按照“照度標(biāo)準(zhǔn)”設(shè)計(jì)的道路照明在美國被稱為“刷地照明”，這類似我國稱呼的洗墻燈照明，因?yàn)檫@種照明方式不考慮照射到地面上的光線是否為可用之光，是否為有意義的光或是否有必要照射的光。在駕駛員看來，按照“亮度標(biāo)準(zhǔn)”設(shè)計(jì)的道路照明系統(tǒng)能使得路面均勻可見，能給駕駛員增添信心，但均勻的路面亮度并非意味著路面的障礙物可見度高，所以它并不是一種最利于減少夜間交通事故的有效照明方式。可見度標(biāo)準(zhǔn)在美國及日本已有深入的研究，我國在最近幾年里也有人做過相關(guān)研究，但對可見度標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際可行性，目前在業(yè)內(nèi)尚有爭議。
我國照明界對亮度標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識現(xiàn)狀
亮度通常是評價道路與隧道照明質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，但由于亮度計(jì)算或檢測都比照度要復(fù)雜很多，在照明設(shè)計(jì)或驗(yàn)收時，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)范也傾向把照度與亮度的關(guān)系簡化為一種與反射系數(shù)有關(guān)的轉(zhuǎn)換倍數(shù)關(guān)系，甚至有人對亮度概念模糊不清，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《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》ＪＴＪ０２６．１－１９９９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《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》ＣＪＪ４５－２００６并對照ＣＩＥ相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，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)或疏忽的地方（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表卻是乘以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)或修訂以前的舊標(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。從以上例子可以看出，我國照明界對道路照明亮度標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識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)界對亮度標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識也不夠。
在道路照明領(lǐng)域，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。下文的舉例證實(shí)了瀝青路面Ｒ３的照度與亮度之間的比率可能會小于１５倍（如表２方案２中的照度是亮度的９．３倍），也可能會大于２２倍（如表２方案３中的照度是亮度的２６．４倍）。對于水泥路面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）。
３ 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）所接受的光通量的多少，但受照面接受光線后，由于其材質(zhì)的反射特性不同，在各個觀測方向上產(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，如不考慮地面反射特性，可能會出現(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]。對于瀝青路面Ｒ３，當(dāng)入射光線約為３５°時，光線順著觀察員方向（β＝１８００）時產(chǎn)生的亮度只有光線逆著觀察員方向（β＝００）時的４７％，根據(jù)這個原理，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)對比度，其可見度比普通照明大很多，更節(jié)約電能。
４ 忽視亮度標(biāo)準(zhǔn)給隧道照明設(shè)計(jì)帶來的問題
本節(jié)以隧道照明中間段為例，路寬１１．４m單向三車道，Ｒ３瀝青路面，燈具安裝高度５．５m，采用兩側(cè)交錯間距１０m的布燈方式，其布燈平面與剖面圖如圖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。表1中方案１采用國產(chǎn)對稱型隧道燈（國內(nèi)多數(shù)為對稱型配光，且配光性能大同小異），其配光曲線如圖５所示；表1中方案２采用進(jìn)口非對稱配光型隧道燈，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分別對兩個方案進(jìn)行照度與亮度計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表１所示。
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７．５m，Ｒ３瀝青路面，燈具安裝高度５．５m，采用間距１０m的中央布燈方式，其布燈平面與剖面圖如圖７所示。為了體現(xiàn)照度與亮度的差別，選擇了進(jìn)口對稱型燈具、逆光（順光）照明燈和具一款國產(chǎn)對稱型燈具（配光曲線同圖５），進(jìn)口對稱型配光和逆（順）光型配光曲線如圖７、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），分別按照表2中方案１（進(jìn)口對稱）、方案２（進(jìn)口逆光）、方案３（進(jìn)口順光）、方案４（國產(chǎn)對稱）計(jì)算其路面照度和亮度，以及墻面照度和亮度。采用ＤＩＡＬＵＸ分別對四個方案進(jìn)行照度與亮度計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表２所示。
水泥路面的亮度結(jié)果
由于亮度值與路面材質(zhì)有直接關(guān)系，從圖10可以看出，在兩條不同材質(zhì)的車道，在位置靠近時，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10也反映了兩條車道對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，其它所有設(shè)計(jì)參數(shù)完全不變，其計(jì)算結(jié)果如表３、表４所示。
比較各方案亮度結(jié)果發(fā)現(xiàn)的問題
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)口隧道燈不僅照度好，而且亮度比國產(chǎn)隧道燈高出近８０％。比較表２中的方案１和方案４發(fā)現(xiàn)，在相同的照明條件下，燈具均為對稱型配光，進(jìn)口隧道燈比國產(chǎn)隧道燈的亮度高出近９０％。如果將國產(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，而且可能會浪費(fèi)一半以上的電能。比較表３、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)生的鏡面反射比瀝青路面弱，對入射光線的方向沒有瀝青路面敏感。
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６m。這種過密的布燈方式會在車速增加的情況下，產(chǎn)生嚴(yán)重超標(biāo)的頻閃，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)對隧道燈的配光有要求，如《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》ＪＴＪ０２６．１－１９９９和《公路隧道照明燈具》ＪＴ/Ｔ６０９－２００４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)帶來一定困難，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，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。
我國仍需要研究路面亮度系數(shù)
由本文４．３節(jié)的比較結(jié)果可以看出，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，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)方面的人員非常缺乏。
歐美國家早在二十世紀(jì)６０年代就開始進(jìn)行路面亮度系數(shù)的研究，ＣＩＥ第３０號文件規(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，ＣＩＥ使用平均亮度系數(shù)Ｑ０、鏡面系數(shù)Ｓ１、Ｓ２三個參數(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、德國等）的路面樣品進(jìn)行測試得出的，Ｎ系列是根據(jù)丹麥、瑞典等國家的路面樣品進(jìn)行測試后得出；Ｃ系列是ＣＩＥ和國際道路代表大會常設(shè)委員會（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。對路面亮度系數(shù)研究的缺乏使得業(yè)界對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)備制造與檢測到工程竣工與驗(yàn)收，基本上都是采用照度乘以一個系數(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，評標(biāo)小組卻要求投標(biāo)方提供照度計(jì)算，并按照照度值來評標(biāo)，采用沿道路中心線增加一個極窄的計(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)評價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)致無法中標(biāo)。