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光源对道路照明的影响

日期:2013-1-23 17:24:55   点击:


     近年来,随着道路照明光源品种的增多特别是LED路灯的快速发展,不同光源用于道路照明所引起的视觉差异引起了人们广泛的关注,现行道路照明标准中主要针对传统高压钠灯而制定的标准值是否适用于具有不同光谱能量分布的LED、金卤灯和无极荧光灯等路灯引起了极大的争议。解决这一问题的关键应深入剖析道路照明的主要目的,以及光源光谱能量分布是否影响了道路使用者达到这些目的。
2 道路照明的目的
《机动车与人行道路照明指南》CIE115-2010(CIE,2010)对道路照明三个主要的目的进行了总结。
(1)保障道路使用者安全通行,包括机动车、行人、自行车、畜力拉动的交通工具等;
(2)允许行人看清危险障碍,认清路的导向,辨别其它行人,及感觉安全、安心;
(3)创造良好的愉悦的日间和夜间的环境外貌

对于第3条CIE文件指出,为无论是司机还是行人及周围居民提供一个舒适的环境都是十分必要的。而前2条根据不同的道路使用者(如机动车司机和行人)特点不同,具体指标要求可能有所不同。但从根本功能来说,发现路面障碍、认清路的导向对于司机和行人同样重要。此外,对于行人来说,辨别其他行人和感觉安心这是非常重要的两个功能要求。下文将就道路照明光谱如何影响路面障碍的识别、认清路的导向、辨别行人、感觉安心和舒适的环境外貌等方面进行分析。
3 光源光谱对视觉功能的影响
光源光谱的改变,在照明参数上改变了光源的S/P值(相关联的还有中间视觉亮度值和相关色温值)和显色指数,从而影响了人眼实际感受的视亮度、对障碍物的辨别、对路上行人的辨别及安全和舒适的感觉等关键的功能。
(1)光源光谱影响了视亮度及安全的感受
Steve Fotios在总结了Loewen(1993)和Boyce(2000)等人的大量研究的基础上,证实视亮度的感受能大大提升人们对于安全的感受(Fotios,2011)。

而越来越多的研究表明,在中间视觉状态下,光源的光谱能影响人们对于视亮度的感受。表1为Fotios等人在2007~2011年间的大量实验,结果表明,在典型的中间视觉的照明水平下,金卤灯平均只需70%的高压钠灯的照度,便能达到和高压钠灯相同的视亮度感受。视亮度的感受与S/P值具有较强的负相关度,即S/P值越大,则所需要的实际的照度值越小便能达到相同的视亮度感受。光源的显色指数与色温也具有相同的效应。CIE2010年发布的中间视觉光度学系统很好地描述了光谱对于等效视亮度的影响,通过达到相同视亮度时的照度比可以预测两种光源的视亮度比值,通过对实际的一些应用场所中的研究表明,光源光谱的改变使一些行人区域的照度即使降低了,也能带来高的视亮度及安全感受(Fotios,2011)。
(2)障碍物探测受光谱和照度的影响
在过去几十年间的一些研究表明,对于道路障碍物的检测是安全行走的重要保障。人眼对于障碍物的探测能力很大程度上取决于当时条件下的人眼的对比敏感度。由于大部分的探测目标是位于视网膜中央凹2以外的周边范围内,照明光源的光谱对此时的对比敏感度具有重要的影响。研究表明,随着S/P值的增加,人眼对视网膜周边区域的目标探测能力大大加强(Bullough&Rea,20000;Lingard&Rea,2002).
为了验证光谱和照度是否影响障碍物的探测能力,Steve Fotios进一步作了深入的研究,结果发现光谱和照度确实对于人眼探测障碍物能力影响巨大,且在较小照度时,光谱的影响更为显著,S/P值越大的光源越有利于人眼探测障碍物(Fotios&Cheal,2011)。图3为对障碍物的探测能力受光源光谱的影响,其中SDO和CPO为金卤灯,S/P值分别为1.8和1.2, HPS为高压钠灯,S/P值为0.6;yng是年轻的观测者,old是老年人观测者。
(3)光源光谱对人脸识别能力的影响
对于行人区域的照明来说,识别人脸是人们对街道照明功能的一个重要要求。Steve认为,在街道照明中,人们对于脸部识别分为两个层次,一是辨别来人的意图(不一定需要看清所有的五官细节);二是能辨别来人的五官信息。关于人眼识别会否受光谱的影响,目前的研究结果表明未能达成一致的结果。需要研究机构进行进一步的深入研究,统一和验证方法论,获得科学有效的结论,以指导道路照明的设置。但据Knight,van Kemenade(2006),Raynham,Saksvikroenning(2003)及Yao,Sun&Lin(2009)的研究均证实,S/P较大的光源延长了人脸辨别所需的观测距离和提高了辨别的正确率。
(4)照明的愉悦性受光谱的影响
在需要考虑视亮度、探测障碍物及面部识别等功能性要求之外,照明环境的愉悦程度也非常重要。例如,人在照明环境下的皮肤显示和颜色还原程度能否满足人的最需心理需求。研究结果表明,较高的显色指数的光源环境下,人们对皮肤的显色和颜色还原的满意度较高,但光源的S/P值对结果没有明显的影响。Fotios和Cheal的研究进一步表明,人们对小于显示指数为30的光源的愉悦性表示出不可接受。对大于71的显示指数表示接受。但没有数据验证,31-71之间的那个数据时从不可接受到可以接受的临界点(Fotios&Cheal,2011)。图4为人们对照明的照明愉悦程度岁显色指数比值的不同变化。
(5)光源光谱影响老年人对视觉目标的探测
随着年纪的增加,人的视觉能力不断下降,这导致了老年人对视觉目标的探测能力和视锐度将大大下降(Le Grand,1957),或达到相同的视觉判别结果时老年人要求具有更高的目标对比度(CIE,2010)。随着老年人比例的增加,老年驾驶员的人数也越来越多。复旦大学于2011年的研究成果也表明,较高的色温有利于提高老年人对具有颜色的目标进行辨别的能力(Cheng,Lin,et al,2011)。CIE115明确提出,对于老年人密集的区域,应该提高照明的水平,或提供更好的显色指数的光源,以提高其视见能力,保障交通的行驶。</p>
4 国际道路照明标准中对光源光谱的考虑现状
(1)CIE115文件多处提及对光源光谱的考虑
文件CIE115-1995中对光源光色的要求仅在环境愉悦性部分提到在环境敏感区域使用有利于颜色辨别的光源为佳。2010年,CIE对该文件进行升级为CIE115-2010,将上述表述更改为&ldquo;在环境敏感的区域,应该使用有利于颜色辨别的光源。除此之外,在机动车照明的要求一节中,规定了对于老年人密集的区域,应该提高照明的水平,或提供更好的显色指数的光源,以提高其视见能力,保障交通的行驶。在行人道路照明一节中指出选择显色指数较高的光源有利于提高颜色对比度和人脸识别率,对该文规定的量表的Table 7也做出了相应的注解(CIE,2010)。但是CIE115文件并没有指出考虑光源光谱后规定的照度值等指标应如何相应调整。
(2)基于显色性考虑对于照明标准的调整
英国道路照明标准(BS5489-1:2003)规定使用高显色光源,在同等级道路照明设计时,照度要求可以降低一个等级。意大利道路照明标准[UNI 11248:2007]规定,使用高显色光源,在同等级道路照明设计时,照度要求可以降低一个等级。或使用低显色性光源时,照度要求应增加一个等级。这些标准在考虑光源光谱的基础上所进行的调整总体上是积极的,在标准的制定上迈出了重要的一步。然而,由于仅考虑显色性而未考虑S/P值,从而未考虑该调整对于视亮度及障碍物探测等能力的影响,英国已经开始了新一轮的标准制定工作,由Steve Fotios和Teresa Goodman等国家照明专家负责开展有关的研究和标准的提议工作,并取得了卓越的成效。
(3)基于光源光谱的道路照明标准的研究
表2显色指数大于60的光源根据其不同的S/P值可对道路照明指标做相应调整(表中亮度为明视觉亮度值,在不同光谱条件下这些取值提供了相同的中间视觉亮度(假设道路表面反射率为0.07),【Fotios,Goodman,2011】。
Steve Fotios和Teresa Goodman通过长达四年的研究,认真分析了道路照明的目的,开展了大量的文献总结和实验研究工作,率先提出道路照明的关键指标应根据不同的光源光谱而进行调整,并同时考虑由光源光谱调整引起的S/P值和Ra值的改变的效应而做相应调整,具体调整值如表2所示。
<p>该研究成果的主要内容已被CIE TC4-48采纳,将作为CIE技术文件于近期发表。国际照明委员会对此也十分重视,在即将召开的照明质量与能效大会上专门开展专题研讨会讨论关于道路照明标准制定的新指标

 

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