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主动发光交通标志是不是“黑科技”?

来源:道路交通安全研究中心 时间:2022-01-07

一、公路交通标志照明方式的历史沿革

(1)1986年国家标准《道路交通标志和标线》首次对交通标志照明方式进行了分类。

为保障交通标志夜间视认性,我国现行国家标准规定,交通标志应具备逆反射性能(早期称为反光性能),可安装照明设施。本文主要讨论安装照明设施的交通标志。

我国最早的国家标准《道路交通标志和标线》(GB 5768-1986)规定了交通标志照明的两种主要方式:外部照明和内部照明。在后续1999版(2009版以及已修订完成的国家标准《道路交通标志和标线 第2部分:道路交通标志》中,均将外部照明和内部照明作为主要照明方式。

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《道路交通标志和标线》(GB 5768-1986)规定

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 《道路交通标志和标线》(GB 5768-1999)规定

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 《道路交通标志和标线 第2部分:道路交通标志》(GB 5768.2-2009)规定

(2)我国公路交通标志较少采用外部照明方式。

 采用外部照明方式的交通标志在我国使用较少。美国早年使用标志外部照明灯具较多,但因为节能、环保、维修、经济性等方面的考虑,近年来越来越多的州取消了标志外部照明灯具的使用。

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 美国交通标志下方加装外部照明灯具

2016年,美国国家公路合作研究项目公布的报告《NCHRP Report 828 :Guidelines for Nighttime Visibility of Overhead Signs(路上方标志夜间视认性指南)》指出,“由于标志逆反射材料的性能越来越高效,可以把更多的车灯光返回给驾驶员,现在有关掉或者拆除路上方标志照明灯具的趋势”。

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 NCHRP Report 828有关标志照明灯具的调查结论

 该报告还指出,2008年威斯康星州交通厅组织开展了相关调查,30个州中仍在使用标志照明灯具的只有6个州,而且这6个州也是根据具体情况和个案决定的。只有佛罗里达州建议城市道路的路口路上方街道名标志全部使用照明标志。

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 美国的街名照明标志

(3)我国公路隧道交通标志多采用内部照明方式。

采用内部照明方式的交通标志在我国多使用在公路隧道内,又称灯箱标志。2004年颁布实施的行业标准《公路隧道交通工程设计规范》(JTG/T D71—2004)规定了公路隧道使用内部照明标志的有关要求。

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 我国公路隧道使用的内部照明标志

近年来,部分背景光源复杂的城市道路上也有内部照明标志的应用。

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我国城市道路上使用的内部照明标志

 内部照明标志在国外的使用,主要是与行人有关的小型标志。如德国的内部照明标志最常使用于人行横道线处,此处的标志也有向下照明的功能。

(4)关于我国现行国家标准中规定的主动发光标志。

 我国现行国家标准《道路交通标志和标线 第2部分:道路交通标志》(GB 5768.2—2009)将交通标志按光学特性分类,分为逆反射式、照明式和发光式三种,其中规定的“主动发光标志”,是指部分内容通过标志上安装的LED元器件发光来显示的交通标志。

——引自《道路交通标志和标线 第2部分:道路交通标志》(GB 5768.2-2009)

此外,国家标准《道路交通标志和标线》还规定了“可变信息标志”(又称可变情报板),该标志以LED显示屏为主要构成,不同于本文所讨论的标志照明方式。

(5)关于近期网络热议的“主动发光标志”。

近期网络热议的“主动发光标志”,指的是标志体内具有主动发光光源,照亮显示信息内容的交通标志。需要说明的是,在光学领域里不存在“主动”发光,发光都是场致发光,如电致发光、光致发光等。所示“主动发光标志”内部使用LED作为光源,是电致发光,按交通标志照明方式分类,实质上是内部照明标志的一种。

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 网络热议的“主动发光标志

可以看出,无论是在标志内部安装光源还是在标志外部使用灯具照亮标志,都是交通标志的一种照明方式,相关照明技术由来已久。此外,交通标志是否安装照明设施,则与智慧公路毫无关联,与公路基础设施数字化、网络化、智能化也毫无关联。

为避免混淆,以下讨论所称“主动发光标志”称为“内部照明标志”或“标志内部照明”。

二、使用内部照明标志需要考虑的方面

(1)统一性。

道路交通标志最重要的特征是统一性。统一的道路交通标志可以给道路使用者相同的含义表述,有助于其被识别和解。统一性要求交通标志白天、夜间的含义表达也相同。

交通标志的颜色、形状、字符、图案均是标志的组成要素,均向道路使用者传递特定含义。驾驶人在驶近交通标志时,先发现目标,然后看出颜色,再看出形状,最后看清文字。

——引自:国际照明委员会《反光交通标志性能评价》,CIE TC 4-40,2009.5

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 交通标志要素认读过程

因此,统一性要求交通标志在白天、夜间,其颜色、形状、字符、图案均表达一致,才能让驾驶员在每个阶段获取的信息都能满足对各元素的视认性需要,减少对标志的阅读时间,提高阅读的准确性。

(2)视认性。

 道路使用者在行驶过程中发现、认读、理解交通标志并作出反应,标志的视认性至关重要。

 除了道路使用者的视力因素,交通标志的视认性还与以下因素相关:

——尺寸大小,大的标志更显著;

—— 亮度大小,亮度高的标志更易被发现;

——文字大小,大的文字更容易认读; 

——对比度,特别是亮度对比度应在眼睛适应并舒适的范围,对比度过高或过低均不利于驾驶员阅读;

——视觉简单化,简单的背景能让标志更易于理解;

——偏角大小,如果标志偏离视线6°~7°以上,就不太可能被发现。

公路上广泛使用的逆反射交通标志,常用的逆反射材料是反光膜,其作用原理是当汽车灯光照射到标志版面上后,逆反射材料将光源反射回人眼中,使驾驶人能看到标志。因为反光膜的逆反射特性,相同的标志如果设置位置不同,逆反射效果则不同。有关研究表明,完全相同的交通标志,设置于门架上时逆反射效果只能达到设置于路右侧的14%~17%)。

 为了提高门架式交通标志的夜间视认性,我国研究人员和工程师采用了多种措施,如优化标志板高度、优化标志字体、调整标志设置角度、提升逆反射材料反光性能等。如果仍达不到视认效果,则可采用在交通标志上设置照明设施的方式,包括外部照明和内部照明。我国国家标准《道路交通标志和标线》1999年和2009年版本,对交通标志照明都提出了夜间150米视认距离的要求。需要说明的是,交通标志上设置的照明设施不是常见的路灯,路灯是为了照亮道路环境,而交通标志照明设施是为了照亮标志版面。

有关研究表明,对交通标志夜间视认来说,标志照明并不是越亮越好。陆键(2018)场地试验研究内部照明标志视认性,其结论之一是亮度过高反而会降低驾驶人的视认距离。美国的研究报告《路上方标志夜间视认性指南》(NCHRP Report 828)也指出,标志视认距离与标志亮度没有关系,在夜间视觉环境复杂度不高的行车环境中,ASTM(美国材料协会)的XI类(等同于我国标准五类)反光膜,在各种条件下几乎都可以提供充分的亮度。我国高速公路大多位于城市以外,无论有无路灯,其夜间视觉环境复杂度较低,不需要标志照明;在夜间视觉复杂度较高的城市道路上,如路侧商业楼宇灯火通明光环境干扰较多,交通标志使用照明设施的需求相对较高。

(3)经济性。

有关数据表明,采用内部照明方式的标志板加上配套电气设施,其建设造价约为普通标志的数倍。普通标志后期养护费用较低,而采用内部照明方式的标志后期养护成本则还需包括模块更换、日常用电、日常巡检等。一块大型内部照明标志建设、养护和运营成本在全寿命周期内,约为普通标志的十几倍。

 经济性也包括内部照明方式的使用场景,例如美国的研究报告《路上方标志夜间视认性指南》(NCHRP Report 828)提到,仅有部分州在一些非常复杂、车灯无法满足需要的道路环境中,仍然在使用照明方式提高标志的亮度。对于视觉环境简单,甚至沿线具备良好照明条件的公路,是否有必要全线使用内部照明标志是值得商榷的。

(4)耐久性。

交通标志的使用成本还与耐久性有关。通电的交通标志无论是外部照明还是内部照明,都有电气设备稳定性问题。照明部分发生故障时,除维修更换成本外,还有施工时的交通控制成本。交通标志作为在露天环境下全天候使用的设施,其耐久性尤为重要。以某高速公路使用的内部照明标志为例,2021年前三季度共发生故障18起,其中发光控制电源或控制板损坏的故障发生频率较高。

因此,使用照明标志应首先符合“一致性”;在个案情况下,在路侧有各式发光广告牌和灯火通明的经营场所的路段,个别标志为满足“视认性”使用照明方式,但仍需要考虑标志的“耐久性”及“经济性”。这是设计、管理的决策需考虑的方面,同样也是评价内部照明标志科技水平的四个方面,相辅相成,缺一不可。

三、实际应用中“半透型主动发光交通标志”具体问题分析

关于“一致性”:部分指路标志在夜间和白天呈现的底色不一致,不符合《道路交通标志和标线》(GB 5768—2009)关于高速公路指路标志颜色的规定。所示限速标志不存在夜间和白天不一致的情况。另外,同一块指路标志上,编号标志S50的绿底、地点距离标志的绿底、出口预告标志的绿底、“南六环”绿字,绿色均不相同;编号标志S336、ETC和人工收费的黄色底与收费站标志使用的黄色底,其黄色也不相同。

 关于“视认性”:字的亮度增加,如果调光控制不好,在车灯、内部照明和路灯的三重光源影响下,部分标志上笔画多的汉字在远距离视认时字体部分整个是一团团光,可能导致辨识不清等问题。

因此,标志照明提高了复杂视觉环境下对标志的认读,但照明控制不好,相反影响了对标志的认读。

关于“经济性”:部分高速公路线形较好、照明条件良好、夜间环境光单一且干扰低,使用普通标志即可满足驾驶员的使用需求,全线指路标志均采用内部照明方式,其经济性应进行论证。

关于“耐久性”:个别半透型主动发光指路标志仅投入使用不足三年,便出现中部反光膜开裂的情况。

四、有关建议

交通标志的产品研发及应用的根本是驾驶人的认读,应在满足驾驶人认读交通标志客观规律的基础上,针对内部照明标志在实际应用中暴露出来的问题,围绕照明标志适用条件、标志照明质量及控制技术(无论外部照明、内部照明)、标志照明评价体系等方面,秉持科学严谨、脚踏实地、精益求精的工作态度,进行试验、研究及实践,从而提高产品品质和科技含量,以科学的精神总结研究成果及实践经验,给使用者更好的指导和服务。

科研求真之路漫长,愿每一位前行于这段不断探索、求知的科研者,都保有一颗求真的赤子热忱,正本清源,辨别真伪,共拾柴薪,点燃科研真理之焰,共同营造风清气正的良好科研氛围。

参考文献:

(1) Carlson,P.J.,B.K.Brimley,J.Mikes,S.Chrysler,R.B.Gibbons,and T.Terry. NCHRP Report 828:Guidelines for Nighttime Visibility of Overhead Signs,Transportation Research Board,Washington,DC,2016

(2) 陆键等,LED主动发光交通标志视认性能研究,《中国公路学报》Vol.31 No.4 2018.4

【编辑:任燕】

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