整車照燈照明性能試驗(yàn)動(dòng)態(tài)測試方法

摘 要：

為了滿足汽車前照燈照明性能測試和評(píng)估的需要，提出了整車級(jí)動(dòng)態(tài)測試方法。首先，構(gòu)建了集定位，數(shù)采和分析功能為一體的試驗(yàn)系統(tǒng)，并根據(jù)國家有關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和中國道路的實(shí)際狀況，制定出詳細(xì)的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)場景、測試步驟及測試指標(biāo)并采用實(shí)車試驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行檢驗(yàn)。研究表明：不同型號(hào)前照燈照明性能在既有規(guī)定約束下呈現(xiàn)較為明顯差異，其實(shí)際效果很難達(dá)到駕駛員照明安全要求。文中所提方法對(duì)以法規(guī)，車輛為主的新評(píng)價(jià)規(guī)程具有一定借鑒意義。

目前汽車行業(yè)日益重視對(duì)乘員及行人安全的防護(hù)，尤其是夜晚或者光線較差時(shí)路況獲知難度加大，這對(duì)于駕駛員來說是一種考驗(yàn)，但也會(huì)給行人的安全造成一定危險(xiǎn)。前照燈視為汽車的“眼睛”，性能優(yōu)越的前照燈能改善夜間行車安全和讓駕駛者夜間駕駛更輕松自如，從而對(duì)汽車前照燈照明性能有嚴(yán)格要求。

目前，已頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)僅從配光角度對(duì)前照燈照明要求進(jìn)行了約束，例如：GB 4599-2007[1]、GB 25991-2010[2]、GB 21259-2007[3]分別對(duì)汽車用燈絲燈泡前照燈、LED前照燈以及氣體放電光源前照燈的配光性能等做出了規(guī)定，但這僅是在車燈零部件級(jí)別的技術(shù)要求。此外，車燈的安裝高度、角度等要求也是一個(gè)可變范圍，如GB 4785-2019[4]。滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的車燈在整車上安裝時(shí)，會(huì)因安裝位置和調(diào)光精度不同而導(dǎo)致照明效果出現(xiàn)偏差。特別是實(shí)際應(yīng)用時(shí)，汽車在行駛狀態(tài)下，受路面，天氣，汽車姿態(tài)等因素影響較大，前照燈真實(shí)照明效果很難反映出來。所以，為改善道路交通安全和推動(dòng)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，需要在現(xiàn)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)前照燈整體性能做出更客觀，更真實(shí)的檢測與評(píng)估。

整車前照燈性能測試進(jìn)展

國外對(duì)于以整車為單位的汽車前照燈照明性能檢測與評(píng)估方法的研究起步比較早。從2003年起，歐洲新車評(píng)價(jià)程序（Euro NCAP）準(zhǔn)備引進(jìn)燈光評(píng)價(jià)機(jī)制，聯(lián)合國機(jī)動(dòng)車照明和光信號(hào)專家組（GTB）成立了特別工作組開展此項(xiàng)研究，最終由國際照明委員會(huì)（CIE）D4部門（交通照明和信號(hào)）的技術(shù)委會(huì)TC4-45與GTB合作完成，并于2010年形成技術(shù)報(bào)告CIE 188《汽車前照燈系統(tǒng)性能評(píng)估方法》[5]。這種測評(píng)方法，被測車靜止，前照燈位置及角度固定不變，不考慮汽車行駛過程中車身姿態(tài)和道路起伏帶來的影響，其真實(shí)值和測量值之間可能會(huì)產(chǎn)生偏差。

美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（IIHS）于2015年8月發(fā)布了汽車前照燈的測評(píng)規(guī)程[6]。不同的是，IIHS采用了動(dòng)態(tài)測試方法，為了消除車輛懸架差異的影響，同時(shí)保證在不同環(huán)境、不同位置及其他設(shè)施上試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，該方法在后處理過程中對(duì)車輛俯仰角變化造成的數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行了處理和校正。從2016年至今，IIHS已完成數(shù)十款車型的評(píng)價(jià)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)秀率呈逐年上升趨勢(shì)，表明這種評(píng)價(jià)機(jī)制在汽車前照燈性能改善方面起到了一定的積極影響。

另外，美國高速公路安全管理局（NTHSA）在2015年12月發(fā)布新的CNAP新車評(píng)價(jià)規(guī)程N(yùn)HTSA-2015-1119時(shí)，也加入了3項(xiàng)與安全有關(guān)的前照燈測評(píng)內(nèi)容，然而，該方法依舊采用了靜態(tài)測評(píng)方法，不能完全體現(xiàn)實(shí)際的照明效果。不過，該方法首次提到了關(guān)于自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈（ADB）的測試，為ADB技術(shù)的發(fā)展和完善提供了很好的測試研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)，也鼓勵(lì)了其他先進(jìn)照明技術(shù)的崛起。

國內(nèi)機(jī)構(gòu)對(duì)前照燈在整車上的照明性能測試方法研究相對(duì)較少，中國汽車技術(shù)研究中心有限公司于2020年8月發(fā)布了C-NCAP中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程(2021版)，其中，在照明安全部分，提出了對(duì)汽車前照燈展開測評(píng)。該方法主要基于CIE TC4-45的研究內(nèi)容，采用整車級(jí)靜態(tài)室內(nèi)測試方法。除了各大檢測機(jī)構(gòu)，各主機(jī)廠內(nèi)部也有相應(yīng)的前照燈性能合格檢測程序。例如，奇瑞汽車姜舒[7]提到了豐田TSC 3127G大燈配光性能標(biāo)準(zhǔn)方法；北京福田戴姆勒楊文昌等[8]結(jié)合照度數(shù)據(jù)對(duì)前照燈裝車時(shí)實(shí)際路面照射效果進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)方法研究。但是我國還缺乏適合中國實(shí)際情況的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系，在此基礎(chǔ)上對(duì)汽車前照燈照明性能動(dòng)態(tài)測試方法做了初步的研究，為今后的研究提供依據(jù)和方向。

前照燈整車性能測試方法

測試系統(tǒng)

本文采用實(shí)車動(dòng)態(tài)測試方法對(duì)前照燈近光和遠(yuǎn)光的能見度進(jìn)行評(píng)估。測試系統(tǒng)如圖1所示，主要包括3個(gè)部分：運(yùn)動(dòng)信息采集子系統(tǒng)、照度數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)。其中，運(yùn)動(dòng)信息采集子系統(tǒng)用于采集測試車道在預(yù)設(shè)坐標(biāo)系中的位置信息以及相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的高度差數(shù)據(jù)，并在試驗(yàn)過程中采集被測車輛的行駛軌跡、速度以及俯仰角信息，與GPS時(shí)間同步存儲(chǔ)。照度數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于采集固定測量點(diǎn)處車輛前照燈的照度數(shù)據(jù)，同樣與GPS時(shí)間同步存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)用于判定當(dāng)次測試是否有效，根據(jù)行駛軌跡計(jì)算車輛與測量點(diǎn)的距離，并利用GPS時(shí)間同步處理得到前照燈照度與距離之間的關(guān)系曲線。利用這條曲線得到被測汽車前照燈照射一定照度值時(shí)所能到達(dá)的范圍，并以此范圍作為前照燈照度能見度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

測試要求

測試場地要求

測試道路包含直道和彎道兩種，彎道的半徑為150m和250m，分別測試左彎道和右彎道。為了保證車輛在試驗(yàn)過程中有足夠長的加速和減速區(qū)間，測試直道長度不少于220m，彎道長度（沿弧線）不少于120m。根據(jù)JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求[9]，設(shè)計(jì)速度在40km/h、60km/h的車道寬度為3.5m，因此，測試所用的車道線內(nèi)側(cè)的寬度為3.5m；按照GB5768.3-2009《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線 第3部分：道路交通標(biāo)線》[10]的要求，車道線的常用寬度為0.15m。測試車道圖示如圖2,“x”是測試坐標(biāo)原點(diǎn)。因外部光照對(duì)測試結(jié)果準(zhǔn)確性有一定影響，所以在測試中環(huán)境照度值應(yīng)該在0.3lux以下。

圖2 測試車道示意圖

傳感器位置要求

前照燈最重要的作用就是照亮司機(jī)前面的路，所以它的照明區(qū)域應(yīng)該要覆蓋汽車前面一段距離。由于城市及郊區(qū)道路上十字路，T型路及其他匯流路口眾多，行人，摩托車及其他目標(biāo)物難以避免，因此前照燈照明區(qū)域須有一定的覆蓋面積。根據(jù)Sullivan and Flannagan (2007)[11]的研究發(fā)現(xiàn)，夜間行人從左側(cè)穿越時(shí)發(fā)生的碰撞高于右側(cè)，因此本文中的測試方法主要關(guān)注被測車輛所行駛車道邊緣上的能見度以及相鄰左側(cè)車道左邊緣上的能見度。圖2中①、②、③為照度傳感器的擺放位置，直道測試時(shí)，測量點(diǎn)①、③的照度值，彎道測試時(shí)，測量點(diǎn)①、②的照度值。

傳感器測得的高度照度值要表示能充分而準(zhǔn)確地辨識(shí)出前方目標(biāo)物，太低則可能漏辨識(shí)，太高則可能達(dá)不到國標(biāo)配光要求并可能會(huì)影響對(duì)向行駛車輛。CIE 188報(bào)告中指出，0.25m是符合人體平均身高的腿的中點(diǎn)高度，是辨別行人的最低高度，并且SAE J2829[12]中也表明，照射高度達(dá)到0.25m時(shí)足以看清障礙物，因此傳感器放置在距離地面0.25m的位置上。

被測車輛要求

被測汽車要組裝滿足國家強(qiáng)制規(guī)定的前照燈進(jìn)行檢測，檢測之前需測出汽車的前后軸荷，計(jì)算出汽車總質(zhì)量，以此重量作為整車整備質(zhì)量。試驗(yàn)設(shè)備安裝在車輛副駕駛一側(cè)的位置上，在安裝試驗(yàn)設(shè)備后應(yīng)進(jìn)行配載，配載后須滿足公式（1）的要求：M+G+T+P=(M+200)×(100%±1%) （1）其中，M為整備質(zhì)量，G為駕駛員質(zhì)量，T為測試設(shè)備質(zhì)量，P為配載質(zhì)量，單位都為千克。同時(shí)為盡量降低設(shè)備安裝對(duì)汽車車身高度降低的影響，要對(duì)配載分布進(jìn)行調(diào)整，使汽車四個(gè)車輪輪眉在含有駕駛員時(shí)降低高度差控制在0.003m以內(nèi)；若調(diào)整配載后無法滿足該要求，則保證車輛前后軸負(fù)載率與滿油空載時(shí)負(fù)載率之間的差值小于1%。

由于汽車出廠時(shí)可能受人為因素調(diào)節(jié)，汽車前照燈照準(zhǔn)也會(huì)發(fā)生變化，檢測之前需確認(rèn)其滿足國標(biāo)要求。

有效性要求

為使測試數(shù)據(jù)盡可能真實(shí)地反映被測車輛前照燈的實(shí)際照明水平，提高測試數(shù)據(jù)精度并保證測試的可重復(fù)性，在測試過程中車輛、設(shè)備須滿足以下幾個(gè)要求：

（1）測試開始后，被測車輛的速度保持穩(wěn)定，整個(gè)測試過程中速度的偏差在±2km/h范圍內(nèi)；

（2）調(diào)節(jié)方向盤使被測車輛的縱向中心線時(shí)刻保持在測試車道中間，車輛前緣中心點(diǎn)與車道中心線之間的橫向距離保持在±0.1m范圍內(nèi)；

若單次測試不滿足以上要求的任意一條，則本次測試無效，需重新進(jìn)行。

測試場景及步驟

測試場景

試驗(yàn)情景有近光燈情景和遠(yuǎn)光燈情景兩種，各燈光類型試驗(yàn)條件均為表1所列條件，共需有效試驗(yàn)三次，車速為65km/h只對(duì)帶自適應(yīng)前照燈汽車有效。表1 測試工況

測試步驟

測試按照以下步驟進(jìn)行：

（1）測試前被測車在平坦車道內(nèi)，車前緣中心點(diǎn)距測點(diǎn)縱向距離超過220m或者彎道長度超過120m時(shí)打開車近光燈或者遠(yuǎn)光燈；

（2）被測車輛加速到40km/h或65km/h并維持，當(dāng)縱向距離等于220m或彎道長度達(dá)到120m時(shí)，試驗(yàn)正式開始；

（3）被測車輛逐漸靠近并越過測量點(diǎn)；

（4）當(dāng)被測車輛后緣越過測量點(diǎn)2s后，試驗(yàn)結(jié)束。

測試實(shí)施及結(jié)果分析

測試實(shí)施

按照測試要求和測試程序，本文完成了6款車型的測試試驗(yàn)，其中3、5、和6號(hào)為轎車，1、2和4號(hào)為SUV，并且1、4號(hào)為自主品牌車型，其余為合資品牌車型。圖4為某車型的試驗(yàn)現(xiàn)場照片，在試驗(yàn)完成后通過后處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到照度—距離（車輛前照燈與照度傳感器之間）曲線。在實(shí)際駕駛過程中，目標(biāo)物必要照度值的檢測可依賴于多種因素，如目標(biāo)物尺寸，相對(duì)背景對(duì)比度，駕駛員視野，駕駛員對(duì)比敏感度及視力等等。最常見的用來評(píng)估低對(duì)比目標(biāo)物照度距離的單一照度值是3lux[5,13]。而對(duì)于動(dòng)態(tài)測試，由于車距變化和設(shè)備不準(zhǔn)確會(huì)產(chǎn)生更大比例的影響，選擇的閾值越低，測量的難度就越大。因此本研究選擇5lux作為能見度的度量，比3lux值測量得更加準(zhǔn)確，同時(shí)也能確保對(duì)于更低對(duì)比度的障礙物檢測也有足夠的光線水平。

近光燈測試結(jié)果

圖5~圖7分別給出了6款車型近光燈在直道、彎道上的能見度距離曲線。當(dāng)汽車逐步接近傳感器時(shí)，測量點(diǎn)照度值會(huì)出現(xiàn)先上升后下降的變化，5lux距離的選擇應(yīng)在照度達(dá)到5lux并可連續(xù)維持之上直到進(jìn)入要求的范圍時(shí)車輛與傳感器之間的最大距離。

圖5 直道能見度距離曲線

圖6 半徑150m彎道能見度距離曲線

圖7 半徑250m彎道能見度距離曲線

表2 近光燈5lux能見度距離（m）

表2給出了各測試工況下6款車型近光燈的5lux能見度距離，結(jié)合圖表數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)：

（1）由于法規(guī)中明暗截止線要求和測量距離等因素制約，直道左照度值比右照度值低得多，增大此值可增大左行人可見度。同時(shí)也能看到照射距離較遠(yuǎn)時(shí)前照燈的照明寬度并不一定很大，比如在車型6的直道中右邊5lux的距離就達(dá)60m，左邊只有10m以下，表明照明范圍橫向和縱向能力需兼顧。

（2）根據(jù)曲線圖，彎道左彎最大照度值的分布比右彎高，從表中平均值看，右彎道的5lux能見度距離則高于左彎道，由此可見并不是前照燈可達(dá)到的照度值越大能見度就越好。對(duì)比同一工況下不同車型的數(shù)據(jù)也可以得出此結(jié)論，如車型6在250m右彎道的最大照度值明顯高于車型4，而其5lux距離卻比車型4低了超過20m。

（3）雖然都裝配了符合國家配光標(biāo)準(zhǔn)的前照燈，不同車型的5lux能見度距離差異仍比較明顯。從表中可以看到，各工況下5lux能見度距離的最大差值都超過10m，而差值的最大值將近40m，表明不同汽車的近光燈實(shí)際照明效果存在很大差異。作為夜間行車中使用頻率最高的照明燈對(duì)于行車安全也有很大影響。

（4）按照本文所用的前照燈照明性能測試方法，從整體結(jié)果來看，車型2近光燈的性能相對(duì)最差，車型3相對(duì)最優(yōu)。

遠(yuǎn)光燈測試結(jié)果

圖8~圖10分別給出了6款車型遠(yuǎn)光燈在直道、彎道上的能見度距離曲線，表3為相應(yīng)工況的5lux能見度距離數(shù)據(jù)。結(jié)合圖表以及近光燈的測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

（1）遠(yuǎn)光燈的5lux照射距離明顯增加，彎道上可以增加20-30m，直道上則增達(dá)100m，可以有效提高夜間行駛的安全性，但由于中國道路多為雙向行駛，遠(yuǎn)光燈的使用范圍受限。

（2）對(duì)遠(yuǎn)光燈而言，對(duì)同一半徑彎道而言，不管是向左彎或向右彎，5lux能見度的距離變化較小，但對(duì)不同機(jī)型而言，其距離最大差異仍然較大，均超過20m。

（3）直道上遠(yuǎn)光燈的照射距離較遠(yuǎn)，5lux的能見度都能達(dá)到150m左右，對(duì)駕駛員來說有足夠的可視范圍，但不同車型也有明顯的差距。

（4）根據(jù)本論文提出的前照燈照明性能試驗(yàn)方法，由總體結(jié)果可知，型號(hào)2遠(yuǎn)光燈性能比較最差，型號(hào)5較好。

圖8 直道能見度距離曲線

圖9 半徑150m彎道能見度距離

圖10 半徑250m彎道能見度距離表3 遠(yuǎn)光燈5lux能見度距離（m）

結(jié) 論

汽車前照燈照明性能對(duì)于夜間道路交通安全起著十分重要的影響，目前國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)僅針對(duì)前照燈產(chǎn)品性能及安全方面提出最基本限值要求，無法滿足廣大司機(jī)的現(xiàn)實(shí)需要。文中給出了前照燈根據(jù)車輛及實(shí)際道路照明性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測的方法，通過對(duì)檢測結(jié)果的分析可以得出一個(gè)結(jié)論：

（1）同樣是符合法規(guī)要求的前照燈，在實(shí)際道路上的照射范圍差異明顯；

（2）車燈的照度值越大，實(shí)際照明效果不一定越好，對(duì)夜間行車安全影響較大；

（3）縱向照明距離遠(yuǎn)的前照燈，橫向照明寬度不一定大，對(duì)側(cè)向障礙物的辨別效果不佳。

根據(jù)以上結(jié)果可見整車級(jí)測試比零部件級(jí)測試更貼近實(shí)際情況，文中所提方法對(duì)于前照燈真實(shí)性能的評(píng)估是可行的，通過對(duì)大量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合考慮不同光型和不同情景下的權(quán)重分配情況，可制定合理評(píng)價(jià)指標(biāo)并形成完整測評(píng)方法。