亮度通常是評價道路與隧道照明質(zhì)量的主要指標之一，但由于亮度計算或檢測都比照度要復雜得多，在照明設計或驗收時，亮度指標往往容易被忽視。而國家相關標準與規(guī)范也傾向性地把照度與亮度的關系簡化為一種跟反射系數(shù)有關的轉(zhuǎn)換倍數(shù)關系，甚至有人對亮度概念模糊不清，認為照度均勻性就是亮度均勻性，甚至把亮度誤認為是照度。如“JTJ026.1-1999公路隧道通風照明設計規(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；筆者在仔細閱讀“CJJ45-2006 城市道路照明設計標準” 并對照CIE相關標準時，發(fā)現(xiàn)該標準在涉及亮度的章節(jié)中出現(xiàn)不夠嚴謹或疏忽之處(如計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在涉及亮度計算和釋義的章節(jié)中基本是沿襲CJJ45-1991標準，而CIE在過去20年里不斷推出新標準或修訂以前舊標準，這使得我國道路標準與國際標準在亮度計算方面的差距增大；國家半導體照明工程研發(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日起實施，該標準的附錄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，我國照明界對道路照明亮度標準的認識同日新月異的國際標準相比，存在一定程度的脫節(jié)或滯后，業(yè)界對亮度標準的認識也不夠。

在道路照明領域里，亮度與照度之間的關系非常復雜，其復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系緊密的復合反射，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系。本文接下來的舉例就證實了瀝青路面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）。

道路照明設計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計時，如不考慮地面反射特性，可能出現(xiàn)以下情況：在滿足照度標準的條件下，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，當入射光線為35度左右時，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%左右，根據(jù)這個原理，采用逆光法進行隧道照明則節(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)生負對比度，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：某一點在某方向上的亮度與該點水平照度的比值。由于亮度與觀察者的位置有關，因此CIE規(guī)定了標準觀察者位置，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)定標準觀察者的高度為1.5m，觀察點在道路上的橫向位置是在每條車道的中心線上，此時的角度范圍為0.50~1.50之間。圖3示意了觀察點與亮度考察點及入射光線之間的角度關系，根據(jù)亮度系數(shù)的定義，可按公式（1）~（4）進行亮度計算[5~7]。

圖2. 路面亮度考察的區(qū)域示意圖

圖3. 亮度計算的各角度關系

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—— 照射到計算點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

r(β,γ)——簡化亮度系數(shù)

忽視亮度標準給隧道照明設計帶來的問題

隧道照明設計實例之一

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)和進口兩種燈具，分別計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；方案2采用進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分別對兩個方案進行照度與亮度計算，其計算結(jié)果如表1所示。

說明：因CIE140-2000標準在道路計算時，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。當考慮反射時，路面照度會增加13%左右，但對駕駛員方向的亮度而言，目前尚無相關標準來計算反射光線的影響。

隧道照明設計實例之二

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），進口對稱型配光和逆（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（進口對稱）、方案2（進口逆光）、方案3（進口順光）、方案4（國產(chǎn)對稱）計算其路面照度和亮度，以及墻面照度和亮度。采用DIALUX分別對四個方案進行照度與亮度計算，其計算結(jié)果如表2所示。

隧道照明設計實例之二計算結(jié)果

水泥路面亮度結(jié)果

由于亮度值與路面材質(zhì)有直接關系，圖8反映了在兩條不同材質(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8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系較大。本節(jié)把4.1與4.2節(jié)設計實例中的瀝青路面R3換成水泥路面C1，其他所有設計參數(shù)完全不變，并將其計算結(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，而進口隧道燈不僅照度不錯，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，燈具均為對稱型配光，進口隧道燈比國產(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，忽視亮度標準的道路和隧道照明系統(tǒng)不僅難以達到應有的照明效果，而且可能會浪費一半以上的電能。比較表3和表4發(fā)現(xiàn)，進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計燈具配光，會得到更高路面亮度），這也證實了水泥路面產(chǎn)生的鏡面反射不如瀝青路面強，對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在車速增加的情況下，頻閃嚴重超標，有造成交通事故的潛在可能性。盡管我國的相關標準對隧道燈的配光有要求，如“JTJ026.1-1999公路隧道通風照明設計規(guī)范”和“JT/T609-2004公路隧道照明燈具”中提到應采用“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)、工程設計和招投標都帶來迷惑，造成行業(yè)內(nèi)無法正確實施“寬光帶”規(guī)定的局面。我國在道路和隧道照明標準制定時，多以參照國際上流行的標準為主，借鑒國外的亮度標準制定我國道路和隧道照明標準，但在執(zhí)行標準的時候卻回到了照度標準，這就是造成本文列舉的進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設計時，需要根據(jù)路面的反射特性進行專業(yè)的光學設計。筆者在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，本文使用的進口燈具配光并不是最好的配光，如在其基礎上進行優(yōu)化設計，在同樣的設計案例中還能提高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注不夠，造成了我國在道路與隧道照明燈具光學設計人員非常缺乏。

歐美國家早在上世紀60年代就開始路面亮度系數(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、德國等國家的路面樣品進行測試得出的，N系列是根據(jù)丹麥、瑞典等國家的路面樣品進行測試后得出；C系列是CIE和國際道路代表大會常設委員會（PIARC）在1984年的聯(lián)合技術報告《道路表面和照明》中共同推出[4]。

目前，我國沒有做過相關路面亮度系數(shù)測試，通常采用C1和R3來分別計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，從國家標準與規(guī)范的制定到道路照明設計與施工，從照明設備制造與檢測到工程竣工與驗收，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計和投標的過程中提交給業(yè)主和設計院亮度計算報表，但遺憾的是，評標小組里面的“專家們”卻要求投標方提供照度計算，并按照照度值來評標，采用沿道路中心線增加一個極窄的計算面來計算縱向照度均勻度來替代亮度縱向均勻度。如按照照度標準評價道路和隧道燈具的配光性能，由于進口燈具（或按照亮度標準設計與制造的燈具）在路面上產(chǎn)生的平均照度略低于國產(chǎn)燈具，很可能導致出局的厄運。

我國道路照明產(chǎn)業(yè)巨大，據(jù)資料統(tǒng)計，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照明耗電比重較大。研究路面亮度系數(shù)是關系到我國節(jié)能減排與綠色照明的基礎性研究工作之一，同時也是關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。