技术文章 | 设计或性能-谁是目前和未来的前照灯标准的基础

原文标题：Design or performance - base for present and future headlighting standards

作者：Tomasz Targosinski

联合国欧洲经委会(GRE)正在简化照明法规的过程中，目前第一阶段已经完成。第一阶段的主要任务是减少现有条例的数目，根据其功能对法规进行整合，但不改变具体的技术要求。中国的GB标准也在进行类似的过程。刚刚开始的第二阶段旨在进一步简化需求，使它们成为“技术中立的”和“面向性能的”。然而，理解这两个概念并不是完全没有歧义的。这些一般性的想法需要转化为技术规范描述，以确保最低限度的安全决定因素，并作为可重复和明确的实验室测试的基础。这不是一项非常简单的任务，因为目前正在使用的车辆照明和灯光信号系统是根据过去几年的技术实际需求制造的。系统由道路照明功能、信号功能、颜色、车辆位置等一般规则组成。一些实际的应用表现的很好。其他一些会引起怀疑或被批评，例如眩光。新的要求应该代表真正提高安全性的因素。为了准备它，需要正确地定义、理解和使用这个“真正的性能”概念。

在目前汽车照明调节系统初期，在设计相对简单的灯具中使用了低压白炽灯光源。这些年来，技术的可能性受到了极大的限制。确定的功能如道路照明近光和远光，位置灯，方向指示灯(首先是机械的而不是闪烁的)，停止灯等，通过这样的方式，在给定的设计方案的基础上，一步一步地创建了该系统，该系统以明确定义的方式服务于驾驶者，并且驾驶者学会了在实践中使用它。近年来，技术要求已适应于设计。在需求的背景下，有一些基于具体数值和数字假设的数学模型。而制定相关光度量法规时，需要对所用的各类数学模型进行简化，同时要考虑到交通安全各方面的需要。简化的基础是固定和已知设计的设备的可预测行为。测量方法和物理值也同样适用于现有的测量设备，其结果包括准确性、重复性和对现实的充分性。在这种简化和“设计”的基础上进行法规大体框架的建设，这种思路直到现在仍然保持不变。这些年来的主要变化是关于一些细节的，包括关于测量点的数量或调整所需值等。因此，目前的要求仍然是“基于设计”，虽然具体的光度值和数量是测量的。由于语言的关系，测量任何值都是与“性能”含义相关联的。这是因为一些简单的线性度量，如长度、质量或力，很容易直观地进行比较和评估。但是视觉感知由许多高度非线性的因素组成。它们依赖于个体，具有统计分布，如驾驶员的视觉表现、行人在道路上的存在、服装的反射率等。即使可以测量和比较它们的值，这样简单地比较一两个选定值(如给定方向的总流量或强度)并不代表真正的“性能”。

让我们以抛物线设计的光束前照灯为例。它对屏幕上给定的点和相对较大的区域(在角坐标系中转换为发光强度)的照度有很高的要求。这些点(例如50R、75R)代表了给定的平直道路和水平道路的点和区域。照度从屏幕到道路的重新计算值只在路面上产生一定的照度。道路的其余部分也将被照明，但照明方式取决于特定的前照灯设计。它是由抛物面反射器产生的光束模式的给定和可预测的行为的结果，抛物面反射器配备了白炽灯精确定义的几何形状的灯丝，焦距，光通量和大灯尺寸(直径)。因此，屏幕上的光度值所描述的这些要求是“基于设计”的，甚至不直接参考前照灯的设计细节。最后，要求本身只能保证一小部分道路照明或避光的需要。

同样的光度要求可以通过特殊(故意)设计的不同于抛物线设计的前照灯来满足，但可能会以完全错误和不可接受的方式照亮道路。例如，前照灯可以将光发射到所需点的非常小的点上，并且只照亮最低水平的区域(有些区域只有最大的限制，比如眩光区域III或区域I)。从安全和舒适的角度来看，这样的行为是不能接受的。例如，车辆前方25米的区域可能是完全黑暗的。但这些解决方案很可能被视为合法的，因为它们满足“看起来像以性能为导向”的正式要求。长此以往，特定的设计或有意的构建可能会慢慢地让真正适用于实际道路照明的设计成为过去式，这也是目前法规中的“看不见的”缺口。目前，市场对这种“奇特”发明没有特别的兴趣，任何人都不可能尝试将其引入市场。但是，当类似的光分布在技术上可实现时，这些法规会是一扇敞开的大门，允许使用那些价格便宜或有特效却并不安全的装置。

制造商过去(现在也是)有义务严格定义可测量值。决定性因素通常是正式的法律记录。但这些要求有时需要制定者的解释。需求的作者的原始意图可能不清楚和/或可能被忽略。特别是在许多年前就制定了要求，而且这些要求不是不言自明的。在信号灯和功能方面情况十分相似。当灯的大小和形状给定时，信令灯的发光强度是远距离感知的适当量度。第一个装在发光灯泡内的信号灯设计为具有可接受的亮度，但尺寸不是非常小。那一年，灯也被理解为独立的装置，被限制，规则和对称地放置在车辆上。当时没有人想到灯的主要功能将是“装饰”汽车，且这在技术上是可能的。因此，没有对这类发明提出任何限制。今天，我们有可能实现真正奇怪的形状和形式，满足现行法规或标准所包含的发光强度要求。然而，有时很难说装饰功能是否主导信号功能，包括动态行为，如顺序方向指示器或调暗DRL在DI工作期间。例如，目前还没有在每次激活时改变灯的外观的做法，但根据要求它看起来是不被禁止的。车前照灯的外观也可以是“发明”的主题。抛物面前照灯的尺寸受其效率和成本的限制。它的视觉外观也是可以预测的。可见表面的亮度是可预测和可重复的。由于灯的形状很简单(接近圆形或长方形)，通过水平和垂直线的遮挡来确定表面，效果很好。当不同的复杂设计出现在市场上，这样简单的要求变得不那么容易实现，也出现了不同的解释方法。今天是更多的可能性像小型多单元，未来可能会带来更多的创造性的解决方案。

“基于设计”问题的另一个例子是根据车辆类别安装不同的前照灯解决方案(类)的可能性。乍看之下，不同的车辆需要不同的前照灯，例如拖拉机(农用车辆)、摩托车。但更“以性能为导向”的定义需求的基础是车辆的最大(或实际)速度。

显然，对于同一类型的车辆，也可以使用“更好”和“更差”的前大灯等级。此外，很难找到令人信服的“以性能为导向”的理由来证明摩托车对光强度的要求是四轮车的一半，不能认为摩托车比汽车或重型好车开得慢或需要的能见度低。我们要求近光灯光型为对称的，这也很容易受到质疑。摩托车在弯道上会发生倾斜，这点可以在一定程度上解释对称近光灯的要求。在笔直的道路上，由于可能有行人或动物的存在，不对称的近光灯可以在较远的距离上看到正确的路肩。同样，发动机的排气量或功率也不能作为区分车前照灯不同要求的依据。

大量道路照明设备可以理解为允许“性能更好”的设备，而不是“基本”(最低)设备。然而，从“真正的性能”的角度来看，它应该要求最低光度值足够安全。当法规规定前大灯的等级取决于最大车速，并且允许使用与车速相等或更高的“速度”等级的前大灯时，法规才是符合逻辑的。但是，要求在同一高速汽车上可以同等使用的卤素前大灯和HID拥有不同的“性能”，这是随后针对现有需求设计基础的明目张胆的例子。事实上，“性能”的唯一明显标准是与最大速度和停车距离相关的道路照明距离(范围和宽度)。

这些要求的主要期望是保证道路交通安全。然而，目前还没有多少明确的数据能够可靠地说明车辆照明对道路交通安全的影响。很明显，当前大灯是唯一照明设备时，外部建筑区域的事故风险要高得多。有一些间接的数据说明了这种关系。夜间与日间的死亡风险统计数字，清楚地证明了车前照灯的效率。在夜间发生事故的一般风险估计比白天高2倍左右。但以波兰为例，白天发生的每13起事故会出现一起致命事故，而晚上发生的每4起事故会出现一起致命事故。问题是它在多大程度上受到车前照灯的影响。答案并不简单，因为只有部分交通风险在夜间是直接依赖于车前照灯。部分交通活动发生在建成区或由街道照明。深夜，路上的行人和骑自行车的人少了很多，但由于疲劳而发生事故的风险增加了。交通密度亦会随昼夜时间而改变。重要的问题是，夜间照明对事故风险的影响有多大，如何以“性能为导向”的方式来衡量。

有一些间接的尝试来评估这种影响。与80 GRE一起举办的GTB眩光和能见度论坛，对这个问题进行了许多有趣的分析。我们测试了不同前照灯照射的路面范围(图1)。

图1 不同类型前照灯的检测距离

结果表明，近光灯照射距离可达100米，但平均照射距离约为48米。在速度方面，它的响应速度分别为90公里/小时和55公里/小时左右。这是相当清楚的信息，相对于允许的速度，近光实际上不足以用于夜间驾驶，但是驾驶员没有意识到这一点。另一项研究表明，日落后行人死亡事故显著增加，尤其是在秋冬季。

图2   美国行人死亡与月及日、时数的关系

对波兰秋季时间变化前后几天发生的行人交通事故进行了分析，得出了不同的结果。

对夏/冬时间变化前7天和变化后7天发生的事故进行分析。对比非常相似的交通状况，只有一个区别:明亮与黑暗。在建筑工地外会发生较多与行人相关的交通意外。第一部分分析事故发生在日落前一小时。第二部分发生在日落后一个小时。根据地理位置和放学后及下班后交通相对密集的时间，大致分布在16:00-17:30之间。对2013年至2017年的时间变化周期数据进行分析。在这些天和小时，在类似的时间发生8%的事故在日落前，但92%在日落后。这意味着日落之后发生此类事故的风险比日落之前高出12倍。

结论看起来很清楚。在只使用前照灯照明的情况下(通常由于交通状况而使用近光灯)，行人发生意外的风险比白天高得多。近光灯通常不足以照亮道路，使驾驶者在适当的距离看到意外的障碍，并以允许的速度通过。

很难评估失能眩光对这些结果的附加影响程度。眩光发生使能见度下降，最后引起行人事故。造成眩光的车辆通常在事故发生时距离很远，且司机不知道事故发生。

需要考虑的是，除了最低类型批准要求外，还有其他因素影响能见度，如瞄准不当、头灯不清洁或老化、光源不当、光源安装不当等。越来越多的研究间接表明，实际道路状况不容乐观。分析表明，现有的道路交通安全保障体系不足以保证夜间道路交通安全。现有的“基于设计”的需求是问题的重要部分。“以性能为导向”的要求应更多地考虑整个系统，包括验证整车全寿命期内最低质量的有效标准和方法、光源交换、服务维护和定期技术检查(PTI)。

规范性文件描述了用于实验室测试的技术要求。制定和采用政府、联合国欧洲经委会、欧盟委员会等新法规的机构在制定法规和标准时，使用更通用的语言描述来表达全面和定向的期望。语言问题是，这些通用术语对不同的人可能有不同的含义，这取决于他们的个人或业务经验和期望。翻译成不同语言的歧义可能会造成更多的误解。长期以来，“以性能为导向”的需求一直试图用新的、更适合驾驶员感知和安全需求的需求来取代现有需求。修改需求的另一个动机是使技术进步成为可能，而技术进步有时会受到适应过去解决方案的需求的限制。为此，引入了“技术中立”一词。近年来，在汽车照明领域的实践中，不断地对新的解决方案进行改进。它导致了次数不受控制的修改，许多错误，不一致和永久性的世界范围内的不稳定的要求系统的行政负担。这就是GRE(联合国欧洲经委会)简化规章制度的原因，使其基于性能和技术中立。这些行动的发起者是欧洲委员会和一些国家的政府。他们基本上试图简化类型审批的官僚程序。他们没有充分认识到这个问题的复杂性。一方面，制造商批评监管制度，因为它限制了进步和新的发明，但从另一方面，他们肯定会阻止从市场上删除一些广泛使用的解决方案。典型的例子可以是对所有大灯使用自动调平装置的要求的反应，这是比手动调平装置更好的安全解决方案。 人们坚信，当“技术中立”应消除现有障碍时，以“以性能为导向”的方式定义需求应有助于使用新发明，而无需不断改变需求。“以性能为导向”一词用在一般语言中，指的是描述给定的设备(系统)如何独立地采取行动，采取什么行动，采取什么行动。也可能是指一些可以比较的可测量的物理量和价值。因此，在简化照明法规和标准的过程中，存在着误解“以性能为导向”这一基本理念的风险。例如: 垂直屏幕上的照度(或等效发光强度)可以测量和比较。但是为了司机的安全，从给定的距离和速度看到障碍物是很重要的。如上图所示，造成这一问题的因素还有很多，点的发光强度不足以保证安全的可见性。在车辆以外可能出现障碍的所有区域，灯光的整体分布都很重要。因此，它应该适当地表达为可以在统计基础上描述的需要。光度值应与距离相适应，因为物体的角度大小随距离的平方而减小，而照度也随距离的平方而减小。最后，在分母中给出四次方，这对能见度有很大的影响。为了正确定义“性能”，需要理解给定的值对于安全和驾驶员需求意味着什么。从过去和现有的需求中了解的少量因素不能给出适当的结果。简单的日常语言不足以表达如此复杂的问题。这种普遍的期望应该转换成可测量的物理值，对真正的安全负责，并且可以重复测量。这项工作应以坚实的研究数据和先进的专业科学分析为基础。相反，不应该成为那些准备用“政治正确”和“妥协”来寻找语言解决方案的人们的普遍理解的对象。

下一个问题是“技术中立”与“面向性能”的含义不同。这些术语既不是相同的，也不是相互补充或分开的。在“技术中立”之后，要求与性能和安全性无关的值是有风险的。“技术中立”的要求也是来自制造商一方的政治压力的结果，隐藏着“基于设计”的动机。在制造过程的背景下，总是存在着与设计相适应的特定技术。因此，不能忘记，“真正面向性能的”需求有时可能会由于此类技术的内部限制而有效地限制特定的现有技术。违背这一现实可能导致“设计保护”需求，这将被有效地质疑为不“面向性能”的需求。

作为“新”中文需求的基础，一些现有的需求(HID)被修改为语言上的“性能”。我们测试了一些根据现有要求生产的前照灯，如果符合新的建议要求。显然某些设计(卤素灯)不能满足更严格的要求。只有一些现有的技术(HID，一些LED)才能满足修改后的要求。主要的疑问是，是否有可能利用现有的每一项技术来准备完全新的设计，以满足所提议的价值。至少需要利用现有的技术来准备新的设计样本或模拟新的解决方案。语言问题是“技术”一词是什么意思?卤素灯就足够了?光通量是有限的?前照灯的设计是什么?抛物线?投影?反射?其他?

为了更好地理解上述建议的理念，有必要检查这些要求对道路照明和安全意味着什么。为了“以性能为导向”，需要确定给定的安全值意味着什么:能见度、眩光等。例如，为什么提议的50R需要10100张cd和75R 12100cd。这对能见度范围意味着什么?重新计算到路面50米(50R)，它是4.04 lx，但为75米(75R)只有2.5 lx。为什么在50米2.5lx是 不够的2.5 lx或75米为什么不需要4lx?类似的问题还涉及到其他问题，例如，当50R需要超过4lx时，为什么50L需要2.00lx就足够了，而50V需要2.04lx(为什么0.04 lx更多?)道路上的障碍物在50R时比在50L时有两倍高的照度时更不可见吗?如果50米距离(50段)的任何其他地方更小(有多少更小?)那么用1.015lx照亮它就足够重要了?

卤素前大灯的测量结果为75R，从1.77 lx到2.06 lx。与50段的1.0lx相比真的很小吗?或者可能在50段应该是2.0 lx或更多?应该问更多类似的问题。但答案看起来很简单。建议的值几乎是现有Reg的副本。No 123因此是“基于设计的”。小的修改可能是在基于主观感受的语言讨论的基础上提出的。

对于提交给IWG SLR(希腊)的在价值和哲学上相似的新观点，也可以提出类似的疑问。除了一两个最好的技术(例如matrix和ADB)之外，大多数现有的技术都可以被移除，这一点可以被接受吗?或应接受任何现有的技术在今天的形式。这直接关系到安全。20示出的近光通常不足，并且存在从小于20m到超过100m的可能道路照明距离的宽范围。这个范围中的任何一个都不能直接用75R或50R值表示。为了现实和符合技术进步，我们应该提出关于“最佳可获得技术”(BAT)或“最佳可获得和负担得起技术”(BAAT)的问题。但“技术中立”的要求可能仍未得到回应。对于“以性能为导向”的需求，不仅有重要的组件需求，也有基于车辆的需求，例如初始目标和负载相关的调平。

在“性能”和“设计”方面，还有更多的细节引起了类似的疑问，如路面照度分布、分割线的存在、形状和锐度、灯具的亮度、外观表面、对称性等。它们中的每一个都应该小心地转换为明确的“性能”(“属性”)，即建议的值真正负责视觉和信号任务。

文章来自中国国际汽车照明论坛论文集