高速公路ETC门架拍照补光灯眩光问题分析

边艳妮，汪文妹，王雄斌

(陕西高速电子工程有限公司，陕西 西安 710054)

引言

随着2019年底全国高速公路完成撤销省界收费站，切换为电子不停车收费(ETC)，ETC门架在高速公路行业全面推广使用。ETC门架高清摄像机作为门架系统关键设备，为了确保其在光线较差及夜晚环境拍照功能的可靠性与稳定性，每一台摄像机都配备了补光灯以保证拍照的亮度要求。而补光灯在实际使用中，由于厂家生产技术，安装工艺及使用环境等因素的影响，使得补光灯对驾驶员造成一定的眩光影响，从而影响高速公路夜间行车安全。因此，在补光灯亮度满足拍照需求的同时，降低补光灯对驾驶人员的眩光影响，确保高速公路行车安全是当前亟需解决的重要安全问题。

针对补光灯造成的眩光问题，国内已有一系列相关研究[1,2]。殷晓川等[3]设计了一种用于交通领域的补光灯防眩光罩，通过该装置遮蔽补光灯正面、侧面多余的眩光，让补光灯光照区域相对集中，以此来减少对人眼造成的眩光影响。全利等[4]对城市道路监控补光灯眩光影响进行了探讨分析。针对高速公路补光灯的眩光研究国内暂无相关文献，本文将根据高速公路ETC门架拍照补光灯特定运行环境及其相关参数对其眩光问题进行建模分析，并通过实地测量分析计算，提出可减小其眩光影响的可行性措施，为高速公路安全运营提供有效参考依据。

1 ETC门架拍照补光灯眩光建模分析及理论光照区域计算

1.1 补光灯眩光建模分析

在公路照明领域主要是使用眩光阈值增量(TI)和眩光控制等级(G)作为公路照明设计指导的标准[5,6]。本文使用眩光阈值增量的概念分析补光灯对驾驶员的眩光影响，眩光阈值增量是眩光条件下刚好看见物体时需要增加的对比与有效对比的比值[7]，其计算如式(1)所示：

(1)

其中LAV为路面平均亮度(cd/m2)，1.05为其指数，LV为等效光幕亮度(cd/m2)，是由入射到人眼中的光线发生散射而形成的光幕[8]。经验计算公式如式(2)所示：

(2)

其中Eθ为垂直于人眼平面上的垂直照度，θ为视线和眩光源入射光线方向间的夹角，K、m为常数，K值取决于θ的单位，当θ用角度表示时，k=10，θ≥2°时，m=2。

欧盟标准委员会规定TI须小于15%，即TI小于15%时不会引起眩光或使人眼感到不适。

1.2 补光灯理论光照区域计算

高速公路ETC门架布设如图1所示，补光灯设计及安装要求如表1所示，其中发光角度为LED光束的中心亮度到光强降至中心最大光强50%时的夹角。

图1 高速公路ETC门架布设示意图Fig.1 Schematic diagram of ETC portal frame layout of expressway

表1 LED频闪补光灯设计及安装要求

将门架布设图用平面图表示为图2，其中H 为门架高度，δ为发光角度，A为光强最强点，即A点距门架20 m，根据LED 配光曲线计算可知，发光角度外光强较弱，不会引起眩光。根据上述参数计算可得理论光照区域为15.8～26.5 m。

图2 补光灯光照区域平面示意图Fig.2 Schematic diagram of illumination area of fill light

2 补光灯光照度实地测量及眩光分析计算

2.1 补光灯光照度实地测量

为更好的解决高速公路ETC门架补光灯眩光问题，选取陕西高速西安至略阳路段进行实际光照度测量，测量时间为2020年3月19日21：00—22：00，天气晴，空气质量指数为44，测量具体地点为西略ETC G7011 420B，补光灯占空比为5(对占空比为1、3时的光照度也分别进行了测量，其部分位置不满足拍照设计要求)，测量仪器使用TES-1339专业级照度计，测量结果数据如表2所示。

表2 补光灯光照度实际测量数据

由实地测量数据可知，ETC门架补光灯实际应用中满足拍照需求的光照区域为23～50 m，其中主要光照区域位于距离门架25～35 m处，与上述理论计算的主要光照区域位置不同。因此，本文将基于实际应用情况对ETC门架补光灯眩光影响进行分析计算。

2.2 测量结果计算分析

基于实际测量数据，选取25 m、30 m、35 m三个位置分析计算补光灯对人眼的致眩影响，同时对于不同大小的车型，人眼视线与补光灯入射光线方向之间的夹角大小不同，从而对驾驶员造成的眩光影响不同，因此本文选取小客车和大货车两种车型对补光灯造成的眩光影响进行计算分析。

高速公路夜间行车开启远光灯后，驾驶员视线与ETC门架补光灯的位置关系如图3所示，汽车远光灯照射距离一般为80～120 m，设定高速公路驾驶员夜间行车时视觉中心位于前方80 m处，小客车与大货车驾驶员视野高度分别为1.2 m、2 m，根据图3计算两种车型分别在L=25 m、30 m、35 m三个位置时，驾驶员视线与补光灯入射光线方向间的夹角θ如表3所示。

图3 补光灯与驾驶员视线位置关系示意图Fig.3 Relationship diagram between fill light and driver’s line of sight

表3 高速公路夜间行车驾驶员视线与补光灯入射光线方向之间的夹角

一般情况高速公路夜间背景亮度由补光灯和汽车车灯组成，其中车灯亮度由车辆数及车型等因素决定，因此，高速公路夜间背景亮度值难以进行明确计算，本文将通过计算不引起眩光条件下高速公路夜间行车背景亮度的需求，从而定性分析补光灯眩光影响极其解决方案。根据式(1)、式(2)可知，背景亮度LAV计算公式如式(3)所示：

(3)

其中Eθ=Ecosθ，θ取值如表3所示，K=10，m=2，TI=15%，分别计算小客车与大货车在三个测试距离不同位置不引起眩光所需要的背景亮度如表4所示。

表4 不引起眩光条件下不同位置所需的背景亮度值

根据上述计算结果分析，高速公路夜间行车过程中，当上述不同距离不同位置的背景亮度大于该计算值时，补光灯亮度才不会对驾驶员造成眩光影响。《汽车用LED前照灯》国家标准规定，汽车远光灯照度值为70～180 lx[9]，高速公路沥青路面的反射系数取0.14[10]，粗略估计一辆车的车灯照射到人眼的亮度小于25.2 lx，而补光灯设计要求中规定，补光区域内平均光照度应小于50 lx，则高速公路行车数量为一辆的情况下，背景亮度应小于75.2 lx，远小于上述计算中不引起眩光条件下所需的背景亮度值。因此，在上述测量路段，当补光灯占空比为5时，其亮度会引起眩光，影响驾驶员的行车安全。

3 结论

综合上述理论分析及实地测量计算分析，减小补光灯眩光影响的解决方案从两个方向考虑，一是增大路面背景亮度；二是降低补光灯亮度。考虑到增加背景亮度成本较高，实际可行性较低，因此从降低眩光源亮度考虑，按照工程量及实施难度由易到难，建议措施如下：

1)增大补光灯照射角度(即增加补光灯与水平线的夹角)。保持拍照区域不变，增大驾驶员视线与补光灯入射光线方向之间的夹角。由实际测量结果可知，测量路段实际应用中满足拍照需求的光照范围为23～50 m，而设计要求为16～25 m。因此增大补光灯照射角度，使其光照范围缩短至设计要求的拍照范围内，可以进一步降低补光灯的亮度需求，减小补光灯对驾驶员的眩光影响。

2)拍照区域向门架靠近。假如相机在更大俯仰角(相机光轴与水平方向夹角)也可以满足拍照要求，则拍照区域可由当前设计要求的16～25 m移动至更靠近门架的位置，可以进一步增大驾驶员视线与补光灯入射光线方向之间的夹角θ，从而减少补光灯对驾驶员的眩光影响。

3)设计聚光灯罩，缩短光照区域。补光灯光照区域设计要求为9 m，实际测试现场的补光区域为27 m，远远超出了设计要求，致使补光灯亮度过高的同时造成光能量浪费。因此，通过加设聚光灯罩，将光照范围约束在拍照所需范围内，一方面减小了对驾驶员可能的致眩区域，另一方面提高了光能量的利用率，减小了补光灯功率，达到节能减排效果。