深圳市典型路面材料亮度系数的初步测量*

吴春海 吴贵才 陈 新 郑晓东

(1.深圳市灯光环境管理中心，广东深圳 518033;2.浙江大学光电信息工程学系，浙江杭州 310027)

1 前言

发光二极管 (LED)的迅速普及，使道路照明设计增加了新的自由度和优化参数。由于LED本身的发光体面较小，通常只有1mm2，与二次透镜结合可以实现灵活的配光设计，使光斑形状完美地匹配道路形状，并实现路面照度的均匀分布。如何最大限度地利用好LED器件本身的特点是照明行业所普遍关心的问题。

道路照明的目的是增加道路交通的安全性、流量和舒适性。通过照亮路面及其周围环境使路面上的目标为司机所见。司机所感受的路面亮度取决于两个因素，照射道路的路灯和路面材料对光的反射特性。我们观察到路面有一定亮度是因为路灯所发出的光经过路面材料反射后进入了人眼。由于路面的干、湿会在很大程度上改变路面的光反射特性，所以在同样的路灯照明下，雨天开车的视觉条件远不如晴天。目前，国内多数研究工作均集中在路灯的配光分布等对道路照明质量的影响［1，2］。而对路面本身反射特性的影响研究很少。

目前，国际通用的道路照明主要评价指标是:路面平均亮度、路面亮度均匀度和纵向均匀度。照度仅用于评价环境比。我国的情况有所不同，现在仍有不少部门将照度作为照明质量的评价方法，照度评价也仍旧包含在新近制定的多个标准中。

既然亮度才是道路照明设计的正确评价指标，在道路照明设计过程中需要将路灯配光与路面材料的反射系数相结合才能实现准确的道路照明设计［3］。如果，设计中使用的亮度系数比实际低，将增加道路照明的能耗和建设成本，反之则所设计的路灯配置将达不到标准要求的亮度，增加交通事故发生的概率。只有了解路面反射特性才能够优化路灯的配光设计和灯杆配置，提供安全、舒适、节能的照明环境。

各国都非常重视本国实际路面亮度系数的测量工作。古川等调查了日本常用的小粒沥青混凝土和新开发的排水性铺装两种路面材料在铺设后1～9年中反射率的变化情况［4］。尽管澳大利亚和新西兰在1982年已经对本国的路面亮度系数进行过测量［5］，但随着各种新型路面铺装材料的广泛应用，2009年又重新对亮度系数进行了更加广泛的测量工作［6］。重新测量的结果表明，实际路面亮度系数远低于原有测量值，也就是说按照原有数据设计的路面照明无法达到合理的亮度要求。美国、英国、挪威、芬兰等国家也都在近年开展了相应的测试工作。细化评测不同地域、不同气候下不同路面材料的亮度系数对于各区域的节能优化设计具有重要意义。

2 亮度系数的定义

亮度系数 (q)为路面上某微小面元的亮度L和路灯在该面元处所产生的水平照度E之比。即:

式中，q，L，E 的单位分别为:Sr－1，cd/m2和lx［7］。q除了与路面材料的反射特性有关外，还取决于观察者和路灯相对于路面所考查点的位置，或者说观察者眼睛与考查点的连线与路面法线的夹角有关。即:

式中的β角为光的入射平面和观察者平面之间的角度，γ为入射光线与路面法线方向的夹角，如图1所示。

图1 α，β，γ角定义示意图

在假设照射路面的光源为点光源，也就是说照度与发光强度之间平方反比定律成立的条件下，路面亮度和光线在考察面上的入射角度余弦的三次方成正比。在计算机编程普及之前，为了手工计算照度分布的方便，一般将光源与考察点连线与路面法线的夹角，即光线入射角余弦三次方与亮度系数的乘积定义为简化亮度系数:

不同角度简化亮度系数构成的表格俗称为r表［8］。

图2 α角的选择

司机所关注的主要是其前方60～100m的路面，综合各种不同车辆高度，选择司机的典型视点高度为离路面1.5m，如图2所示，这时观察角仅在0.5°～1.5°之间变化。路面亮度系数定义中将图1中观察角α的数值选定为1°。道路上的不同点对应不同β、γ角，所以β，γ角的变化范围分别为0°～180°和0°～90°。

路面反射特性取决于所铺设的材料，表面干、湿状况和材料磨损程度。磨损程度取决于道路使用年限和在车道中的具体位置。比如，道路中间线附近所受磨损的程度会远低于车道边缘对应车轮部分的磨损情况。

3 测量方法及结果

为了测量路面亮度系数，我们根据其定义开发了专用的分布式反射率测量装置。装置由样品台，光源扫描装置，亮度计，数据采集卡及扫描控制软件等部分组成。照明光源可以为道路照明用的高压钠灯、金属卤化物灯或LED灯。所选定的光源可以在半球空间内沿γ角0°～90°，β角0°～180°范围内任意转动并精确定位。在γ角方向的定位精度为0.01°，在β方位的定位精度为0.1度。光源最大发光强度方向指向转台的转动中心。被测样品被固定在样品台上。样品台可在上下、水平及倾角5个维度进行精确调节，使样品表面与光源转动台的转动轴心精确重合，并利用水平尺将样品面调整为水平。光源处于空间不同β、γ角度时，样品面的亮度用描点式亮度计直接测量。亮度计放置在距离被测样品约1m处，调整亮度计光轴与水平面成1°角。亮度测量所选用的是杭州远方光电公司的LM-3型多视场亮度计，测量时选用的视场角为0.1°。照度测量选用了北师大生产的ST-80C数字式照度计。为了减少照度计的余弦响应误差，在每次测量前只测量γ=0，即光源从上方垂直向下照射被测样品时的照度值Eγ=0。光源转动到其它γ角时样品面的水平照度由Eγ=0cos(γ)获得。在光源转动臂上安装有光源发光强度监测探头，用于监测测量过程中光源发光强度随时间的变化。完成一个样品的测试时间约为1小时20分钟。

被测样品取自深圳滨海休闲带道路，采样地点约位于东经113°57'，北纬22°31'。样品材质为沥青混凝土 (开级配沥青磨耗层OGFC-13)，道路建成到取样时的使用时间约为6个月。样品直径150mm，厚度约50mm，由路面取芯机钻取而得。其表面反射率情况与路面自然状态完全相同。如图3所示。测试所用的光源为白光LED。

图3 被测样品照片

上述样品的简化亮度系数测量结果如表1所示。

表1 深圳市典型沥青路面的简化亮度系数测量结果

根据表1的测量数据可以计算出道路分级用平均亮度系数Q0=0.064，镜面系数S1=0.90。β=0°，90°，180°时，简化亮度系数测量值与 CIE推荐值的比较如图4所示。

图4 测量值与CIE推荐值的比较

4 结论

本文介绍了对深圳滨海地带路面材料亮度系数的初步测量结果。结果表明该地区沥青路面的实际亮度系数比国际照明委员会的推荐亮度系数稍低。在γ=0的正入射条件下，被测样品的亮度系数为CIE推荐值的0.9倍［8］。也就是说为达到同样亮度所需要的照度值要提高10%。测量值与CIE推荐值相差较大的点发生在β=0°，γ=26.6°处。所测路面样品的简化亮度系数仅为CIE推荐值的70%。

在对测量装置进行进一步完善后，将对更多样品进行实际测量，获得深圳市路面亮度系数更全面的信息。一方面为我国道路照明设计标准的修订提供基础数据，同时也为国际照明委员会提供我国道路材料亮度系数的具体调查结果。

致谢:本项目获得国家科技支撑计划“LED灯具在线检测、光谱分布与现场测试方法及设备研究”项目的资助，谨在此表示衷心感谢。

［1］崔泽英.LED平面光源路灯的配光及道路照度计算［J］.照明工程学报，2011，22(6):100～104.

［2］J.B.de Boer.Developments in illuminating engineering in the 20th century ［J］.Lighting Res.Technol，1982，14(4):207～217.

［3］I.M.Bonomo.DESIGN METHODS FOR LIGHTING OF ROADS，CIE 132—1999.

［4］古川一茂，岡邦彦，池原圭一.铺装路面光反射特性的调查结果 ［J］.第27届日本道路会议论文集，2007，30037:1～2.

［5］Nicholas，J V，Stevens，R J.1982-1，Survey of the Reflection Properties of New Zealand Road Surfaces，Physics and Engineering Laboratory Report 791，August 1982.

［6］W.J.Frith，M.J.Jackett.Road lighting for safety-a forward-looking， safe system-based review ［C］.Australasian Road Safety Research，Policing and Education Conference，2009:408～418.

［7］W.Adrian et al.Road Lighting Calculations.CIE 140—2000:1.

［8］李铁楠等.城市道路照明设计标准，CJJ 45—2006.中国建筑工业出版社，2007:28.