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光源對(duì)道路照明的影響

發(fā)布日期:2013-01-23

     近年來(lái),隨著道路照明光源品種的增多特別是LED路燈的快速發(fā)展,不同光源用于道路照明所引起的視覺(jué)差異引起了人們廣泛的關(guān)注,現(xiàn)行道路照明標(biāo)準(zhǔn)中主要針對(duì)傳統(tǒng)高壓鈉燈而制定的標(biāo)準(zhǔn)值是否適用于具有不同光譜能量分布的LED、金鹵燈和無(wú)極熒光燈等路燈引起了極大的爭(zhēng)議。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵應(yīng)深入剖析道路照明的主要目的,以及光源光譜能量分布是否影響了道路使用者達(dá)到這些目的。
2 道路照明的目的
《機(jī)動(dòng)車與人行道路照明指南》CIE115-2010(CIE,2010)對(duì)道路照明三個(gè)主要的目的進(jìn)行了總結(jié)。
(1)保障道路使用者安全通行,包括機(jī)動(dòng)車、行人、自行車、畜力拉動(dòng)的交通工具等;
(2)允許行人看清危險(xiǎn)障礙,認(rèn)清路的導(dǎo)向,辨別其它行人,及感覺(jué)安全、安心;
(3)創(chuàng)造良好的愉悅的日間和夜間的環(huán)境外貌

對(duì)于第3條CIE文件指出,為無(wú)論是司機(jī)還是行人及周圍居民提供一個(gè)舒適的環(huán)境都是十分必要的。而前2條根據(jù)不同的道路使用者(如機(jī)動(dòng)車司機(jī)和行人)特點(diǎn)不同,具體指標(biāo)要求可能有所不同。但從根本功能來(lái)說(shuō),發(fā)現(xiàn)路面障礙、認(rèn)清路的導(dǎo)向?qū)τ谒緳C(jī)和行人同樣重要。此外,對(duì)于行人來(lái)說(shuō),辨別其他行人和感覺(jué)安心這是非常重要的兩個(gè)功能要求。下文將就道路照明光譜如何影響路面障礙的識(shí)別、認(rèn)清路的導(dǎo)向、辨別行人、感覺(jué)安心和舒適的環(huán)境外貌等方面進(jìn)行分析。
3 光源光譜對(duì)視覺(jué)功能的影響
光源光譜的改變,在照明參數(shù)上改變了光源的S/P值(相關(guān)聯(lián)的還有中間視覺(jué)亮度值和相關(guān)色溫值)和顯色指數(shù),從而影響了人眼實(shí)際感受的視亮度、對(duì)障礙物的辨別、對(duì)路上行人的辨別及安全和舒適的感覺(jué)等關(guān)鍵的功能。
(1)光源光譜影響了視亮度及安全的感受
Steve?。疲铮簦椋铮笤诳偨Y(jié)了Loewen(1993)和Boyce(2000)等人的大量研究的基礎(chǔ)上,證實(shí)視亮度的感受能大大提升人們對(duì)于安全的感受(Fotios,2011)。

而越來(lái)越多的研究表明,在中間視覺(jué)狀態(tài)下,光源的光譜能影響人們對(duì)于視亮度的感受。表1為Fotios等人在2007~2011年間的大量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,在典型的中間視覺(jué)的照明水平下,金鹵燈平均只需70%的高壓鈉燈的照度,便能達(dá)到和高壓鈉燈相同的視亮度感受。視亮度的感受與S/P值具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)度,即S/P值越大,則所需要的實(shí)際的照度值越小便能達(dá)到相同的視亮度感受。光源的顯色指數(shù)與色溫也具有相同的效應(yīng)。CIE2010年發(fā)布的中間視覺(jué)光度學(xué)系統(tǒng)很好地描述了光譜對(duì)于等效視亮度的影響,通過(guò)達(dá)到相同視亮度時(shí)的照度比可以預(yù)測(cè)兩種光源的視亮度比值,通過(guò)對(duì)實(shí)際的一些應(yīng)用場(chǎng)所中的研究表明,光源光譜的改變使一些行人區(qū)域的照度即使降低了,也能帶來(lái)高的視亮度及安全感受(Fotios,2011)。
(2)障礙物探測(cè)受光譜和照度的影響
在過(guò)去幾十年間的一些研究表明,對(duì)于道路障礙物的檢測(cè)是安全行走的重要保障。人眼對(duì)于障礙物的探測(cè)能力很大程度上取決于當(dāng)時(shí)條件下的人眼的對(duì)比敏感度。由于大部分的探測(cè)目標(biāo)是位于視網(wǎng)膜中央凹2以外的周邊范圍內(nèi),照明光源的光譜對(duì)此時(shí)的對(duì)比敏感度具有重要的影響。研究表明,隨著S/P值的增加,人眼對(duì)視網(wǎng)膜周邊區(qū)域的目標(biāo)探測(cè)能力大大加強(qiáng)(Bullough&Rea,20000;Lingard&Rea,2002).
為了驗(yàn)證光譜和照度是否影響障礙物的探測(cè)能力,Steve Fotios進(jìn)一步作了深入的研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)光譜和照度確實(shí)對(duì)于人眼探測(cè)障礙物能力影響巨大,且在較小照度時(shí),光譜的影響更為顯著,S/P值越大的光源越有利于人眼探測(cè)障礙物(Fotios&Cheal,2011)。圖3為對(duì)障礙物的探測(cè)能力受光源光譜的影響,其中SDO和CPO為金鹵燈,S/P值分別為1.8和1.2,?。龋校訛楦邏衡c燈,S/P值為0.6;yng是年輕的觀測(cè)者,old是老年人觀測(cè)者。
(3)光源光譜對(duì)人臉識(shí)別能力的影響
對(duì)于行人區(qū)域的照明來(lái)說(shuō),識(shí)別人臉是人們對(duì)街道照明功能的一個(gè)重要要求。Steve認(rèn)為,在街道照明中,人們對(duì)于臉部識(shí)別分為兩個(gè)層次,一是辨別來(lái)人的意圖(不一定需要看清所有的五官細(xì)節(jié));二是能辨別來(lái)人的五官信息。關(guān)于人眼識(shí)別會(huì)否受光譜的影響,目前的研究結(jié)果表明未能達(dá)成一致的結(jié)果。需要研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究,統(tǒng)一和驗(yàn)證方法論,獲得科學(xué)有效的結(jié)論,以指導(dǎo)道路照明的設(shè)置。但據(jù)Knight,van?。耍澹恚澹睿幔洌澹ǎ玻埃埃叮?,Raynham,Saksvikroenning(2003)及Yao,Sun&Lin(2009)的研究均證實(shí),S/P較大的光源延長(zhǎng)了人臉辨別所需的觀測(cè)距離和提高了辨別的正確率。
(4)照明的愉悅性受光譜的影響
在需要考慮視亮度、探測(cè)障礙物及面部識(shí)別等功能性要求之外,照明環(huán)境的愉悅程度也非常重要。例如,人在照明環(huán)境下的皮膚顯示和顏色還原程度能否滿足人的最需心理需求。研究結(jié)果表明,較高的顯色指數(shù)的光源環(huán)境下,人們對(duì)皮膚的顯色和顏色還原的滿意度較高,但光源的S/P值對(duì)結(jié)果沒(méi)有明顯的影響。Fotios和Cheal的研究進(jìn)一步表明,人們對(duì)小于顯示指數(shù)為30的光源的愉悅性表示出不可接受。對(duì)大于71的顯示指數(shù)表示接受。但沒(méi)有數(shù)據(jù)驗(yàn)證,31-71之間的那個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)從不可接受到可以接受的臨界點(diǎn)(Fotios&Cheal,2011)。圖4為人們對(duì)照明的照明愉悅程度歲顯色指數(shù)比值的不同變化。
(5)光源光譜影響老年人對(duì)視覺(jué)目標(biāo)的探測(cè)
隨著年紀(jì)的增加,人的視覺(jué)能力不斷下降,這導(dǎo)致了老年人對(duì)視覺(jué)目標(biāo)的探測(cè)能力和視銳度將大大下降(Le?。牵颍幔睿洌保梗担罚?,或達(dá)到相同的視覺(jué)判別結(jié)果時(shí)老年人要求具有更高的目標(biāo)對(duì)比度(CIE,2010)。隨著老年人比例的增加,老年駕駛員的人數(shù)也越來(lái)越多。復(fù)旦大學(xué)于2011年的研究成果也表明,較高的色溫有利于提高老年人對(duì)具有顏色的目標(biāo)進(jìn)行辨別的能力(Cheng,Lin,et?。幔?,2011)。CIE115明確提出,對(duì)于老年人密集的區(qū)域,應(yīng)該提高照明的水平,或提供更好的顯色指數(shù)的光源,以提高其視見(jiàn)能力,保障交通的行駛。</p>
4 國(guó)際道路照明標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)光源光譜的考慮現(xiàn)狀
(1)CIE115文件多處提及對(duì)光源光譜的考慮
文件CIE115-1995中對(duì)光源光色的要求僅在環(huán)境愉悅性部分提到在環(huán)境敏感區(qū)域使用有利于顏色辨別的光源為佳。2010年,CIE對(duì)該文件進(jìn)行升級(jí)為CIE115-2010,將上述表述更改為&ldquo;在環(huán)境敏感的區(qū)域,應(yīng)該使用有利于顏色辨別的光源。除此之外,在機(jī)動(dòng)車照明的要求一節(jié)中,規(guī)定了對(duì)于老年人密集的區(qū)域,應(yīng)該提高照明的水平,或提供更好的顯色指數(shù)的光源,以提高其視見(jiàn)能力,保障交通的行駛。在行人道路照明一節(jié)中指出選擇顯色指數(shù)較高的光源有利于提高顏色對(duì)比度和人臉識(shí)別率,對(duì)該文規(guī)定的量表的Table?。芬沧龀隽讼鄳?yīng)的注解(CIE,2010)。但是CIE115文件并沒(méi)有指出考慮光源光譜后規(guī)定的照度值等指標(biāo)應(yīng)如何相應(yīng)調(diào)整。
(2)基于顯色性考慮對(duì)于照明標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整
英國(guó)道路照明標(biāo)準(zhǔn)(BS5489-1:2003)規(guī)定使用高顯色光源,在同等級(jí)道路照明設(shè)計(jì)時(shí),照度要求可以降低一個(gè)等級(jí)。意大利道路照明標(biāo)準(zhǔn)[UNI?。保保玻矗福海玻埃埃罚菀?guī)定,使用高顯色光源,在同等級(jí)道路照明設(shè)計(jì)時(shí),照度要求可以降低一個(gè)等級(jí)?;蚴褂玫惋@色性光源時(shí),照度要求應(yīng)增加一個(gè)等級(jí)。這些標(biāo)準(zhǔn)在考慮光源光譜的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的調(diào)整總體上是積極的,在標(biāo)準(zhǔn)的制定上邁出了重要的一步。然而,由于僅考慮顯色性而未考慮S/P值,從而未考慮該調(diào)整對(duì)于視亮度及障礙物探測(cè)等能力的影響,英國(guó)已經(jīng)開(kāi)始了新一輪的標(biāo)準(zhǔn)制定工作,由Steve?。疲铮簦椋铮蠛停裕澹颍澹螅帷。牵铮铮洌恚幔畹葒?guó)家照明專家負(fù)責(zé)開(kāi)展有關(guān)的研究和標(biāo)準(zhǔn)的提議工作,并取得了卓越的成效。
(3)基于光源光譜的道路照明標(biāo)準(zhǔn)的研究
表2顯色指數(shù)大于60的光源根據(jù)其不同的S/P值可對(duì)道路照明指標(biāo)做相應(yīng)調(diào)整(表中亮度為明視覺(jué)亮度值,在不同光譜條件下這些取值提供了相同的中間視覺(jué)亮度(假設(shè)道路表面反射率為0.07),【Fotios,Goodman,2011】。
Steve?。疲铮簦椋铮蠛停裕澹颍澹螅帷。牵铮铮洌恚幔钔ㄟ^(guò)長(zhǎng)達(dá)四年的研究,認(rèn)真分析了道路照明的目的,開(kāi)展了大量的文獻(xiàn)總結(jié)和實(shí)驗(yàn)研究工作,率先提出道路照明的關(guān)鍵指標(biāo)應(yīng)根據(jù)不同的光源光譜而進(jìn)行調(diào)整,并同時(shí)考慮由光源光譜調(diào)整引起的S/P值和Ra值的改變的效應(yīng)而做相應(yīng)調(diào)整,具體調(diào)整值如表2所示。
<p>該研究成果的主要內(nèi)容已被CIE?。裕茫矗矗覆杉{,將作為CIE技術(shù)文件于近期發(fā)表。國(guó)際照明委員會(huì)對(duì)此也十分重視,在即將召開(kāi)的照明質(zhì)量與能效大會(huì)上專門開(kāi)展專題研討會(huì)討論關(guān)于道路照明標(biāo)準(zhǔn)制定的新指標(biāo)

 

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