一、采用照度为衡量指标的道路类别
　　按照目前道路类型,凡是在使用者移动速度较慢﹑道路构成形式复杂和交通组成复杂的道路上,道路的使用者不需要也不可能眼睛凝视前方远距离处很远路面上的情况下,道路照明的目的和目标就是提供一个清晰的完整的场景,场景内的路面和周围环境暴露在使用者的视场中,此时的照明灯具就只需要提供地面上合适的照明效果(照度值﹑均匀度和限制眩光)就可以了.
　　这类路面就是机动车道的交会处和非机动车道(人行和机非混合道),即CJJ45-2006中的表3.4.1和表3.5.1规定的道路.对前者的道路,使用对象是机动车驾驶员,对后者是行人﹑骑自行车的人和机动车驾驶员.类似的要求等同于CIE115-2010中的道路等级是C类(交会道路)和P类(行人道路和机非混合道).
　　在这类路面上,障碍物出现的地方和位置是无法予先知晓的.受观察距离的限制和内容的多变,眼睛观察出现在路面上物体的角度也是不同的.加上视线的不恒定和从观察者身傍到远一点的地面都可能出现障碍物,因此眼睛看到路面的亮暗也是无法作为衡量的指标(因为眼睛的视线是变动的),只能用有多少光线落在路面上的情况(数量和分布)来解读.
　　了解和知晓路面上接受光线的多少也能客观了解路面上大致的照明情况,这就是沿用常用的室内照明或运动场馆的照明标准所规定下来的方法来处理道路照明了.在工作面上只规定按照视觉作业需要的照度[1].该数值是按照执行这项作业需要的速度﹑视看目标和认知情况(正确度)等规定的视觉灵敏度(视功能水平)决定的.对于规定了的作业(限制了视看对象﹑视看速度和观察方式)这样的评价是很有道理的.就是采用工作面(被照面)上降落了多少的光通量来规范,换到计算单位就是照度----每平方米面积上接受的光通量.
　　对这里所说的道路照明(为了避免与机动车道的道路照明混淆,更贴切些说是街道照明),由于视觉对象的多变﹑视觉环境的变动和视线方向的不定,无法统一为一个观察模式.例如,看地面上的障碍物时希望水平面上的光多些----需要的是水平照度;看对面来人的话,希望来人身上(垂直面)的光多一些----需要的是垂直照度.有鉴于此,就这类照明笼统地讲也只能按照路面上接受多少光通量来衡量.我们管不了这些光的方向,只要能落在路面上就可以了.让使用的人更容易了解周围环境中的梗概.
　　这种讲法有时也欠全面,仔细分析在这类区域/道路中上述两种需求往往是同存的﹑同时需要的和相辅相成的,我们既要能看清路面上的障碍物和检起失落在地上的东西,又需要认知对面来人的模样和意图.这就是这类照明场合需要的路灯---街路灯和杆头灯的作用.
　　目前,最简单的处理就是让这类场合的路面上得到均匀照亮需要的照度及其分布,符合照明标准要求的结果.
　　二、路面上照度的计算
　　一个安装高度是H的道路灯A投射在路面上P点的光强Ip(位于采用C,γ坐标系统的Cp和γp的角度上,图中仅是某个C平面上的),见图1.路面上P点的照度Ep分为在三个平面上的,三个平面的法线分别是:
　　·针对光线过来方向(灯具)的方向照度Ep,
　　·垂直于路面的水平照度Ep∥,
　　·平行于路面但垂直于平面APO的垂直照度Ep⊥.
　　三个照度的表式分别是:
　　Ep=Ip/(H2/cos2γ)=Ip·cos2γ/H2--------------------------------(1)
　　Ep∥=Ep·cosγ=Ip·cos3γ/H2--------------------------------(2)
　　Ep⊥=Ep·sinγ=Ip·cos2γ·sinγ/H2---------------------------(3)

　　三、交会区和人行道路上的照明和指标
　　1.交会区域
　　交会区域就是机动车相互间会交会﹑一个与行人﹑自行车或其他道路使用者经常
　　交会的﹑或者道路上的几何构成情况发生改变的区域(如:车道数减少或车行道的宽度减小处﹑停车场和所有的收费口的地方).在这个上区域内机动车辆之间﹑机动车和行人或和自行车﹑或和物体间的碰撞可能增加了.[2]
　　交会区的照明应暴露以下的物体或内容为目标:路缘石和路标(边缘障碍物)﹑道路上的占用者(机动车和行人等运动方向和位置)﹑道路变化的情况(分道和并道)和最后路面的方向.在这类路段的装灯指标是:在长度上如果以希望速度开车5秒还没有照明的话,就需要设置照明设施.这是一个设计原则.
　　交会区的交通组织和情况比较复杂,其照明水平应至少不低于与它相连接的道路上的照明水平,甚至还要高出一级,这就是CJJ45-2006的表3.4.1中照度的数值高出相应道路一个等级的原因.
　　在交会区内主要用平均照度来衡量,因为道路复杂加上交通组成多样,用照度是比较容易测量和计算的,但为了:
　　·与机动车道的亮度指标相衔接,保证路面上光斑的视觉效果;
　　·突出该路段的地位和重要性;
　　使用比较简单的照度与亮度之间的计算,有时是需要的,这样一来仍然能够得到满足实际需要的亮度值的延续:
　　不同路面材料上接受不同方向的光线后获得照度E,根据路面材料的不同反射特性(有水泥路面,反射光线比较接近漫反射分布;有柏油路面,反射光线比较具有镜面反射特征),路面将接受的光线反射出来.不同角度的反射光线若被人眼接受的话就在该角度上产生光斑和亮度L.因此将不同方向的光线产生的亮度L与该入射光线产生的照度E之比就是这个方向上的亮度产生系数q.若将整个半空间中对亮度有贡献的立体角Ωo的q求平均的话,就得到路面的平均亮度产生系数qo:
　　qo=Σq·ΔΩ/Ωo....(4)
　　Ωo的范围见图2.可在有关资料中查到[3].

　　有了路面的平均亮度产生系数qo后就能
　　计算平均亮度.例如:qo=0.07cd/m2/lx是柏油路面
　　(CIE规定的C2类路面)和qo=0.10cd/m2/lx是水泥路面(CIE规定的C1类路面).这样就能够通过:E·qo=L计算可以得到的亮度数值,例如:对柏油路面,qo=0.07cd/m2/lx,如果E=50lx的话,则得到的亮度值是:L=E·qo=50·0.07cd/m2/lx=3.5cd/m2,对水泥路面,L=50lx·0.10cd/m2/lx=5.0cd/m2余类推.这样从定量上可以得到交会区域内大致的亮度数值.
　　同样,该区域内灯具的眩光会影响驾驶员的观察,由于驾驶员的位置不定,视线的方向就没有固定下来,因此在CJJ45-2006上规定了使用的灯具在高角度上的光强限制:80º和
　　90º上的光强分别不超过30cd/1000lm和10cd/1000lm.相当于使用截光型灯具[1].而CIE115-2010上规定了不同照明等级下的灯具的阈值增量TI的数值,该值比机动车道上有所变化,对C0,C1和C2的高速和中速(相当于最高等级)没有变化,TI仍为10%,其它等级的都有所放松,对最低等级的甚至可以降到25%,见表1.

　　2.行人道路区域
　　在这类行人和低速交通的路上,我们既要能看清路面上的障碍物和检起失落在地面
　　上东西,又需要认知对面来人的模样和觉察出来人的意图.为了前者的要求,选择了水平面的照度就可以了,而为了后者必须使用1.5m高度处空间中的的垂直照度[3]或半柱面照度[2].
　　CIE115-2010对行人道路区域的照明要求见表2.

　　垂直照度的含义和计算表述见图1.而半柱面照度的说明如下,见图3:

　　行人的身体和头部都呈垂直的曲面形状,与它最相近的几何体就是圆柱体.为了表达和描述该圆柱体表面上接受的光线的数量,就产生了圆柱体照度的概念,简称柱面照度Ec.从定义得到的计算如下:
　　Ec=入射在该点小圆柱(直径2r,高度h)
　　上的光通量(lm)/小圆柱的表面积(2πrh).
　　从一个灯O的γ方向上光强为I的光
　　线在P点产生的柱面照度Ec为:
　　Ec=I·ω/2πrh
　　式中ω是光源O对小圆柱体所张的立体角.
　　∵ω=2rh·sinγ/OP2
　　=2rh·sinγ/[(H-1.5)2/cos2γ]
　　=2rh·sinγ·cos2γ/(H-1.5)2
　　∴Ec=
　　I·2rh·sinγ·cos2γ/[(H-1.5)2·2πrh]
　　=I·sinγ·cos2γ/(H-1.5)2·π
　　∵P点的垂直照度见(3)式,即Ep⊥=I·sinγ·cos2γ/(H-1.5)2
　　∴Ec=Ep⊥/π
　　即柱面照度是垂直照度的1/π.
　　实际上是根据路上观察的实际情况:只要考虑半个面,后半
　　个面是看不见的,也就是圆柱体的一半,因此表2中用到了半柱面照度
　　Esc的概念.即只要考核半个圆柱体.
　　此时的Esc:
　　Esc=I·ω/πrh=I·2rh·sinγ·cos2γ/[(H-1.5)2·πrh]
　　=I·2·sinγ·cos2γ/[(H-1.5)2·π]
　　=2·Ep⊥/π
　　即半柱面照度是垂直照度的2/π倍.
　　半柱面照度有专用的仪器可以测量,见图4.为了保证仪器始终
　　处于水平状态,上面还有一个测量水平程度的玻璃水泡.

　　四、得到照度均匀分布的路灯----0º和180º平面上的光强分布
　　图1中和式(1)-(3)是计算有一个灯具在路面上某点P产生的水平照度Ep∥的表式,实际上,路面的照度来自路面上安装的多灯的贡献,系列文章三中已经说明了在计算照度时只需要考虑两个相邻路灯的作用[3],因为(2)式表明的路面上的水平照度Ep∥随距离的增加导致的cos3γ的减少而快速衰减.
　　两个相邻的路灯1和2的配光肯定是一样的,两灯之间的照度就是各自的照度迭加.为了在路灯之间得到的照度均匀分布,图5示出了一种照度均匀分布的单灯照度分布形式.这种形式既能得到均匀的照度分布又比较容易分析.数学表式见(5),最后得到路灯应该有的光强分布.

　　式中的X是横轴上的流动坐标,n是一个大于零的数.
　　研究内容最简单的就是每个路灯在C=0º和180º平面上的光强分布,见图6.然后在图5中选择一种路面照度分布的曲线.该照度分布类似一族葱头,我们不宜选择图中偏上或偏下的曲线形式,因为这类分布的照明效果对形成路面上看清物体需要的可见度是不利的.而且在光学系统的设计上十分复杂甚至于不可能,因此取中间部分的曲线较好.为了计算方便和说明问题,往往选择照度随距离的增加而减少的递减配光比较容易处理,见图5中的斜直线.

　　从(5)式中取n=1就是递减配光的表式(6).
　　E=2(1-X/S)…………….(6)
　　由于是相对计算,可将(6)式取为E=1-X/S
　　据此,假设路灯的安装高度是H=1个单位时,路灯的配光是:
　　I=E·cos3γ=(1-X/S)cos3γ
　　计算对不同的S/H情况下进行,在S/H=3.0时,
　　上式为:
　　I=(1-tgγ/3)/cos3γ
　　对I求极值:dI/dγ=0,可得最大光强所在的γ角.
　　有γ=64.9º.从而得到如图7所示的配光曲线.

　　对S/H≠3.0也可类似得到相应的解.
　　该光强分布形似蝙蝠翼,往往称为蝙蝠翼
　　配光.因此,灯具具有这类形状的配光是对路面上
　　得到等照度分布是有利的.
　　五、其它平面上的考虑
　　上面说明的灯具配光采用的光度坐标系统是C-γ系统,结合道路的实际情况.在灯具没有安装仰角时,C就是是灯具在C=0º和180º平面上的光强分布,该平面就是沿道路轴线的方向的,也就在某个车行道的方向上.那么,对其他平面上的分布应该怎样的呢?
　　为了简化这个问题,可看路灯配光分布的另一个坐标系统:B-β系统,见图8.该系统的不同B平面在路面上得到的交线就是沿道路方向不同的的轴线,即车道中的车行道线..这样一来,车行道中照度的处理方法实际上就可以参照第四节中完全一样的办法进行.
　　因此,灯具在不同B平面(图8中的B1和B2平面)内的配光就是研究该平面内灯具的配光与路面相交后在道路表面上的交线pp’上的照度分布.显然,该配光类似蝙蝠翼形式的配光(请注意是B-β系统表述时的B平面上的配光,会与C-γ系统中C平面内的配光略有不同),就可以在路面上得到均匀的照度分布.

　　参考资料
　　[1]GB50034-2004建筑照明设计指南
　　[2]CIE115-2010机动车和行人交通的照明
　　[3]CJJ45-2006城市道路照明设计标准
　　[3]章海骢,全面理解道路照明和道路照明标准三:照度和亮度的认识和计算.低碳照明杂志
　　2010/No.4.P6.