燈光可以是閃爍的，也可以是穩(wěn)定的，使用閃爍的燈光更好。

（b）附著在標(biāo)志上或者獨(dú)立安裝的射燈，要求其光線照射于標(biāo)志版面。

（c）標(biāo)志面上要安裝反光元素。

標(biāo)志內(nèi)部穩(wěn)定或者持續(xù)閃爍的燈，及發(fā)光管、標(biāo)志外部的射燈，都可以最大限度地提高標(biāo)志的視認(rèn)性。但這種方法會(huì)導(dǎo)致成本和供電連接服務(wù)等增加，很多鄉(xiāng)村地區(qū)可以不使用這種方法。

在黃底黑框的標(biāo)志上安裝勾勒標(biāo)志輪廓的反光鈕時(shí)，要避開黑色邊框，安裝在黃色底板的面上。

不難看出，1935年，標(biāo)志照明已經(jīng)從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度，指出了三種方式：內(nèi)部照明、外部照明和利用車燈作用與標(biāo)志表面的反光元素實(shí)現(xiàn)照明。這三種方式歷經(jīng)90多年，沒有改變。

需要特別指出的是，現(xiàn)在使用最多的標(biāo)志照明措施—— 反光膜，在1935年時(shí)尚未問世，所以那時(shí)的標(biāo)志照明，雖然已經(jīng)有了利用大尺寸玻璃珠做反光鈕的技術(shù)，但是效果并不理想，因?yàn)榉垂忖o尺寸太大，卻只有單點(diǎn)能逆反射，效率太低，所以就用了國(guó)內(nèi)現(xiàn)在流行的說法：“主動(dòng)發(fā)光”。其實(shí)從英文和技術(shù)上講，“Illumination”不是發(fā)光，而是“使發(fā)光”，也就是通過安裝照明燈使標(biāo)志變亮。也就是說，無論是在標(biāo)志內(nèi)部安裝發(fā)光管還是在標(biāo)志外部使用射燈照亮標(biāo)志，都不是現(xiàn)在的技術(shù)創(chuàng)新，時(shí)至今日，這些技術(shù)還在一些有特殊需要的領(lǐng)域使用，只是使用的手段越來越好，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越科學(xué)，成本也越來越低了。

商用戶外標(biāo)識(shí)和機(jī)場(chǎng)跑道上的引導(dǎo)標(biāo)識(shí)是使用內(nèi)部照明方式最多的領(lǐng)域，也正是因?yàn)檫@種應(yīng)用的需求非常旺盛，所以內(nèi)部照明型的標(biāo)識(shí)技術(shù)從未停止過發(fā)展，今天的燈箱技術(shù)，已經(jīng)登峰造極，人們可以用很少的光源和很輕質(zhì)的材料制作出漂亮的內(nèi)部照明標(biāo)識(shí)。

圖1 1935年版MUTCD的封面

圖2 1935年MUTCD第134節(jié)的原文頁(yè)面截圖

但是這種技術(shù)并沒有被廣泛應(yīng)用于交通標(biāo)志領(lǐng)域，其原因有兩個(gè)，一是因?yàn)橄鄬?duì)于另外兩種方式，其可靠性和維護(hù)復(fù)雜且成本太高；二是與駕駛過程的安全需求有關(guān)。如果全程把標(biāo)志都用內(nèi)照燈照亮，有時(shí)會(huì)影響進(jìn)程感，特別是高架的大型標(biāo)志，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，可能一次看到好幾層的設(shè)置，信息相互干擾……相比之下，外照明會(huì)好很多，因?yàn)橥庹彰魇褂梅垂饽ぃ辉谲嚐粽丈洳患训木嚯x和角度里補(bǔ)光，所以駛近時(shí)，標(biāo)志亮度會(huì)降低，解放駕駛?cè)说淖⒁饬θビ^察路況。這也是為什么在美國(guó)1935年提出標(biāo)志需要照亮的標(biāo)準(zhǔn)后，很多大型標(biāo)志一直在使用外照補(bǔ)光方式的原因，而且維修也比內(nèi)照更方便。

圖3 美國(guó)在上世紀(jì)30年代安裝的使用反光鈕的交通標(biāo)志，白天和夜間的照片

反光膜的問世與創(chuàng)新升級(jí)

正是因?yàn)榭紤]到標(biāo)志照明的需求，特別是需要交通標(biāo)志的整體耐候性良好、低維護(hù)成本、長(zhǎng)生命周期、能高效管理汽車前照燈的燈光，才有了反光膜的問世和反光膜的不斷創(chuàng)新與升級(jí)。

世界上第一塊使用反光膜做的交通標(biāo)志，出現(xiàn)在1939年明尼蘇達(dá)州的公路上，從這一年開始，交通標(biāo)志照明的技術(shù)路徑被有效改寫了。這種最初的反光膜，利用了一種直徑非常小的玻璃微珠涂布粘貼技術(shù)，和大尺寸反光鈕的原理一樣，把車燈的光反射到駕駛?cè)说难劬铩Ｖ皇沁@種最初的反光膜，反光效率并不高，大約只能捕捉到照射光源的8%。即使是8%的車燈反光，也讓人們看到了希望。1942年，還處在戰(zhàn)爭(zhēng)期間的美國(guó)政府，修訂了《統(tǒng)一交通控制設(shè)施手冊(cè)》，增加了交通標(biāo)志反光膜的使用要求。

圖4 1942年版《統(tǒng)一交通控制設(shè)施手冊(cè)》MUTCD的封面。封面上標(biāo)明：“戰(zhàn)時(shí)緊急狀態(tài)版”

圖5 1942年版MUTCD的第134節(jié)，標(biāo)志照明部分的原頁(yè)影印件

圖5譯文如下：

第134節(jié) 標(biāo)志的照明方法

照明方法可以是下列方法：

（a）照明燈，安裝在標(biāo)志的內(nèi)部或者后面，照亮標(biāo)志的輪廓和主要的信息，無論是符號(hào)還是文字。燈光可以是閃爍的，也可以是穩(wěn)定的。

（b）附著在標(biāo)志上或者是獨(dú)立安裝的射燈，要求其光線照射于標(biāo)志版面。

照亮標(biāo)志的燈應(yīng)該是白色光，除非是停標(biāo)志（STOP SIGN）上的字用紅色的自照明閃光。

第134.1節(jié)－逆反射方法

標(biāo)志的信息和背景都可以用逆反射光照亮。逆反射的符號(hào)或者信息都應(yīng)該是白色的。如果背景是逆反射照亮，應(yīng)該是白色或者黃色的，顏色要遵守第126節(jié)里描述的顏色規(guī)則。

為了通過提高對(duì)比度獲得更好的視認(rèn)性，在信息條背景上可以使用與信息顏色形成對(duì)比色的色塊。

眾所周知，1942年，美國(guó)正在全面參與第二次世界大戰(zhàn)，在這樣的時(shí)刻，其交通部不忘交通安全和新技術(shù)應(yīng)用，反光膜問世三年就在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里鼓勵(lì)各地使用這種節(jié)能環(huán)保、能夠改善道路安全通行條件的技術(shù)，其對(duì)交通安全和科技創(chuàng)新的重視可見一斑。這也從另一個(gè)角度說明，道路交通安全傷害對(duì)于國(guó)家與社會(huì)，不亞于戰(zhàn)爭(zhēng)，需要高度重視。

圖6 右側(cè)為使用外射燈結(jié)合反光膜的龍門架標(biāo)志，左側(cè)為使用內(nèi)部發(fā)光管和外照燈（補(bǔ)底板的亮度，在一定角度可以感受到底板顏色）的龍門架標(biāo)志

工程級(jí)反光膜

早期的反光膜，也就是業(yè)內(nèi)非常熟悉的“工程級(jí)”反光膜，因?yàn)槭抢寐懵对诜垂饽つz層表面的玻璃微珠的折射功能實(shí)現(xiàn)的逆反射，表面附著露水或水汽后，由于玻璃微珠直徑太小，加上水的折射作用，就會(huì)引起反射光路的扭曲，影響車燈光的走向?！肮こ碳?jí)”一詞，是由發(fā)明企業(yè)最初注冊(cè)的商標(biāo)，Engineering Grade，后來因?yàn)槭褂锰珡V泛且延續(xù)了幾十年，所以逐漸被業(yè)界廣泛使用成了俗稱。

圖7 玻璃微珠反光膜的基本光線傳輸原理

高強(qiáng)級(jí)反光膜

直到1970年左右，“高強(qiáng)級(jí)”反光膜問世后，這個(gè)問題才得以解決。這種“高強(qiáng)級(jí)”反光膜，在玻璃微珠表面做了一個(gè)密封膠囊，里面含有空氣，這不僅保證了玻璃珠與外面溫度的趨同和不沾水，也可以使光線在進(jìn)入玻璃微珠前和離開玻璃微珠反射出來時(shí)，利用空氣層避免露水等的干擾，使光波在進(jìn)入空氣開始衍射時(shí)，能夠沿著車燈的照射方向反射回去。高強(qiáng)級(jí)的反光膜，因此具備對(duì)車燈光14%的反射效率，比工程級(jí)材料高了近一倍。

微棱鏡反光膜

伴隨人類對(duì)光學(xué)、數(shù)學(xué)和材料技術(shù)認(rèn)知的進(jìn)步，玻璃微珠對(duì)光線控制的弱點(diǎn)也逐漸被意識(shí)到。特別是同等面積下的反光效率問題，玻璃微珠即使再小，也只有一個(gè)反光點(diǎn)，而且反射角度單一。盡管反光膜用的玻璃微珠的直徑已經(jīng)僅為2微米，但是人類并沒有到此停步。更新的光控制技術(shù)在光柵技術(shù)原理的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)步中出現(xiàn)了，這就是微棱鏡技術(shù)。通俗講，微棱鏡技術(shù)是把玻璃微珠上不反光的部分切掉，只留下光線進(jìn)入和返回的線路部分，從而在單位面積下，不僅大大地提高了反光單元的數(shù)量，而且可以根據(jù)棱鏡的角度調(diào)整與多種微棱鏡的組合，大大提高反光效率。

20世紀(jì)80年代后期問世的第一代和第二代鉆石級(jí)反光膜（大角度反光膜的典型代表，因反光原理與鉆石的折射光路近似而得名，英文是Diamond Grade，也是發(fā)明企業(yè)注冊(cè)的商標(biāo)稱謂，后來被行業(yè)很多人誤以為是產(chǎn)品級(jí)別的俗稱），對(duì)汽車燈光的捕捉反射能力已經(jīng)到了32%，特別是第二代鉆石級(jí)反光膜（Visual Impact Prismatic，簡(jiǎn)稱VIP ），直譯為視覺影響微棱鏡，一改第一代的遠(yuǎn)距離反光優(yōu)勢(shì)（Long Distance Prismatic遠(yuǎn)距離微棱鏡，簡(jiǎn)稱LDP），是利用改變微棱鏡反射角度的方法，讓反光膜具備了大角度的反射特性，使得龍門架上和大型道路的路側(cè)的標(biāo)志也可以被駕駛?cè)丝吹健?/p>

圖8 微棱鏡反光原理示意

反光膜材料技術(shù)的大發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)，交通標(biāo)志用微棱鏡反光膜的研發(fā)仍在繼續(xù)，不僅品種在增加，生產(chǎn)成本和環(huán)保排放也在下降，而且性能越來越好。據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)材料檢測(cè)協(xié)會(huì)的技術(shù)統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)問世的反光膜產(chǎn)品已經(jīng)有十幾種類型，其中大部分是不同形態(tài)和反射性能的微棱鏡材料。目前最高等級(jí)的交通標(biāo)志大角度反光膜是已經(jīng)用可以兼顧遠(yuǎn)距離光投放和近距離光投放性能的新型微棱鏡組合技術(shù)制作的，它每平方厘米上有超過80種形態(tài)的900多個(gè)反光單元來管理入射光和反射光，對(duì)車燈的實(shí)際反射效率已經(jīng)高達(dá)58%，使得駕駛?cè)瞬粌H可以在大約800米外就能夠發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志，而且絕大部分情況下可以讓大小車的駕駛?cè)嗽诓婚_遠(yuǎn)光燈的情況下，在約150米到50米的距離上獲得可以支撐讀取標(biāo)志信息的亮度。

值得關(guān)注的是，微棱鏡技術(shù)問世以前，在高架標(biāo)志上（龍門架和懸臂）使用射燈為大型交通標(biāo)志補(bǔ)光，是一種比較普遍的做法，特別是在背景光源復(fù)雜、有大型車輛的道路上，直到近15年，這種做法才開始陸續(xù)發(fā)生變化。美國(guó)交通部資助的公路研究合作項(xiàng)目《高架標(biāo)志夜間視認(rèn)性指南》（NCHRP REPORT 828號(hào)，2016年）介紹“由于標(biāo)志反光材料的性能越來越高效，可以把更多的車燈光返回給司機(jī)，現(xiàn)在有關(guān)掉或者拆除高架標(biāo)志照明燈的趨勢(shì)。另外，新的字體設(shè)計(jì)也是為了迎合新的反光材料的特點(diǎn)，也增加了高架標(biāo)志的視認(rèn)性，這就進(jìn)一步明確了高架標(biāo)志是否需要照明的問題的答案。調(diào)查顯示，很多交通部門開始采取系統(tǒng)的措施，在高架標(biāo)志上使用高效率的反光材料來取代標(biāo)志照明燈。在2008年威斯康星洲交通廳調(diào)查的30個(gè)州里，仍在使用標(biāo)志照明燈的只有6個(gè)州，而且這6個(gè)州也是根據(jù)具體情況和個(gè)案基礎(chǔ)決定的。美國(guó)公路和運(yùn)輸官員協(xié)會(huì)（AASHTO）也進(jìn)行過類似調(diào)查，調(diào)查對(duì)象包括36個(gè)州，其中21個(gè)州，因?yàn)楦鼡Q了新型的標(biāo)志反光材料和節(jié)省開支的原因關(guān)閉了高架標(biāo)志的照明燈；另外15個(gè)州表示只在城市和高速路出口等處，還保留了原有的高架標(biāo)志照明，有5個(gè)州表示在新建道路上的高架標(biāo)志，還在使用標(biāo)志照明燈?！痹谝恍┓浅?fù)雜、車燈無法滿足需要的道路環(huán)境中，利用補(bǔ)光提高標(biāo)志的亮度的技術(shù)仍然在使用。

圖9 俄羅斯街頭遍布利用熒光黃綠鉆石級(jí)改善視認(rèn)性的標(biāo)志，以吸引人們的注意力，優(yōu)化行人過街秩序

與此同時(shí)，借助不可見光改善白天標(biāo)志視認(rèn)性能的反光材料也開始出現(xiàn)。以熒光黃綠鉆石級(jí)和熒光橙鉆石級(jí)為代表的新一代反光材料，改變了太陽光中的紫外線的波長(zhǎng)，使之進(jìn)入可見光譜，大大加強(qiáng)了材料的色度，為雨雪霧天和逆光、強(qiáng)光環(huán)境增加了一種特殊的安全解決方案。

圖10 俄羅斯制作的外部使用透光型反光膜，內(nèi)部有LED光源的內(nèi)照式交通標(biāo)志，主要用于背景光源復(fù)雜的城市環(huán)境里

總體上說，標(biāo)志標(biāo)識(shí)的照明技術(shù)，按照應(yīng)用環(huán)境分類，可以分為室內(nèi)和戶外兩大領(lǐng)域；從照明光源的位置分類，則分為內(nèi)、外部以及車載光源；從觀察角度需要分類，則有平視、仰視、遠(yuǎn)視、近視支持等；從使用材料分類，有透光、反光、透光和反光兼顧等，這些需求和特點(diǎn)都會(huì)影響照明方案的最后選擇，但其共性需求是一致的，就是盡可能地做到在需要時(shí)，讓標(biāo)志夠亮；不需要時(shí)，則要夠暗，并且做到環(huán)保、低耗、易維護(hù)。在成本合理的范圍里，優(yōu)選能滿足每一種視認(rèn)需要的方案，是個(gè)非常復(fù)雜和專業(yè)的技術(shù)活。標(biāo)志照明技術(shù)，事關(guān)道路安全通行條件，也事關(guān)道路運(yùn)營(yíng)成本，科學(xué)選擇的前提是要具備正確知識(shí)，了解標(biāo)志照明技術(shù)的前世今生的意義就在于此。

內(nèi)部照明標(biāo)志分類

交通標(biāo)志的照明方式

1.內(nèi)部照明，利用標(biāo)志面板后的光源通過半透明材料照亮標(biāo)志圖案或底板；

2.外部照明，安裝專用燈，均勻照亮標(biāo)志面板；

3.其他設(shè)備，如用整形發(fā)光管制成標(biāo)志圖案。發(fā)光標(biāo)志一般用熒光材料制成。反光標(biāo)志的反光膜，用透明樹脂(包括粘合劑)、玻璃微珠、反光金屬等材料制成，或?qū)⒉Ａе閴喝胨芰现兄瞥?。?dāng)汽車大燈射向反光標(biāo)志時(shí)，反光膜能將光線定向反射回來，使駕駛?cè)嗽谝归g能看清標(biāo)志。反光膜的反射亮度、色度、耐候性、粘著性、拉伸強(qiáng)度、耐溶劑性等性能都要符合要求。

內(nèi)部照明標(biāo)志產(chǎn)品分類

根據(jù)發(fā)光亮度的不同，內(nèi)部照明標(biāo)志分為高亮型、中亮型和低亮型。

根據(jù)燈具外殼防護(hù)等級(jí)的不同，內(nèi)部照明標(biāo)志分為三個(gè)等級(jí)：

一級(jí)，外殼防護(hù)等級(jí)不低于IP55；

二級(jí)，外殼防護(hù)等級(jí)不低于IP44；

三級(jí)，外殼防護(hù)等級(jí)不低于IP34。

根據(jù)照明工作時(shí)長(zhǎng)的不同，內(nèi)部照明標(biāo)志分為：

發(fā)光間斷式，實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境亮度，自動(dòng)控制標(biāo)志的開啟和關(guān)閉；

發(fā)光不間斷式，24h正常發(fā)光。

根據(jù)調(diào)光方式的不同，內(nèi)部照明標(biāo)志分為：

手動(dòng)控制式，由人工控制內(nèi)部照明標(biāo)志的照明工況；

自動(dòng)控制式，實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境亮度，自動(dòng)控制照明工況，或按預(yù)測(cè)程序控制照明工況。

控制式的內(nèi)部照明標(biāo)志應(yīng)具備手動(dòng)控制功能。

根據(jù)適用環(huán)境溫度的不同，內(nèi)部照明標(biāo)志分為：

低溫型，能在環(huán)境溫度-35℃-55℃范圍內(nèi)運(yùn)行；

常溫型，能在環(huán)境溫度-5℃-55℃范圍內(nèi)運(yùn)行。