基于反应时间的道路照明功率密度确定方法

胡英奎^{1, 2}，李毅²，陈仲林²，张青文²

(1. 重庆大学 土木工程学院，重庆，400045；2. 重庆大学 建筑城规学院，重庆，400045)

摘要：由于金卤(MH)灯和发光二极管(LED灯)作为道路照明光源时，其照明功率密度(LPD)没有标准可依，为此，选取色温为2 000 K的高压钠灯(HPS)、色温为4 800 K的MH灯和色温为7 200 K的LED灯作为照明光源。利用道路照明反应时间测试装置分别进行反应时间实验，得到道路照明亮度水平下MH灯和LED灯相对于HPS灯的亮度对比系数，确定其相对HPS灯的相对光效，并在此基础上计算得到MH灯和LED灯作为道路照明光源时的照明功率密度标准值。研究结果表明：将4 800 K的MH灯作为道路照明光源时，所需LPD为HPS灯的1.3倍左右，将7 200 K的LED灯作为道路照明光源时，所需LPD为HPS灯的47%~89%。

关键词：道路照明；照明功率密度；照明节能；反应时间

中图分类号：TU113.6          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)04-1563-04

Determination method of road lighting power density based on reaction time

HU Ying-kui^{1, 2}, LI Yi², CHEN Zhong-lin², ZHANG Qing-wen²

(1. College of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China;

2. College of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

Abstract: When metal halide (MH) lamps and light emitting diodes (LEDs) are used as road lighting sources, there is no existing lighting power density (LPD) standard to follow. To solve this problem, the high pressure sodium (HPS) lamps with color temperature of 2 000 K, MH lamps with color temperature of 4800 K and LEDs with color temperature of    7 200 K as light sources were selected and the reaction time tests were conducted by using independently developed instruments. The luminance contrast coefficients of MH lamps and LEDs related to HPS lamps were calculated based on the reaction time results, and their luminous efficiencies related to HPS lamps were determined, respectively. Thus, the LPD standard values of MH lamps and LEDs when used as road lighting sources are obtained. The results indicate that when MH lamps with color temperature of 4 800 K are used, its LPD reduction coefficient is about 1.3 times of that of HPA lamps. When LEDs with color temperature of 7 200 K are used, its LPD reduction coefficient related to HPS lamps ranges from 47%-89%.

Key words: road lighting; lighting power density; energy-saving lighting; reaction time

随着我国城市化进程的发展，城市机动车交通道路照明的规模越来越大，随之而来的能源需求和消耗也越来越多，道路照明节能研究越来越受到重视^[1]。已有研究表明，大量城市机动车交通道路的照明指标超出相应的设计标准^[2-3]，造成了巨大的照明能源浪费。为推动城市照明节能，建设部于2006年发布《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》^[4]，明确提出将严格执行照明功率密度(LPD)值标准作为绿色照明规划的主要目标之一。可见，提出科学合理LPD标准值，是推动机动车交通道路照明节能的有效措施之一。国家建设部于2006年发布的城市道路照明设计标准(CJJ 45—2006)^[5]给出了用高压钠灯(HPS)作为照明光源的机动车交通道路照明功率密度标准值，并指出如果照明光源为金卤灯(MH)，则相应的LPD值应乘以1.3倍。这主要是考虑HPS灯与MH灯的发光效率的差别，但并没有考虑光源的不同光色对驾驶员的生理和心理的影响。已有研究表明：不同的光源，甚至不同色温的同种光源会对驾驶员产生不同的影响^[6]。目前，应用于道路照明的光源种类越来越多，不仅传统的HPS灯和MH灯会被用作机动车交通道路照明光源，LED灯和无极荧光灯等新型照明光源也在逐步被机动车交通道路照明所采用。杨春宇等^[7]就无极灯用作机动车交通道路照明光源时的LPD标准进行了研究，但用MH灯作为机动车道路照明光源时，其LPD标准值是否应该取HPS灯的1.3倍，LED作为机动车交通道路照明光源时LPD标准值为多少，仍未见报道。反应时间作为道路照明效果的评价指标在中间视觉^[8]和道路照明^[9]研究中已被广泛应用，为此，本文作者拟用驾驶员的反应时间作为评价指标，以色温为2 000 K的HPS灯为基准，研究色温为4 800 K的MH灯和色温为7 200 K的LED灯作为机动车交通道路照明光源时的LPD标准值。

1  反应时间实验

利用自行研制的道路照明反应时间测试装置^[10]测试机动车驾驶员在不同光源提供的不同背景亮度下对目标物的反应时间。测试的对象为4名年龄在24~30岁之间的男性驾驶员，他们都有正常的色觉和矫正视力。目前，各国机动车交通道路照明的亮度标准均在0.3~2.0 cd/m²之间，但有些地区的道路照明实际亮度会超过该标准值，测试过程中反应时间分别取0.3，0.5，0.7，0.8，1.0，1.2，1.5，1.8，2.0和2.5 cd/m²共10个亮度水平作为测试的背景亮度；目标物采用具有正对比的圆形光斑模拟，光斑的直径为26 mm(相对被测者眼睛的视场角为2°)，亮度对比度为0.8。在测试过程中，光斑出现在被测者的视线方向，即视场偏心角为0°。所研究光源的基本参数见表1。

测试时，被测者以舒适的姿势坐在测试箱前，眼睛注视测试箱内，一只手握着按钮，目标光斑随机出现在测试箱内壁，被测者发现目标光斑后尽快按下手中的按钮。从目标光斑出现到测试者按下手中按钮的时间间隔即为反应时间，由计时仪自动记录。

表1  光源的基本参数

Table 1  Parameters of lighting sources

每位被测者测完1种光源提供的所有背景亮度为1个实验过程。测试时，所有光源提供的背景亮度均从低亮度向高亮度变化，以缩短被测者对不同亮度水平的适应时间。每次实验开始前，被测者至少提前30 min进入实验室，以适应较暗的实验室环境。在实验正式开始前，每位被测者都经过几轮练习，以确保熟悉实验过程和实验设备的操作，并消除紧张情绪。

2  实验结果与讨论

标准CJJ 45―2006给出了HPS灯作为道路照明光源时的照明功率密度标准，并规定当采用MH灯作为道路照明光源时，其照明功率密度值为相应的HPS灯照明功率密度标准值乘以系数1.3，但采用其他光源时，该标准并未规定相应的系数。由于道路照明的效果可以采用机动车驾驶员的反应时间进行评价，因此，可以基于驾驶员的反应时间来确定不同光源的道路照明功率密度标准值，即在某光源下获得HPS灯提供的某背景亮度水平下的反应时间时，该光源所需的照明功率密度可作为相应亮度水平的照明功率密度标注值。为此，需要先确定该光源相对HPS灯的亮度对比系数R，即驾驶员获得相同的反应时间时，该光源提供的背景亮度与HPS灯提供的背景亮度之比。然后，考虑所研究光源的实际发光效率，确定其相对HPS灯的相对光效(E_R)，1/E_R即为该光源作为机动车交通道路照明光源时相对于HPS灯作为机动车交通道路照明光源时的LPD值的系数。

为了确定E_R，需要首先确定在各光源下驾驶员的反应时间与背景亮度的关系。根据反应时间实验结果，4位被测者在各光源下的反应时间的平均值与背景亮度的关系见图1。从图1可以看出：在背景亮度相同时，测试者在HPS灯和MH灯下的反应时间差别不大，都明显比在LED灯下的反应时间长。在所研究的背景亮度范围内，被测者在3种光源下的反应时间都随背景亮度的提高而缩短，但反应时间缩短的速度随背景亮度的提高而变慢；被测者的反应时间与背景亮度之间基本呈负指数变化关系。鉴于此，对被测者反应时间的平均值与背景亮度之间的关系进行数据拟合，拟合结果显示，HPS灯下被测者的反应时间与背景亮度之间的关系为：

                    (1)

其中：t_R为反应时间(ms)；L_b为背景亮度(cd/m²)。拟合结果的标准差D_S=1.111 9，相关系数R²=0.993 3。

图1  驾驶员反应时间与背景亮度之间的关系

Fig.1  Relationship between drivers’ reaction time and background luminance

MH灯下被测者的反应时间与背景亮度之间的关系为：

                    (2)

拟合结果的标准差D_S=1.944 6，相关系数R²=0.982 7。

LED灯下被测者的反应时间与背景亮度之间的关系为：

             (3)

拟合结果的标准差D_S=2.258 2，相关系数R²=0.965 1。

从上述拟合结果看：式(1)~(3)分别对HPS，MH和LED灯下被测者的反应时间与背景亮度之间的关系拟合效果较好。

根据式(1)可得HPS灯提供的背景亮度分别为0.5，0.75，1.0，1.5和2.0 cd/m²时驾驶员的反应时间，如表2所示。

将表2中的t_R分别代入式(2)和(3)，即可计算出获得该反应时间所需的MH和LED灯提供的背景亮度，如表3所示。

如表3所示，为获得与HPS灯提供的0.5 cd/m²下相同的反应时间，需要LED提供的背景亮度为-0.01 cd/m²，所需背景亮度为负，无法解释其物理意义，这是式(1)和(3)在拟合过程的误差造成的。从图1可以看出：LED灯只需很低的背景亮度，驾驶员即可获得HPS灯提供的0.5 cd/m²下的反应时间，为了便于说明，下文将不再分析LED在0.5 cd/m²背景亮度下的相应指标。

表2  HPS提供的各背景亮度下驾驶员的反应时间

Table 2  Drivers’ reaction time under different background luminances provided by HPS lamps

表3  MH和LED灯获得相应反应时间所需的背景亮度

Table 3  Required background luminance of MH lamps and LEDs when the drivers’ reaction time is the same as that of HPS lamps

由表2和3可以计算出HPS灯提供的背景亮度分别为0.5，0.75，1.0，1.5和2.0 cd/m²时，MH和LED灯相对于HPS灯的亮度对比系数R_MH和R_LED，如表4所示。

定义任一光源相对HPS灯相对光效为：

                   (4)

其中：E_R为相对光效；η为所研究光源的发光效率；η_HPS为HPS灯的发光效率；R为所研究光源相对HPS灯的亮度对比系数。

表4  MH灯和LED相对HPS灯的亮度对比系数

Table 4  Luminance contrast coefficients of MH lamps and LEDs to HPS lamps

基于反应时间和HPS灯的LPD标准值确定其他光源作为道路照明光源所需的LPD标准值时，只需乘以1/E_R。根据表1所示HPS，MH和LED灯的发光效率，以及表3所示系数R_MH和R_LED和式(4)，可以计算出HPS灯提供的背景亮度分别为0.5，0.75，1.0，1.5和2.0 cd/m²时，MH和LED灯对HPS的相对光效E_RMH和E_RLED，如表5所示。

表5  MH和LED对HPS的相对光效

Table 5  Luminous efficiencies of MH lamps and LEDs related to HPS lamps

从表5可以看出：在背景亮度为0.5~2.0 cd/m²时，MH灯对HPS灯的相对光效E_R,MH的变化范围为0.69~0.77，相应的1/E_R,MH的变化范围为1.45~1.30，该结果与CJJ 45―2006推荐的值1.30基本一致；在背景亮度为0.75~2.0 cd/m²时，LED灯对HPS灯的相对光效E_R,LED的变化范围为2.15~1.12，相应的1/E_R,LED的变化范围为0.47~0.89，这说明将高色温的LED作为机动车交通道路照明光源时，使驾驶员获得相同的反应时间，所需的LPD值仅为HPS灯的47%~89%，可以比将HPS灯作为道路照明光源节省大量电能。

3  结论

(1) 将色温为4 800 K的金卤灯作为机动车交通道路照明光源时，其相对于变压钠灯的照明功率密度折减系数为1.45~1.30，将金卤灯用作机动车交通道路照明光源将比高压钠灯更耗能。

(2) 将色温为7 200 K的发光二极管作为机动车交通道路照明光源时，其相对于高压钠灯的照明功率密度折减系数为0.47~0.89，将该色温的发光二极管用作机动车交通道路照明光源将比高压钠灯更有利于 节能。

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(编辑 邓履翔)

收稿日期：2011-03-05；修回日期：2011-06-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50908240，50878217)；重庆市科委自然科学基金计划项目(2010BB6051)

通信作者：胡英奎(1978-)，男，河南虞城人，博士研究生，讲师，从事中间视觉理论和道路交通照明研究；电话：13594066416；E-mail：hyk@cqu.edu.cn