CN105488249B - 一种采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，包括步骤：S1、将球坐标下的路面反射表r(β，γ)转换为直角坐标下的路面反射表r(x，y)；S2、根据所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)分析路面特性；S3、结合所述路面特性根据所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)计算道路亮度分布。本发明提供的一种采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，方便地计算单个车道和整个道路的亮度分布，大大有利于分析给定灯具时道路的亮度分布，以及设计等亮度分布的灯具等。
Description
技术领域
本发明涉及道路照明领域，特别是涉及一种采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法。
背景技术
亮度评价方法在道路照明评价中变得越来越重要，但有关亮度的计算工作却十分缺乏。虽然用CIE(国际照明委员会)提供的路面反射表r(β，γ)可以计算道路的亮度分布，但其实际的计算过程却很困难。
在道路照明的评价方法中，亮度评价比照度评价更为恰当，特别是对于高速公路的照明更是如此。这是由于亮度依赖于司机的观察，它与道路交通事故是紧密相关的，而照度只依赖仪器的测量。许多国家已经把亮度评价作为道路照明质量评价的主要方法，亮度的计算在道路照明中变得越来越重要了。
与传统灯具相比，LED可以比较容易地用各种透镜来改变其光强分布，因此LED道路照明可以实现精确的光强分布，从而实现较高的道路照明亮度均匀性，而同时又能够满足一定的照度均匀性，以满足某些道路照明标准的要求。这种现实的可能性大大地增加了道路照明工程对首先满足均匀亮度分布而不是均匀照度分布的需求，这也提高了对LED灯具的道路照明亮度分布计算的要求。但由于其复杂性，这种计算在以前是技术上的弱项，关于照明亮度分布的分析还只能依赖与市售的照明软件，而这些软件的分析只能到有限的结果，而且是不能按设计者的要求进行分析。迄今为止道路照明方面亮度分布计算的文章还极少。
道路的亮度与许多因素相关，包括不同的路面类型，光线的方向，观察者的位置，观察的方向等。为了使得亮度分布的计算规范化，CIE(国际照明委员会)和PIARC(国际道路会议常设协会)规定了标准路面和标准观察条件，这使得亮度计算有了标准。
如图1所示，β为入射面和观察面的夹角，γ是灯具垂线和光线的夹角。简化反射系数表也称为反射表，在此用r(β，γ)表示，下列的表1就是CIE出版的R3路面为例的r(β，γ)表。
表1CIE出版的R3路面的r(β，γ)表
用CIE提供的r(β，γ)表就可以用来计算路面亮度了。但是用r(β，γ)去计算通常是直角坐标下的道路时是很困难的。而且，考虑到r(β，γ)给出的只是道路上某一个点由一个灯具引起的亮度贡献，一个车道的亮度分布还必须考虑许每一个观察点上各灯的贡献之和，加之道路还不止一个车道，可以想象计算将十分困难。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，用于解决现有技术中由于道路亮度分布是基于直角坐标而CIE的反射表却基于球坐标，从而计算十分困难的问题。
本发明提供的一种采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，包括步骤：S1、将球坐标下的路面反射表r(β，γ)转换为直角坐标下的路面反射表r(x，y)；S2、根据所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)分析路面特性；S3、结合所述路面特性根据所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)计算道路亮度分布。
于本发明的一实施方式中，所述步骤S1包括步骤：S11、对所述球坐标下的路面反射表r(β，γ)进行内插处理；S12、计算所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)中相应数据；S13、将道路中每一车道中有亮度贡献的灯具的所述球坐标下的路面反射表r(β，γ)的反射系数相加得到对应点新的所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)的反射系数。
于本发明的一实施方式中，所述有亮度贡献的灯具的贡献值至少为2％以上；所述相应数据包括路面类型、灯具的高度和灯具的间距。
于本发明的一实施方式中，所述步骤S2还包括：不同的所述道路类型对应不同的所述球坐标下的路面反射表r(β，γ)，并根据不同的所述球坐标下的路面反射表r(β，γ)转换为对应的所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)。
于本发明的一实施方式中，所述步骤S2还包括步骤：根据所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)画出路面的所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)的3D曲线图。
于本发明的一实施方式中，所述步骤S2还包括步骤：取所述3D曲线图中对应车道的2D 曲线图，并根据所述2D曲线图分析对应车道在车道延伸方向前后的灯光亮度衰减情况。
于本发明的一实施方式中，所述步骤S3还包括步骤：S31、计算单个灯具对道路亮度分布的贡献；S32、计算单个车道的道路亮度分布；S33、计算整个道路的道路亮度分布。
于本发明的一实施方式中，所述步骤S31还包括：根据公式：将灯的极坐标下的强度分布I(θ)转换为灯的直角坐标下的强度分布I(x)；其中θ为光线与灯具法线反向的夹角，H为灯具安装高度。
于本发明的一实施方式中，所述步骤S32还包括：单车道的亮度正比于反射系数和光强的乘积；所述单车道的亮度分布的计算公式为：L(x)＝∑C·(r(x，0)·I(x))/H2。
于本发明的一实施方式中，所述步骤S33还包括：所述整个道路的亮度分布的计算公式为：L(x，y)＝∑C·(r(x，y)·I(x，y))/H2；其中，作为初级近似计算，C为常数。
如上所述，本发明具有以下有益效果：方便地计算单个车道和整个道路的亮度分布，大大有利于分析给定灯具时道路的亮度如何分布，以及如何设计等亮度分布的灯具等。
附图说明
图1显示为路面反射的角度关系示意图。
图2显示为本发明采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例的流程方框图。
图3显示为本发明采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例的路面r(x，y)表的3D曲线图。
图4显示为图3中y＝0时的2D曲线图。
图5显示为本发明采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例的R系列沿路方向的反射系数示意图。
图6显示为本发明采用直角坐标路面下的反射表计算道路亮度分布的方法一实施例的R系列垂直道路方向的反射系数示意图。
图7显示为本发明用直角坐标路面下的反射表计算道路亮度分布的方法一实施例极坐标下的强度分布图。
图8显示为本发明用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例转换后直角坐标下的强度分布图。
图9显示为本发明用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例单车道 上单个灯具贡献的亮度分布图。
图10显示为本发明用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例单车道上单个灯间距内的由五个灯具引起的各自的的亮度贡献图。
图11显示为本发明用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例单车道上单个灯间距内的亮度分布图。
图12显示为本发明用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例整个单车道的亮度分布图。
图13显示为本发明用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法一实施例整个车道的3D亮度分布图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2所示，本发明提供了一种采用直角坐标路面反射表计算道路亮度分布的方法，包括步骤：S1、将球坐标下的路面反射表r(β，γ)转换为直角坐标下的路面反射表r(x，y)；S2、根据所述直角坐标路面反射表r(x，y)分析路面特性；S3、结合所述路面特性根据所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)计算道路亮度分布。坐标原点位于灯具的正下方，x方向指向沿道路的方向，y方向则垂直于道路。
进一步地，所述步骤S1包括步骤：S11、对所述球坐标下的路面反射表r(β，γ)进行内插处理；S12、设定所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)中相应数据；S13、将道路中每一车道中有贡献的所述球坐标路面反射表r(β，γ)的反射系数相加得到对应点新的所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)的反射系数。在本发明一优选实施例中，所述相应数据包括路面类型、灯的高度和灯的间距。
为了在处理中不损失精度，我们首先对r(β，γ)表进行内插处理，本实施例中，用五个节点的线性内插就可以保证精度。这样就得到了一个步长更小的更为精确的r(β，γ)表，具体结果不 在此给出。然而，此表还是以β和γ为自变量，并非我们所希望的表。然后，给出一个自变量为直角坐标的x和y的r(x，y)表，其x和y的范围及步长就如表2所示。表2是路面类型为R3和10米灯高为例的r(x，y)表。
表2R3路面H＝10m的r(x，y)表
进一步地，所述步骤S2还包括：不同的所述道路类型对应不同的所述球坐标下的路面反射表r(β，γ)，并根据不同的所述球坐标下的路面反射表r(β，γ)转换为对应的所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)。由于此时，当路面类型、灯的高度、灯的间距都是已知，表中每格的x和y值也都固定，因此每点的β和γ也已知，只要对每一车道中对有贡献的灯具在该(x，y)点的r(β，γ)中的反射系数相加就是被观察点新的(x，y)点的反射系数。路面的类型和灯具的高度都是有限的几种，因此，需要计算的r(x，y)也是有限的几个。
进一步地，如图3所示，所述步骤S2还包括步骤：根据所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)画出路面的所述直角坐标下的路面反射表r(x，y)的3D曲线图。
本实施例中，直角坐标下的路面反射表r(x，y)是在笛卡尔系统中的，这使得我们可以比较容易的画出直角坐标下的路面反射表r(x，y)的3D图，而这在以前是比较困难的事。图3给出了R3路面直角坐标下的路面反射表r(x，y)的3D图形。图中的x和y就是道路的坐标，从图中可以清楚地看到直线道路的反射系数分布。这一个图包含了道路的整个反射性质，可以初步体现直角坐标下的路面反射表r(x，y)的优越性。
进一步地，如图4所示，所述步骤S2还包括步骤：取所述3D曲线图中对应车道的2D曲线图，并根据所述2D曲线图分析对应车道在车道延伸方向前后的灯光衰减情况。图4显示为图3中y＝0时的2D曲线图。由此可见，图4包含了计算y＝0那个车道上亮度分布所需 要的所有数据。图4中曲线的峰值不在x＝0而是位于x＝12附近。而且曲线向右衰减得快，向左衰减得慢。这表示对同样的灯具同样的距离时，前向光(x＞0的灯发出的光)比后向光(x＜0的灯发出的光)反射得更多。这也意味着计算道路亮度分布时，相等后方的灯而言，前方较远处的灯也有贡献。对R3路面30m的灯间距，由分析知道，计算路面某点的亮度时，一般取前向4个灯后向1个灯即可。在y＞0的其他车道上，与图4相比，曲线的数值不同但其趋向类似。
上述实施例均以R系列路面的R3路面为例。在本发明中，不同材料路面的直角坐标下的路面反射表r(x，y)可以按照上述的方法得到。例如对R系列的路面包含四个路面类型：R1，R2，R3和R4。图5表示了R系列的四种路面在r(x，0)时的变化情况。如图5所示，不需数字分析从图5我们就可以得到有价值的结论，即路面材料对反射系数影响非常大，R1和R2类路面的方向性不强(前向和后向光的反射差别不大)，而R3或R4路面有很强的方向性。有了直角坐标下的路面反射表r(x，y)后，垂直于道路方向上反射系数的变化规律也易于得到。如图6所示，图6给出了R路面系列在垂直于道路方向上r(12，y)的变化规律。四条曲线随y的变化趋势类似，但R1的数值较大，这给垂直于道路方向上的亮度分析提供了基础。
进一步地，所述步骤S3还包括步骤：S31、计算单个灯的道路亮度分布；S32、计算单个车道道路亮度分布；S33、计算整个道路道路亮度分布。
其中，所述步骤S31还包括：根据公式：将灯的极坐标下的强度分布I(θ)转换为灯的直角坐标下的强度分布I(x)；其中θ为光线与灯具法线的夹角，H为灯的高度。
用直角坐标下的路面反射表r(x，y)可以使得直线道路上的亮度分布的计算大大简化。如图7所示，图7给出了我们设计的一个灯具极坐标下的I(θ)分布的例子，不难给出I(θ)的数学表达式，它可以由图形模拟得到，也可以由描述灯具光强分布的IES文件得到，在此我们将不给出其具体数学表达式。有了I(θ)分布，就可以用公式计算亮度分布。计算后的光强分布I(x)如图8所示。
进一步地，所述步骤S32还包括：单车道的亮度正比于反射系数和光强的乘积，路面的高度y＝0；所述单车道的亮度分布的计算公式为：L(x)＝∑C·(r(x，0)·I(x))/H2。H为灯具安装高度，求和则包括所有能射到该点的灯具，对确定道路来说C是常数，由于本文只关心相对亮度，我们不必给定C值。
由于亮度是正比于反射系数和光强的乘积，即路面上亮度为r(x，0)I(x)，如图9所示。这就是单个灯具在单车道上的亮度分布。这里约定坐标x为灯具离开观察点的距离。由图9可 以看到前向光(x＞0)的贡献明显大于后向光(x＜0)。这是一个由于引入直角坐标下的路面反射表r(x，y)而轻易知道的一个灯具在直线道路上引起的亮度是如何分布的，这是十分有价值的结果，下面我们将看到，有了它我们就不难得到所有灯在路面所有点的亮度分布了。
设灯间距为30m，则由图9可以估算得正向第4个灯(120m远)对观察点的亮度贡献只是最大贡献的2％，若灯间距缩小为25m，则第4个灯的贡献也只有最大贡献的3％。这样我们可以得到在道路亮度计算中的重要结论：只需考虑正向4个灯方向1个灯就有足够的精度了。考虑到R3路面是反射方向性较强的路面，而且y≠0处的反射系数更小，因此，可以放心地把这一结论用在其他路面和其他车道其他灯间距。
对于一个较长的直线道路，每两个灯具间的亮度分布都是相同的，我们只需考虑一个灯间距的范围就可以了，上面已经说明，在每个点只需考虑5个灯具。现在我们根据图9，就可以更清楚用图形来表现这5个灯具影响的规律。以灯间距为30m为例，在图10中分别给出了这5个灯在两个灯具间即30m范围内所有观察点的亮度贡献。把图10中的5条线相加就是一个灯间距间的亮度分布了，结果显示在图11中。图11中显示此灯具单车道的亮度均匀性约为91％。
整个车道约240m范围内的亮度分布见图12，其实图12就是图11的8次周期性重复。在图12中可以看到亮度周期性的波动，这种波动是间距式灯具照明不可避免的，但图中10％的波动是比较小的。如果有严重的波动，就会形成影响交通安全的所谓“斑马线”，而这种斑马线是可以在灯具设计时计算出来得到数字的结果，用于进一步分析，具体方法就不在本发明中描述了。由此可见，有了直角坐标下的反射表r(x，y)，我们就可以得到如图9所示的单灯在单车道上的亮度分布。再把此分布分成5段，我们就得到了如图10所示的5个有贡献的灯具在一个点间距内的亮度。把此5条曲线向加就得到了如图11所示的一个灯间距内单车道的亮度分布，它就是整个车道的亮度分布。以上这一图形化表现的过程清晰连贯。
I(θ)和I(x)描述的是单车道的强度，对多车道的道路，灯具的光强分布可改为用两个自变量的函数I(x，y)。这样公式应改为：L(x，y)＝∑C·(r(x，y)·I(x，y))/H2。如何得到I(x，y)呢？我们已经有了垂直于路面的反射系数分布，R3路面的结果见图6。我们可以用此分布来作为由I(x)扩展为I(x，y)的依据。简单地说，由于r(x，y)比r(x，0)小，如果希望道路的亮度L在整个道路上都均匀，只有I(x，y)比I(x，0)大才行。作为初级近似，我们可以用下式求得I(x，y)： 这样，就可以把上面单车道的亮度计算结果扩展到多车道。用简单的程序不难得计算到整个道路上的亮度分布。仍然以R3路面为例，结果显示在图13中，在此例中整个亮度均匀性约为85％。
综上，本发明把CIE的反射表r(β，γ)改造成直角坐标下的r(x，y)表，结果由于和路面坐标一致，这一改造的效果使得道路亮度计算十分便利。
现有技术中某些亮度分布可以用商用软件来进行，但商用软件局限性较大，没有数字结果，也不能根据用户需求而变化。相对于商用软件，本文对亮度的分析更为形象、系统和深入，还可以得到更实用的图形化的结果，而且本文的量化的计算方法是普通设计人员都不难掌握的。
本文的前提是直线道路，但由于实际上绝大多数道路都是直线的，因此本文的结果的应用范围的非常广的。
对不同的灯高，应该有不同的r(x，y)表，但由于实际上的灯具的高度只有有限的几种，如8m，10m，由于本文的方法是一般光学工程设计人员都易于掌握的，可以用编程来更简化计算过程，因此这也没有对设计带来很大的影响。
由于计算道路的亮度变得容易了，这样就可以方便地修改LED的光强分布从而得到设计者要求的亮度分布。而有了光强分布则可以计算透镜的形状。这将大大加快等亮度分布的照明灯具的设计进程。这将是更为重要的应用，但有关内容已不在本文的范畴之内。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将球坐标下的路面反射表r(β,γ)转换为直角坐标下的路面反射表r(x,y)；
S2、根据所述直角坐标下的路面反射表r(x,y)分析路面特性；
S3、结合所述路面特性根据所述直角坐标下的路面反射表r(x,y)计算道路亮度分布。
2.根据权利要求1所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述步骤S1包括步骤：
S11、对所述球坐标下的路面反射表r(β,γ)进行内插处理；
S12、计算所述直角坐标下的路面反射表r(x,y)中相应数据；
S13、将道路中每一车道中有亮度贡献的灯具的所述球坐标下的路面反射表r(β,γ)的反射系数相加得到对应点新的所述直角坐标下的路面反射表r(x,y)的反射系数。
3.根据权利要求2所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述有亮度贡献的灯具的贡献值至少为2％以上；所述相应数据包括路面类型、灯具的高度和灯具的间距。
4.根据权利要求3所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
不同的所述道路类型对应不同的所述球坐标下的路面反射表r(β,γ)，并根据不同的所述球坐标下的路面反射表r(β,γ)转换为对应的所述直角坐标下的路面反射表r(x,y)。
5.根据权利要求1所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括步骤：
根据所述直角坐标下的路面反射表r(x,y)画出路面的所述直角坐标下的路面反射表r(x,y)的3D曲线图。
6.根据权利要求5所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括步骤：
取所述3D曲线图中对应车道的2D曲线图，并根据所述2D曲线图分析对应车道在车道延伸方向前后的灯光亮度衰减情况。
7.根据权利要求1所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括步骤：
S31、计算单个灯具对道路亮度分布的贡献；
S32、计算单个车道的道路亮度分布；
S33、计算整个道路的道路亮度分布。
8.根据权利要求7所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述步骤S31还包括：
根据公式：将灯的极坐标下的强度分布I(θ)转换为灯的直角坐标下的强度分布I(x)；
其中θ为光线与灯具法线反向的夹角，H为灯具安装高度。
9.根据权利要求8所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述步骤S32还包括：
单车道的亮度正比于反射系数和光强的乘积；
所述单车道的亮度分布的计算公式为：L(x)＝∑C·(r(x,0)·I(x))/H2，C为常数。
10.根据权利要求9所述的采用直角坐标下的路面反射表计算道路亮度分布的方法，其特征在于，所述步骤S33还包括：
所述整个道路的亮度分布的计算公式为：L(x,y)＝∑C·(r(x,y)·I(x,y))/H2；
其中，作为初级近似计算，C为常数，I(x,y)为采用两个自变量的函数，用于表示灯具的光强分布。
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| CN105488249A (zh) | 2016-04-13 |
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