路面反光性能

路面反光性能

一、概述

入射击到路面上的光，一部分被路面所反射，另一部分则被路面吸收。被反射的这部分光到达观察者的眼睛，产生明亮的感觉。因此，观察者所感受到的是路面亮度，而不是照度。

路面上的亮度和照度有联系，但又不同。路面上某点的照度只和灯具本身的光度特性以及该点相对于灯具的几何位置有关，而亮度除了和上述因素不关外还和路面一身的反光性能有关。

正因为路面反光性能在决定道路照明效果中起着如此重要的作用，因此国外有许多科学工作者很早就开始对路面反光理论进行研究。如波格（Bouguer，1970）在对粗糙路面的研究中，假定每一种表面均可视为由大量的朝向不同的颗粒或多面体所组成，每一颗粒或多面体均镜外反射光。沙贝（Sabey，1971）认为路面可根据其宏观和微观结构来描述，见图4-3。在干燥条件下，决定入射到路面上的光被反射的方式，这两种宏观和微观结构均起作用。在潮湿条件下，微观结构被淹没且变成镜面，使反射主要取决于宏观结构。但这些理论均未能导出用定量词汇描述反光性能的方法。目前，完整确定路面反光性能的唯一方法是用一套所谓亮度系数来描述。

二、用亮度系数描述路面

路面的反光性能可用亮度系数来描述。亮度系数q定义为由一个灯具在某一面元上产生的亮度与同一面元上水平照度之比值，即（9页有一公式）亮度系数取决于路面材料的性质以及观察者和灯具相对于路面上所考察的那一点的相对位置，如图4-4所示。

就驾驶员所关心的道路重要路段（驾驶员前方60~160m）和标准观察高度（1.5m）而言，观察角α仅在0.5?~1.5°之间变化。测量表明，在这个α范围内，q对α的依赖可以忽略●。因此，通常保持α=1?来决定亮度系数。此外，大多数路面几乎完全是各向同性的，而且路面宽度即使达到25m，观察距离也大于60m，这时的观察平面秘路轴之间的角度δ也小于20?，因此通常δ角的影响也可以忽略。考虑了这两点，可以说亮度系数只取决于两个角度：

光入射平面和观察平面之间的角度β、光线入射角度γ，即

q=?（β、γ）=q（β，γ）（4-9）

●对行个来说，因α变化范围很大，α对q的影响就不能忽略了。

根据公式（4-8）和式（4-9）可得（91页有一公式）

式中h——灯具安装高度；

I——灯具指向（c，γ）方向的光强。

而γ（β，γ）=q（β，γ）cos3γ，称为简化亮度系数，通常以二维的表格形式，即γ表形式给出。应注意的是γ表不是给出若干对β、γ，而是给出若干对β、tgγ所对应的γ值。

Γ（β，γ）还可以用等γ图的方式给出，见图4-5。该图在道路纵方向应包括从—5H到12H的区域，横方向则应包括从0到3H的区域，H的长度喜欢采用20mm.CIE还建议以相对坐标画出等γ曲线，且选择以下的值：100%—60%—40%—25%—15%—10%—6%—4%—2.5%—1.5%—1%—0.6%—0.4%—0.25%—0.15%—0.1%。

三、用3个特征参数描述路面

路面的反光性能可用γ表来描述，当用计算机进行亮度计算时，γ表可直接用作输入。但不同路面的反光性能不容易通过它进行比较，也给不出反光性能的总印象。因此，近些年来，国际上进行了广泛的研究，以图用有限的3个参数来描述路面。研究结果表明，大部分干路面可以足够准确地依据属于2种基本量的3个特征参数来描述，即明这性（或从白到黑的灰度）用参数Q1（平均亮度系数）描述，镜面性（光泽性）用镜面系数S1和S2描述。它们分别定义为（92页有一公式）

式中q——亮度系数；

Ω0——路面上某点测得的立体角，其包含了在平均过程中考虑了的光入射的所有方向；

r（0，2）——在β=0?、γ=0?处的简化亮度系数值。

由式（4-11）得知，平均亮度系数Q1定义为亮度系数的立体角计权平均。

亮度系数q（或简化亮度系数r）要在实验室里测量，而平均亮度系数Q1、镜面系数S1和S2可以在现场（实际路面）进行测量。Q0还可以从已测得的完整的q值（或r表），根据公式（4-11）计算得到。关于q（或r）、Q0、S1、和S2的测量问题，这里不作介绍。

四、根据镜面系数S1对路面进行分类

如果路面的准确亮度系数（或r表）不知道，则根据路面的反光性能对路面时行分娄，会给灯具性能数据文件的汇编及近似的亮度计算带来很大好处。

那么路面要分多少类，如何分类，根据什么进行分类呢？

实际上所有路面各部位的反光性能都有所差别，而且由于道路的磨损、破裂及天气条件的变化，反光性能时时都会变化。因此，为了实用目的，应选择这样的分类系统，某一类路面或大量路面为一种标准路面所代表。如果划分的标准路面类别少一些，优点是所提供的灯具数据文件可以少些；缺点是会增加亮度计算的误差。因此，要在保证亮度计算准确度的基础上尽可能减少标准路面类别。概括起来讲：①所选择的标准路面应该是实践中所流行路面的代表；②同一类中不同路面的亮度值和代表该类的标准路面的亮度值之差应在规定的范围内。

大量研究结果已经表明：①可以在3个特征参数的基础上建立起具有可以接受的准确度的分类系统；②比较少的标准路面类别，也可以获得足够高的准确度；③路面可以只根据镜面系数S1进行分类。

前几年在国际上有2个分类系统：①是R系列，建立了R1、R2、R3、R4、共4类标准路面；②是N系列，建立了N1、N2、N3、N4共4类标准路面，见表4-2。R系列主要是根据欧洲一些国家如荷兰、比利时、西德等的路面样品的测试结果提出来的，近几年来已在若干国家得到成功的应用。N系列是根据斯堪的纳维亚半岛的丹麦、瑞典等国家的路面样品（那里路面经常采用特殊加工的发亮材料）的测试结果导出的。这2个分类系统的差别主要在于每一类路面的S1值范围不同。为了使只有一套标准反光系数表（r表）提交使用，CIE的原

道路照明委员支以微弱多数通过决定推荐R系列，直到可以根据更多国家的研究成果提出最终的且包括湿路面条件的分类系统。

表4-2 根据反光性能对路面进行分类

（R和N分类系统）

为了方便使用，CIE给出了R分类系统即R系列的4类标准路面的R1、R2、R3、R4分别对应的r表和N分类系统即N系列的4类标准路面N1、N2、N3、N4分别对应的r表。本书附表一~附表四给出了更适合于我国情况的R分类系统的4张r表。

这里还需补充一点，国际照明委员会和国际道路代表大会常设委员会（PIARC）合作，在它们的1984年联合技术报告《道路表面和照明》中又共同推出了C分类系统。该分类系统和R、N分类系统相同之处也是根据镜面系数S1进行分类，不同之处是C系统分得比较粗，只把路面分成2类（即C1类和C2类），见表4-3，而R、N系统却把路面分成4类。

表4-3 根据反光性能对路面进行分类（C分类系统）

将表4-2和表4-3进行比较可以看出C系统和R系统更加接近，R1类近似地和C1类相对应，而R2，R3和R4的3类一起近似地和C2类相对应。

五、在实际工作中的应用

要准确地进行路面亮度计算，就得知道该路面完整、准确的亮度系数。前面进过亮度系数可通过实验室测量来获得。这就要求首先得有一套测试仪器和设备，还得仔细截取路面样品，测量和计算出这么多数据又很费时费事，因此一般都不大可能。

在得不到我国实际路面的r 表以前，我们可以利用CIE给出的R分类系统的4张r表（见附表）。在使用该表时，首先要通过现场（实际路面）测量得出Q0和S1值，根据表4-2就可以判定它属于哪一类路面，然后选用代表该类路面的r表，运用r表时，需要注意的是同一类路面的Q0值可能相差很远，而r表中的简化亮度系数值仅与该表所对应的标准路面的Q0值相对应（如R1类路面的r表，其Q0=0.1），若实际路面的Q0值与之不符，则需将亮度计算结果乘上实际路面的Q0值除以表中Q0值所得的商（有的资料给出的r表，均是按Q0=1计算和测量得到的，因此为了将计算结果调整到实际的Q0值需乘上实际的Q0值）。

如果现场测量Q0、S1和S2值也不可能，则只能根据实际路面组成材料（见表4-4）来判定它属于哪一类路面，进而选用r表。此时Q0值只能采用代表该类路面的标准路面的Q0值，当然这种分类方法只能做到近似，亮度计算结果的准确性往往比较差。

表4-4 根据所采用的材料对路面进行分类

人们可能关心的另一个问题是用标准r表进行亮度计算的准确度到底如何？对这个问题国外照明工作者已经进行过系统研究。有个曾对配光很不相同的44种灯具和113种干路面计算出不少于4972对的两组L av、U0和U L数据，一组是用每种路面的实际r表，另一组是用每种路面所对应的标准r表。所有计算均假定灯具按单侧布置。当把这两组数据进行比较后就可得出表4-5所示的结果。

表4-5 按R分类系统的r表进行亮度计算所产生的误差

①按实际的r表计算出的参数值减去按标准路面的r表计算出的参数值所得的差，再除于按实际的r表计算出的参数值。

表4-5告诉我们用标准路面的r表进行亮度计算已是很准确的了，完全能够满足工程上的需要。但是还有一个很大的问题，就是正如前面提到的，CIE的R分类系统是根据欧洲几个国家的常规路面样品的实测结果提出来的，它是否适合我国的路面，还有待于我们去考察、研究，不过，在没有我国自己的测试结果以前，恐怕也只能采用CIE的r表。

六、关于湿路面的反光性能和分类

上面所讲的路面分类，R系列、N系列的标准路面，r表及近年来的C分类系统等均只适用于干（燥）路面，但是实际碰到的却是包括干、湿直至被水淹没的各种状态的路面，因此问题要复杂得多（当然被水淹没的路面不能讲路面本身的亮度而只能讲光源成像的亮度）。关于湿路面，国际上（如丹麦等）开展了许多研究工作，取得了一定成果，但还需要继续进行下下去。对湿路面可以采用和干路面类似的作法，即对符合“标准湿条件”的湿路面样品进行测量，求出亮度系数表。也可以采用Q0、S1和S2三个特征参数描述湿路面并进行分类，每一类也选定了自己的标准湿路面W1~W2，并给出了相应的r表●。