特约专稿丨详解道路动态测量方法

2018-02-24
  【中国网特约专稿】(作者:叶荣南   中国北方工业厦门公司)道路动态测量方法及设备一直都是业界重点关注和研究的方向之一。近年来,路面测量相关标准都有新进展,其中,对道路现场亮度均匀度和眩光指标,如何通过动态测量软件、技术设备实现动态测量?具体到驾驶过程,又该如何应用?本期文章,叶荣南教授将从人因工效学的原理出发,详解《道路的动态测量方法》,并以驾驶员的观察姿态来进行全过程、全方位地检测路面质量。也希望给业界同仁带来启发与思考。
 
第一部分:浅析道路的动态测量方法:
 
  1、道路的测量指标应该是路面亮度和眩光而非度。
 
  1.1、路面度人眼根本无法感受,人眼感受到的是路面亮度和眩光。 
 
  1.2、路面上一点只有一个度值,却具有多个亮度值,它与观察者的位置及视角有关。同样,也具有多个眩光值。所以,应该全方位、全过程进行测量。
 
  1.3、标准上规定在某一特定点测量整个路面亮度,并以此代表路面质量是不够严谨的,是以偏概全。应该全方位、全过程进行测量。
 
  1.4、路面度和路面亮度不具有简单的换算关系,标准上的相关提法也是不严谨的。应该直测量路面亮度和眩光。
 
  1.5、近年来,路面测量相关标准的进展:
 
  1.5.1. 国际委员会技术文件
 
  CIE115-2010[机动及人行交通道路]中指出:”目标的可见度与路面亮度水平和亮度分布有关,路面亮度水平决定眼睛的适应程度,总体而言,由背景亮度引起的眼睛适应程度越高,眼睛就越敏感,因而视觉表现越好。路面是最重要的背景,其亮度而不是度决定眼睛的适应程度。因此,路面亮度是很重要的质量指标。”
 
  CIE115-2010 还指出; “选择机动车道路的质量指标的方法通常是基于亮度概念,一些国家仍使用度,但经验已经表这不是一个令人满意的指标。在应用亮度概念时,目的是提供一个亮的路面,在此背景下,目标轮廓可见,因此使用路面亮度水平、亮度均匀度和眩光作为质量指标。”
 
  CIE115-2010还指出:”提供好的路面亮度和均匀度,同时充分的眩光控的评价方法已经被国家和国际标准所受。数十年来使用这些指标的经验表他们提供了一个令人满意的道路设计基础。”
 
  上述可见, CIE在2010年已经确指出:道路应该用亮度,亮度均匀度和眩光作为评价指标。
 
  1.5.2. 我国的相关标准
 
  4年后,我国JTG/T D70/2-01—2014【公路隧道设计细则】所提的指标只提路面亮度及其相关指标,不提路面度指标。这是完全符合人因工效学的理念。由上可见,我国在对道路的认识是紧跟世界潮流的。
 
  而后,CJJ45-2015【城市道路设计标准】关于道路评价指标中指出:“规定把亮度作为道路的评价系统,即以亮度为依据定道路标准。这是由于机动车驾驶员行车作业时,眼睛直感受到的是路面亮度,因此以亮度为依据定标准更为科学合理。目前国际委员会和世界上多数国家也都是以亮度为依据定道路标准。”
 
  CJJ45-2015【城市道路设计标准】还指出“规定的亮度评价系统的各项评价指标与CIE相关文件中的规定相同,包括平均亮度、亮度总均匀度、亮度纵向均匀度和环境比等指标,眩光限采用阈值增量指标。这样的规定能够全面反映机动车道路的效果评价”
 
  其实,早在2009年,厦门十城万盏专家组就提出了“道路现场动态测量方法”并申请发专利,于2012年获得授权。2010年定厦门市规范“道路现场动态测量方法”;嗣后, 2016年国家半导体产业联盟组织定 “道路现场动态测量方法”行业标准,于2017.9公布实施。
 
  2、道路测量应契合人因工效学原理,
 
  2.1、从人因工效学考虑: 道路主要是为驾驶员服务的,驾驶员感受到的是路面亮度及其均匀度和眩光而非度,见图1和图2: 
QQ截图20180224110616
 
 
  2.2、从人因工效学考虑,应该按驾驶员的驾驶姿势(CIE规定:驾驶员观察视线距地1.5m高,眼朝正前方向下-1°),仿其行驶路线对道路进行测量。
 
  2.3 从人因工效学考虑,应该全过程、全方位地测量路面亮度和眩光;因为在不同车道、不同位置测得的路面亮度和眩光都不一定一样。
 
  2.4、采用道路现场动态测量方法是当前较为先进也是较合理的道路测量方法,它契合人因工效学原理,契合驾驶员的视觉感觉。
 
  1、道路动态测量具体是什么概念?
 
  它实质上是将成像亮度计置于测量车内指定的位置,并以标准观测姿态;仿驾驶员的坐姿、观察视线及按其驾驶路线行驶,以一定的步长连续拍摄路面图像;同时,将路面信息传输至信息处理系统;处理系统依据有关标准的相关规定进行取值、计算;给出路面平均亮度、路面亮度总均匀度、路面亮度纵向均匀度,眩光之阈值增量和亮度环境比等等。必须指出的是,这是全过程,各个方位测量路面的亮度指标,而不是在某一位置测量路面的亮度指标(静态测量位置只是动态测量中诸多测量位置中的一个);更不是测量度指标(路面度驾驶员根本感受不到)。
 
  2、道路动态测量的优缺点:
 
  4.1、优点:
 
  4.1.1、动态测量方法契合人体工效学的需求;符合驾驶员的视觉感觉:
 
  动态测量方法提出了模仿驾驶员的观察姿态,观察路线对道路指标进行全过程地现场动态测量的方法,从而,可以全过程地动态地记录下驾驶员观察到的路面亮度及其均匀度;还可以记录下驾驶员感觉到的最大眩光在何处?有多大?
 
  4.1.2、测量客观、准确、可靠:
 
  动态测量方法比逐点测量法和定点测量法客观,大大减少主观因素的影响,提供的是全过程、不同观察位置的测量数据,因而全面、准确、可靠的多。
 
  4.1.3、快速,不必封锁道路:
 
  往常好几个小时的工作量,动态测量每条车道只要几十秒钟就可以,大大降低光环境随时间变化的影响;而且,不必封锁道路或隧道,人身安全,而且大大节约时间、节约社会成本。
 
  4.1.4、解决了全路面、全方位、连续地测量路面亮度及其均匀度的难题;
 
  4.1.5、解决了全路面、全方位、连续地测量眩光的难题;
 
  4.1.6, 提供的信息量比往常测量提供的信息量多得多,利于客观、完整地评价路面质量,为今后开展道路的评价研究及灯具的光学设计提供客观的依据。
 
  4.2、缺点:
 
  4.2.1,.由于采用成像亮度计,因此需要额外的供电电源。
 
  4.2.2,相机为冷型相机,因此在测量前需要预热一段时间。
 
  4.2.3,测量设备还包含陀螺稳定平台和测量车等,价格昂贵。
 
  4.3. 道路动态测量的难题
 
  4.3.1.需要解决动态测量与静态标准的差异:
 
  4.3.2.动态测量需要提供全过程、全方位的路面信息:
 
  4.3.3.低亮度背景下的动态测量,如何解决“拖影’问题。
 
  4.3.4.如何保障现场动态测量的精度。
 
  动态测量需要解决的难题和他的优点一样突出。 难题的解决就是创新的所在。
 
  为满足驾驶员的需求,动态测量除了提供定点测量中符合相关标准要求的数据外,还要提供模仿驾驶员的观测视线在经过测试路段所看到的全过程、全方位路面信息,用以提供更全面、更完整地评价路面。
 
  3、技术成熟度:
 
  5.1、原理清晰:
 
  如本文第3节所述,它是将成像亮度计置于测量车内指定的位置,并呈现标准观测姿态;仿驾驶员的坐姿、观察视线及按驾驶路线行驶,以一定的步长连续拍摄路面图像;同时,将路面信息传输至信息处理系统;系统依据有关标准的相关规定进行取值、计算,得出我们所需的路面信息。这个原理十分清晰。—模仿驾驶员的观察姿态,观察路线及其感受对路面进行全过程,全方位地测量。它契合人因工效学原理,契合驾驶员的真实感受。
 
  5.2、动态测量方法的 CSA 标准已定并公布实施:
 
  从十城万盏初期,厦门市就定了“道路现场动态测量方法”规范文件,用来指导城市路灯改造工作;
 
  经过多年实践,“道路现场动态测量方法”已逐渐成熟而成为CSA 标准。并于2017.9.12发布实施,标准编号为:CSA044-2017 道路现场动态测量方法
 
  5.3、动态测量软件已开发成功:
 
  这是完全按“道路动态测量方法”的要求,按CIE、JTG、CJJ等相关标准要求开发的软件。
 
  5.4、关键设备精度已具备:
 
  关键设备有:成像亮度计,度计,彩色度计,稳定平台及承载汽车等。
 
  5.4.1.成像亮度计的亮度测量精度已达:≤3%;
 
  5.4.2.度计的度测量精度已达:≤1.6%;
 
  5.4.3.彩色度计的度测量精度已达:≤1.6%;
 
  5.4.4.稳定平台的稳定性已达:不确定度 RMSE ≤ 0.05°
 
  综上结果:道路车载动态测量设备的测量不确定度可达到:RMSE ≤ 10%
 
  具体可见各项第三方检测报告。
QQ截图20180224111810
 
第二部分:国内外同类技术设备比较:
 
  1,国内外同类技术设备案例;
 
  1.1、国外涉足道路动态测量的厂家有:德国,美国等;其中以德国Technoteam较为成熟.
 
  国外能够实现道路眩光的厂家主要有德国Technoteam;
 
  Technoteam开发的LMK-mobile是基于单反相机和适马镜头进行道路眩光测量,在道路测量时可以将设备安装在副驾驶的位置。
 
  国外最高水平的道路测量设备为德国 TT公司的LMK系列产品:
QQ截图20180224110650QQ截图20180224110650QQ截图20180224112053 
 
  1.2、我国生产的“道路现场动态测量设备”
QQ截图20180224112247
  部分测量设备:
图片2QQ截图20180224112146 
  厦门元谷节能环保集团生产的道路现场动态测量设备从人因工效学的原理出发,以驾驶员的观察姿态来进行全过程、全方位地检测路面质量。并依据CSA、CIE等标准文件的要求,通过运算给出道路的各项动态测量指标。
 
  1.3、测量案例:
 
  1.3.1、测量系统示意图:
QQ截图20180224110723
 
  1.3.2、道路测量:
QQ截图20180224112528 
 
  测量结果图表:
 
QQ截图20180224112603
  道路等级:快速路/主干路(低档)
 
  路面材质:水泥混凝土路面
 
  评估区域:35m ×7.4m
QQ截图20180224110817
  ※还有其他测量结果如度、色度等;(略去)
QQ截图20180224110847QQ截图20180224110901QQ截图20180224110916
  1.3.3、隧道测量:
QQ截图20180224112927QQ截图20180224111425※ 还有隧道不同路段的各项指标,共50多页,略。
 
  2.  国内外设备性能指标比较
 
  2.1、在技术标准方面:
 
  2.1.1. 国际上没有专门用于“道路现场动态测量方法”的标准文件,
 
  近年来CIE文件中只是出现了“多个观测点测量”的要求,如:
 
  CIE132-1998有“要求计算多个观察者位置的LV”;
 
  CIE140-2000介绍亮度LV和眩光的计算之后,有“…从上述观察者的初始位置开始计算,然后观察者以与亮度计算相同的步长和点数向前移动,反计算,得到一系列TI值,其中最大者即为所求的”。
 
  由此可见,CIE在重视测量姿态之后,开始意识到需要按步长多点测量。
 
  EN13201-4-2003【性能计算方法】则更进一步提到了动态测量——“道路的性能可以通过动态车载测量系统考察。动态测量和静态测量的主要区别为:
 
  —动态测量的测量点更多;
 
  —在动态测量中,观察者和布点可能很难或无法达到EN 13201-3中的相关要求。”
 
  显然,欧洲专家已经重视道路动态测量的问题,但对动态测量的应用前景却感到悲观,这影响了动态测量的发展;
 
  其实,在动态测量中,可以获得全方位状态下的测量信息,其中涵盖了定点静态测量信息,在这些信息中可以通过定位测距系统将这个静态测量标准中规定的“标准点”所测得的测量值给以准确地提取出来。这样,两种状态(静态与动态)的测量结果可以同时呈现;这种定位测距方法已有发专利发布,可满足其相关要求。
 
  2.1.2. 厦门“十城万盏”产业联盟2009年编写了“道路现场动态测量方法”,申请发专利,2012年获得授权。
 
  2.1.3 . 2016年由国家半导体产业联盟组织起草标准“道路现场动态测量方法”,于2017.9发布实施。
 
  可以说:我国在关于道路现场动态测量这方面理论的探讨在国际上是不落后的。CIE文件中只是提到多点测量,并未推广动态测量方法;EN标准中虽然提到动态测量,但是结论是悲观的,更无具体的动态测量方法。在国际上,在业内普遍存在着只测路面度不测路面亮度的现象;我们基于人因工效学机理,提出现场动态测量方法,并基于此方法研道路动态测量设备,可以现场动态地测量(标准所要求的)亮度、眩光等指标,并依据标准要求自动评定,即时给出信息量丰富的测量报告。获得了实质性的应用。
 
  2.2. 在设备与软件开发方面:
 
  2.2.1, 德国 TT公司的LMK系列产品是国际上在道路测量设备的杰出代表,
 
  其优点如下:
 
  1).采用单反相机作为亮度计,设备成本较低,设备方便携带。
 
  2).可用平板电脑直控相机进行测量,可实时观察路面状况。
 
  3).公司在这一领域研究较早,技术实力雄厚。
 
  缺点在于:
 
  1).不支持动态眩光评价,只能进行静态眩光分析
 
  2). 按道路眩光默认的视场中心为CMOS图像中心,与标准不相符(标准要求:水平向下1°),同时,眩光的取值规则与CIE要求有差别。
 
  3). 即使是静态眩光评价,也很麻烦,需要采用excel 进行额外的控分析。
 
  4)、 没有隧道眩光分析的功能。
 
  5)、没有稳定平台;动态测量时,视轴是不稳定的,被测点是不确定的;测量区域在动态测量视场中随着视轴而变化。而且其测量区域的画法有误。因此,宣称“此设备可进行道路动态测量”实属勉强。
 
  2.2.2,我国厦门元谷节能环保集团有限公司开发的道路现场动态测量设备与国外相比,在设备与软件开发上有如下改进:
 
  改进1.  在道路测量中首先引入陀螺稳定平台, 提出有别于航空瞄准器中陀螺锁定目标的方法,而是采用保持“测量标准姿态”的方法,解决了动态测量时,测量轴的稳定问题.。
 
  改进2.  在动态测量过程中解决了测距和定位问题
 
  以上两点的解决使道路的动态测量具有可靠的基础.
 
  改进3. 软件开发能力的提升:
 
  A,道路测量的软件开发能力主要体现在:适用于动态测量亮度的软件开发,尤其是适用于眩光动态测量软件开发:
 
  B,软件可以在保持标准观测姿态的前提下,自动识别路面测量区域和驾驶员视线稳定在水平向下1°方向,同时还可以一键实现静态眩光分析。
 
  C,软件可以对光源识别和目标定位,自动判断路灯到观察者的距离。
 
  D,软件可以直依据标准实现道路眩光的动态测量和评价。
 
  E,软件有隧道眩光分析的功能。能测出隧道各路段的亮度及其均匀度和环境比等。
QQ截图20180224111020 
 
  我国的测量设备之动态测量性能在国际上也是先进的。表现在能够按CIE等相关标准的要求进行现场动态测量路面亮度及其均匀度;尤其是实现道路眩光的动态测量。并依据标准要求自动评定,而且,可以现场给出动态测量结果和图表。 
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