亮度通常是評(píng)價(jià)道路與隧道照明質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，但由于亮度計(jì)算或檢測(cè)都比照度要復(fù)雜得多，在照明設(shè)計(jì)或驗(yàn)收時(shí)，亮度指標(biāo)往往容易被忽視。而國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范也傾向性地把照度與亮度的關(guān)系簡化為一種跟反射系數(shù)有關(guān)的轉(zhuǎn)換倍數(shù)關(guān)系，甚至有人對(duì)亮度概念模糊不清，認(rèn)為照度均勻性就是亮度均勻性，甚至把亮度誤認(rèn)為是照度。如“JTJ026.1-1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范”中說明瀝青路面的照度一般是亮度的15~22倍，水泥路面的照度一般是亮度的10~13倍；筆者在仔細(xì)閱讀“CJJ45-2006 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)” 并對(duì)照CIE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)在涉及亮度的章節(jié)中出現(xiàn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)或疏忽之處(如計(jì)算公式未考慮燈具安裝傾角的影響，規(guī)范中的r表中的值乘以1000，而CIE的r表卻是10000)；CJJ45-2006在涉及亮度計(jì)算和釋義的章節(jié)中基本是沿襲CJJ45-1991標(biāo)準(zhǔn)，而CIE在過去20年里不斷推出新標(biāo)準(zhǔn)或修訂以前舊標(biāo)準(zhǔn)，這使得我國道路標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)在亮度計(jì)算方面的差距增大；國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的“LB/T001-2008整體式LED路燈測(cè)試方法”于2008年9月1日起實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)的附錄B說明了采用路面照度均勻度來表征LED路燈的發(fā)光均勻度。從這些例子看出，我國照明界對(duì)道路照明亮度標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)同日新月異的國際標(biāo)準(zhǔn)相比，存在一定程度的脫節(jié)或滯后，業(yè)界對(duì)亮度標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)也不夠。
在道路照明領(lǐng)域里，亮度與照度之間的關(guān)系非常復(fù)雜，其復(fù)雜的原因是路面的材質(zhì)對(duì)光線的反射不是均勻漫反射，也不是鏡面反射，而是一種跟入射光線方向關(guān)系緊密的復(fù)合反射，其亮度取決于駕駛員的觀察方向和光線照射到路面入射角度之間的關(guān)系。本文接下來的舉例就證實(shí)了瀝青路面R3的照度與亮度之間的比率可能會(huì)小于15倍（如表2方案2中的照度是亮度的9.3倍），也可能會(huì)大于22倍（如表2方案3中的照度是亮度的26.4倍）。對(duì)于水泥路面C1，其照度與亮度之間的比率也有可能小于國標(biāo)推薦的10倍（如表3中的方案2、表4中的方案1和方案2都小于10）。
道路照明設(shè)計(jì)中亮度與照度的差異
照度是指單位面積內(nèi)受照面（如地面）所接受的光通量多少，但受照面接受光線后，由于其材質(zhì)的反射特性不同，在各個(gè)觀測(cè)方向上產(chǎn)生的亮度水平出現(xiàn)差異。在道路和隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，如不考慮地面反射特性，可能出現(xiàn)以下情況：在滿足照度標(biāo)準(zhǔn)的條件下，只有很少部分的光線反射到駕駛員的眼睛，產(chǎn)生很低的路面亮度，浪費(fèi)了大量的光通量，電能利用率低。圖1為各個(gè)方向的入射光線在觀察員方向上產(chǎn)生的亮度大小比較(亮度系數(shù))[3]。對(duì)于瀝青路面R3，當(dāng)入射光線為35度左右時(shí)，光線順著觀察員方向（β=1800）時(shí)產(chǎn)生的亮度只有光線逆著觀察員方向（β=00）時(shí)的47%左右，根據(jù)這個(gè)原理，采用逆光法進(jìn)行隧道照明則節(jié)能30%以上（如表2的方案2所示）。如根據(jù)可見度分析法，逆光照明能產(chǎn)生負(fù)對(duì)比度，其可見度比普通照明大很多，更節(jié)約電能。
圖1. 觀察員在α方向上的亮度系數(shù)q(β,γ)立體
國際上采用“亮度系數(shù)”來說明道路的反射特性，亮度系數(shù)定義為：某一點(diǎn)在某方向上的亮度與該點(diǎn)水平照度的比值。由于亮度與觀察者的位置有關(guān)，因此CIE規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)觀察者位置，如圖2所示，駕駛員一般注意的區(qū)域在前方60~160米處，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)觀察者的高度為1.5m，觀察點(diǎn)在道路上的橫向位置是在每條車道的中心線上，此時(shí)的角度范圍為0.50~1.50之間。圖3示意了觀察點(diǎn)與亮度考察點(diǎn)及入射光線之間的角度關(guān)系，根據(jù)亮度系數(shù)的定義，可按公式（1）~（4）進(jìn)行亮度計(jì)算[5~7]。
圖2. 路面亮度考察的區(qū)域示意圖
圖3. 亮度計(jì)算的各角度關(guān)系
L(β,γ) = q(β,γ)E(c,γ) (1)
E(c,γ) = (2)
L(β,γ) = r(β,γ) (3)
r(β,γ)=q(β,γ)cos3ε (4)
式中β ——光的入射平面和觀察平面之間的角度
γ —— 入射光線的垂直角
c —— 燈具配光曲線C平面內(nèi)的角度
ε—— 照射到計(jì)算點(diǎn)P的光線入射角
I（c,γ）——燈具調(diào)整傾角后指向c、γ所確定的方向上的光強(qiáng)
r(β,γ)——簡化亮度系數(shù)
忽視亮度標(biāo)準(zhǔn)給隧道照明設(shè)計(jì)帶來的問題
隧道照明設(shè)計(jì)實(shí)例之一
本節(jié)以隧道照明中間段為例，路寬11.4米單向三車道，R3瀝青路面，燈具安裝高度5.5米，采用兩側(cè)交錯(cuò)間距10米的布燈方式，其布燈平面與剖面圖見圖4所示。為了體現(xiàn)照度與亮度的差別，選擇了國產(chǎn)和進(jìn)口兩種燈具，分別計(jì)算其路面照度和亮度，以及墻面照度和亮度。方案1采用國產(chǎn)對(duì)稱型隧道燈（國內(nèi)多數(shù)為對(duì)稱型配光，且配光性能大同小異），其配光曲線如圖5所示；方案2采用進(jìn)口非對(duì)稱配光型隧道燈，其配光曲線如圖6所示。除了安裝角度不一致外，方案2布燈的幾何參數(shù)和方案1完全相同。采用DIALUX分別對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行照度與亮度計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。
說明：因CIE140-2000標(biāo)準(zhǔn)在道路計(jì)算時(shí)，不考慮周邊環(huán)境影響（如：墻面的反射光線照射到地面后形成的觀察員方向亮度），本文各列表中除了墻面照度與亮度計(jì)算了反射光線外，路面照度、亮度和眩光結(jié)果均未考慮反射。當(dāng)考慮反射時(shí)，路面照度會(huì)增加13%左右，但對(duì)駕駛員方向的亮度而言，目前尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算反射光線的影響。
隧道照明設(shè)計(jì)實(shí)例之二
本節(jié)以單向雙車道隧道的中間段為例，路寬7.5米，R3瀝青路面，燈具安裝高度5.5米，采用間距10米的中央布燈方式，其布燈平面與剖面圖見圖7所示。為了體現(xiàn)照度與亮度的差別，選擇了進(jìn)口對(duì)稱型燈具、逆光（順光）照明燈和具一款國產(chǎn)對(duì)稱型燈具（配光曲線同圖5），進(jìn)口對(duì)稱型配光和逆（順）光型配光曲線見圖7和圖8所示。在布燈幾何尺寸相同的情況下（其平面圖、剖面圖、側(cè)面圖如圖9所示），分別按照方案1（進(jìn)口對(duì)稱）、方案2（進(jìn)口逆光）、方案3（進(jìn)口順光）、方案4（國產(chǎn)對(duì)稱）計(jì)算其路面照度和亮度，以及墻面照度和亮度。采用DIALUX分別對(duì)四個(gè)方案進(jìn)行照度與亮度計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。
隧道照明設(shè)計(jì)實(shí)例之二計(jì)算結(jié)果
水泥路面亮度結(jié)果
由于亮度值與路面材質(zhì)有直接關(guān)系，圖8反映了在兩條不同材質(zhì)的車道，在位置靠近時(shí)，白天的照度基本一致，但其拍攝的照片顯示車道的亮度大小出現(xiàn)明顯差別，圖8也反映了兩條車道對(duì)光線的鏡面反射系數(shù)的差別[4]，右邊的車道跟光線的入射方向關(guān)系較大。本節(jié)把4.1與4.2節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)例中的瀝青路面R3換成水泥路面C1，其他所有設(shè)計(jì)參數(shù)完全不變，并將其計(jì)算結(jié)果如表3表4所示。
比較表1結(jié)果，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)的隧道燈只能提供足夠高的照度，卻無法提供足夠的亮度，而進(jìn)口隧道燈不僅照度不錯(cuò)，而且亮度比國產(chǎn)隧道燈高80%之多。比較表2中的方案1和4，發(fā)現(xiàn)在相同的照明條件下，燈具均為對(duì)稱型配光，進(jìn)口隧道燈比國產(chǎn)隧道燈的亮度高90%之多。如果拿國產(chǎn)隧道燈具和歐美國家的逆光照明相比，國產(chǎn)燈具提供的亮度只有逆光照明燈具的40%。同一款逆光照明燈具，如按照順光照明方式安裝，則其亮度只有逆光照明的35%。從這些數(shù)據(jù)可知，忽視亮度標(biāo)準(zhǔn)的道路和隧道照明系統(tǒng)不僅難以達(dá)到應(yīng)有的照明效果，而且可能會(huì)浪費(fèi)一半以上的電能。比較表3和表4發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口隧道燈在水泥路面上產(chǎn)生的亮度比國產(chǎn)燈具的亮度高20%~32%（注：如針對(duì)水泥路面C1反射特性和本文案例布燈場景專門設(shè)計(jì)燈具配光，會(huì)得到更高路面亮度），這也證實(shí)了水泥路面產(chǎn)生的鏡面反射不如瀝青路面強(qiáng)，對(duì)入射光線的方向沒有瀝青路面敏感。比較各方案亮度結(jié)果發(fā)現(xiàn)的問題
從比較結(jié)果也可看出國產(chǎn)隧道燈與進(jìn)口燈具的差距，國產(chǎn)燈具的配光較窄，布燈間距較小，很多隧道的布燈間距甚至小于6米。這種過密的布燈方式會(huì)在車速增加的情況下，頻閃嚴(yán)重超標(biāo)，有造成交通事故的潛在可能性。盡管我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隧道燈的配光有要求，如“JTJ026.1-1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范”和“JT/T609-2004公路隧道照明燈具”中提到應(yīng)采用“寬光帶”隧道燈具，但沒有說明配光角度的具體數(shù)值，這給企業(yè)生產(chǎn)、工程設(shè)計(jì)和招投標(biāo)都帶來迷惑，造成行業(yè)內(nèi)無法正確實(shí)施“寬光帶”規(guī)定的局面。我國在道路和隧道照明標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，多以參照國際上流行的標(biāo)準(zhǔn)為主，借鑒國外的亮度標(biāo)準(zhǔn)制定我國道路和隧道照明標(biāo)準(zhǔn)，但在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候卻回到了照度標(biāo)準(zhǔn)，這就是造成本文列舉的進(jìn)口隧道燈具提供的路面亮度比國產(chǎn)燈具高近1倍的原因。
我國需要研究路面亮度系數(shù)嗎？
初一看4.3節(jié)的比較結(jié)果，讀者也許會(huì)很驚詫，同樣功率的隧道燈，在布燈方式、光通量和燈具效率都基本一致的情況下，路面的亮度卻有天壤之別。其實(shí)不然，從圖1所示的觀察員在α方向上的亮度系數(shù)q(β,γ)立體中可以看出，光線的入射角和觀察員的視線方向角之間的關(guān)系對(duì)路面的亮度大小影響很大，這就要求燈具制造廠家在做光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)路面的反射特性進(jìn)行專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)。筆者在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，本文使用的進(jìn)口燈具配光并不是最好的配光，如在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在同樣的設(shè)計(jì)案例中還能提高R3瀝青路面亮度的10%以上（對(duì)表2的方案1而言，亮度能達(dá)到6.6cd/m2，這比國產(chǎn)燈具在瀝青路面上產(chǎn)生的亮度高一倍以上）。國內(nèi)照明業(yè)界對(duì)路面的亮度特性關(guān)注不夠，造成了我國在道路與隧道照明燈具光學(xué)設(shè)計(jì)人員非常缺乏。
歐美國家早在上世紀(jì)60年代就開始路面亮度系數(shù)的研究，CIE第30號(hào)文件規(guī)定r是由β和tanγ決定，并制成表格，這樣r表就完整地反映了路面的反射特性。同時(shí)CIE使用平均亮度系數(shù)Q0、鏡面系數(shù)S1、S2三個(gè)參數(shù)來概括路面的反射特性，把干燥路面分成R、N和C三大類。其中，R系列主要是根據(jù)歐洲一些國家如荷蘭、比利時(shí)、德國等國家的路面樣品進(jìn)行測(cè)試得出的，N系列是根據(jù)丹麥、瑞典等國家的路面樣品進(jìn)行測(cè)試后得出；C系列是CIE和國際道路代表大會(huì)常設(shè)委員會(huì)（PIARC）在1984年的聯(lián)合技術(shù)報(bào)告《道路表面和照明》中共同推出[4]。
目前，我國沒有做過相關(guān)路面亮度系數(shù)測(cè)試，通常采用C1和R3來分別計(jì)算水泥路面和瀝青路面的亮度值，這顯然是不夠的。對(duì)路面亮度系數(shù)研究的缺乏使得業(yè)界對(duì)路面亮度的重視度不夠，從國家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制定到道路照明設(shè)計(jì)與施工，從照明設(shè)備制造與檢測(cè)到工程竣工與驗(yàn)收，基本上都是采用照度乘以一個(gè)系數(shù)轉(zhuǎn)換成亮度的方式。筆者曾多次在做隧道照明設(shè)計(jì)和投標(biāo)的過程中提交給業(yè)主和設(shè)計(jì)院亮度計(jì)算報(bào)表，但遺憾的是，評(píng)標(biāo)小組里面的“專家們”卻要求投標(biāo)方提供照度計(jì)算，并按照照度值來評(píng)標(biāo)，采用沿道路中心線增加一個(gè)極窄的計(jì)算面來計(jì)算縱向照度均勻度來替代亮度縱向均勻度。如按照照度標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)道路和隧道燈具的配光性能，由于進(jìn)口燈具（或按照亮度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與制造的燈具）在路面上產(chǎn)生的平均照度略低于國產(chǎn)燈具，很可能導(dǎo)致出局的厄運(yùn)。
我國道路照明產(chǎn)業(yè)巨大，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2005年，大陸地區(qū)具有路燈1500萬套，北京、上海、廣州的現(xiàn)有路燈都超過10萬套，道路照明年耗電量占整個(gè)照明耗電比重較大。研究路面亮度系數(shù)是關(guān)系到我國節(jié)能減排與綠色照明的基礎(chǔ)性研究工作之一，同時(shí)也是關(guān)系到我國道路照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一件大事。筆者迫切地希望引起我國照明界同仁們的重視，認(rèn)真考慮與探討我國是否需要著手研究各種路面亮度系數(shù)的課題。
