材料论文道路交通标志反光材料的应用研究.doc

道路交通标志反光材料的应用研究学号:6150809004 姓名：李冰月摘 要 随着我国经济的急速发展，公路特别是高速公路作为快捷的运输方式也正飞速的发展起来，随着公路建设的发展，标志越来越受到人们的重视，交通标志提供的是一种无声的语言，通过道路者的视觉认读来获得信息。在白天，有太阳光提供充足的照度，使交通标志都具有良好的视认性，而在夜晚，交通标志要保持和白天一样的视认性, 主要是依靠标志面上的反光材料来实现， 所以反光材料性能的好坏直接决定了交通标志在夜间的作用和功能，反光材料的设计也成为交通标志设计的重要一环。 关键词：交通标志；反光材料；视认性；逆反射第1章 绪论1.1研究背景 中国正处于经济快速增长时期，城市化的进程发展迅猛。 近 10 年来，我国机动车保有量一直处于快速增长趋势，年平均增长率在 20%以上；其中特大城市汽车保有量年平均增长率在 15%以上。截至 2011 年底，全国机动车保有量为 2.25 亿辆，其中汽车 1.06 亿辆；全国机动车驾驶人达 2.36 亿人。汽车占机动车的比率首次超过摩托车，中国机动车结构由摩托车为主向汽车为主转变。全国 14 个城市的汽车保有量超过 100 万辆。 大量的人口和车辆涌向城市，一方面城市道路的建设速度远远滞后于机动车增长的速度以及城市居民出行通勤的需求，另一方面，“重建设，轻设施”的旧观念极大地制约了交通设施发展，很多道路交通标志和标线还停留在上世纪七十年代的发展水平，无法满足现代交通环境下驾驶者的安全需求，如何利用先进的设施材料来保障城市交通的安全和畅通，已经成为当下迫在眉睫的任务和课题。 1.2研究的目的和意义图 1-1 是驾驶安全视距的模型，也是交通标志对驾驶行为干预的过程分析，整个过程包括发现标志，识别标志，决定行动，开始操控，操控完成。根据影响因素的不同，可以把它分成 A, B 两个阶段。B 阶段，包括驾驶者决定行动，开始操控和操控完成，这三个步骤主要是由驾驶者本人的自身状态和车辆性能来决定时间长短和距离长短。发现标志，识别标志两个步骤我们统称之为 A 阶段，则主要由交通标志的设置和设计的合理性决定。通过对城市交通环境的研究，选择合理的反光材料，让 A 阶段的时间和距离最小化，让驾驶者及早判别形势，作出反应，减少事故发生，这就是本次研究的目的和意义。图1-11.3现有设计思路近几年，随着反光材料制造科技的发展，市场上出现了大量不同品牌，不同结构的反光材料，其产品性能也不尽相同，这就需要对这些材料进行合理选择。在交通标志的长期使用过程中发现：某些交通标志在刚刚建设完成后具有很好的反光效果，但是经过两、三年的使用后，标志面就逐渐出现褪色、剥落、反光亮度降低等问题，极大地影响了标志的视认效果和使用功能，容易引发交通事故。本着对标志使用寿命的考虑，以及符合建设节约型社会的要求，有必要对反光材料的选择进行重点考虑。第2章 反光材料特性研究2.1反光标志膜的光学原理和结构 反光标志是在反光标志膜上涂以图案而成。反光标志膜是一种逆反射材料,也叫作定向反光材料。它的特性是,当光照射在膜上时,它能向光源反射回光亮的光束。也就是说,当汽车灯光照射反光标志时,标志就会向汽车反射回光束,从而使司机清晰地看到标志图案,以便及时采取措施,增加夜间行车的安全。目前,在工业发达国家的主要道路上广泛使用了反光标志。他们已生产折射率2.15以上的玻璃微珠,并且在研制折射率2.62.7的玻璃微珠。他们制造的反光膜,大部分是包入透镜型反光膜,即玻璃微珠前面的介质是树脂。此外,还制造出密封透镜型反光膜,它比上述反光膜的反光更亮,使用年限更长,但价格较高,现在尚未广泛使用。我国研制和使用反光标志为时不久,1974年,我们与协作单位首次研制成功正刮工艺反光标志膜,用它做成道路标志牌,在北京、辽宁等地区的公路上使用,效果良好。1977年我们与协作单位又研制出生产正刮工艺反光标志膜的机器,并开始小批量生产反光膜。此后,我们对反光标志膜继续进行研究,主要是研制新型反光标志膜,试制特高折射率玻璃微珠,研究反光标志膜的光度测量方法和仪器等。各项研究都已取得较好的进展。反光标志膜是一种逆反射材料,它主要是由单层、珠后面的反光层组成的。在这里,每个玻璃微珠相当于微型球透镜,由于它的折射作用和它后面反光层的反射作用,形成了光的逆反射。即在反光膜上不论光是正人射还是斜人射,反射光都成亮锥形返回光源。如下图所示 图2根据上面所述的光学原理,结合所用原料的性能,按照不同的使用要求,反光膜的结构有以下几种。(1) 玻璃微珠前面的介质是空气,后面的介质是粘合剂,.玻璃微珠与反光层极接近。这时玻璃微珠的折射率可为1.92.0。玻璃微珠与反光层可以是点接触(如图3),也可以是弧面接触(如图4)。 图3 图4(2)玻璃微珠前面与后面的介质均是树脂,玻璃微珠与反光层要有一定的间隔(参看图2）在这种情况下,玻璃微珠的折射率可为1.9一2.0,但玻璃微珠与反光层基本上是点接触(如图5),如果玻璃微珠的折射率是2.2以上,则玻璃微珠与反光层可以是弧面接触(如图6)。 图5 图6(3)玻璃微珠前面的介质是封闭的空气,采用一般高折射率的玻璃微珠。这样,玻璃微珠与反光层可以是紧密的弧面接触,在反光层的后面有粘合剂层(如图7)。2.2反光材料特性与车速的关系图一是对有关标志亮度与识别距离、安全停车视距、行车速度及标志可读距离的研究成果而绘制的的图表。我们对图一的各个坐标作一说明;横坐标:表示标志材料的逆反射系数值。右纵坐标:表示车辆的行车速度。左纵坐标:表示相对于不同的车速的安全停车距离。即当车辆以某一速度行驶时,驾驶员从看到标志到作出适当反应的最小距离。如车辆以97km/h行驶时,驾驶员应在180m外发现并识别标志,才能有足够的时间采取行动。从图中不难发现,由横坐标的不同逆反射系数值通过图中曲线在左纵坐标中可找到相应的反光膜可读距离,即驾驶员清晰辨认标志的距离。如逆反射系数值为100时,其对应的可读距离为185m,也就是说对于用逆反射系数为100反光膜制成的标志,驾驶员能在185m外看清。若某种反光膜制作的标志提供的可读距离小于安全行车距离,则驾驶员没有足够的时间对标志进行恰当的反应;只有在可读距离大于安全行车距离的情况下,驾驶者才能有足够的时间对标志作出正确的反应。所以,由图一可知工程级标志的亮度为2250,其可读距离在113m155m范围,适用于70km/h85km/h的行车速度。对于高强级标志其亮度为100170,识别距离在185.93m214.88m范围,适用于100km/h111km/h的行车情况。钻石级反光标志的初始亮度为340660,识别距离在243m282m间,适用车速为117km/h128km/h。2.3使用时间对反光材料的影响图二是达到某些厂家担保期限的三者关系,从中也可知其识别距离和对应车速。工程级标志在7年后亮度衰减50%的情况下,适用于56.4km/h72.5km/h的行车情况。高强级标志在第一个10年后,制造商所担保的最小保留亮度为80%。此时相应的识别标志距离为198.12m175.26m,适用行车速度为93km/h105km/h,几乎和新材料时一样。而钻石级反光膜可提供最大的安全系数。甚至在达到制造商所担保的七年使用期,反光膜亮度最低保留为初始的50%时,钻石级反光膜仍然能提供243.8274.3m的标志识别距离,足以满足100km/h的视认性要求。从以上两图可以看出,各种级别的反光膜,由于逆反射性能、耐用性能的不同,在使用过程中有着不同的性能表现。因此,需要根据反光膜的综合性能来评价某一反光膜的适用性。2.4反光膜亮度的持久性下图是三种级别的反光膜初始亮度和达到寿命时亮度。图三是三种反光膜的亮度比较,图四是厂家担保年限内能维持的亮度。可以看出,工程级七年后亮度衰减50%,高强级十年后衰减到80%,而钻石级七年后即使厂家保证最低保留为初始的50%,由于钻石级初始亮度较高,因此七年后仍比高强级亮度要高。所以,在选择反光材料,初始亮度虽然很重要,但同样重要的是,标志材料的亮度必须具有持久性,也就是说,不仅在刚使用时,而且要在使用寿命内能保持良好的反光性能。使标志在整个使用期内保持足够的视认性。做到看得清,看得远。2.5各级反光膜的选择通过以上的分析,工程级反光膜只适用于三、四级公路和交通量很小的低等级乡村公路,当高速公路设计时速达到120km/h,工程级和与工程级相似的反光材料难以满足标志的视认要求,只有高强级和钻石级反光膜制作的标志,才可以达到视认性要求,在高速的条件下向驾驶员提供正确的指路、禁令、警告和指示等信息,充分发挥高速公路快捷,安全的作用。另外从经济上进行比较,根据标志的造价与使用年限比较,底和字全为高强级反光膜比工程级底高强级字在同等的使用条件下更为经济和合理。另外,工程级反光膜与高强级反光膜的亮度对比也由初始时的70250(白色反光膜)衰减为七年后的35200,见图三、图四。所以工程级底和高强级字构成的标志可视性会随着时间的推移而大大降低,可能使高速行驶中的驾驶员错过重要的信息,造成不可弥补的后根据车速来选择反光材料仅仅是注意了车速这一单一因素,其实影响反光膜选择的因素很多,比如说在城市道路,尽管其车速不高,但由于城市灯光的存在使背景变得较为复杂,影响标志的反光性。如若使用反光性不强的工程级反光膜,它的反光极易淹没在城市灯光的泛光下,造成较差的视认性。因此城市道路也应首选高强级或钻石级反光材料。再比如说,在同一道路上,由于标志的位置不同(见图五),四块标志分别设置于路两侧及门架上,一汽车在150m处用车灯探射。由图中数据可知,路右侧的标志反射效果最佳,这也是标志常规设置处。路左侧的标志则次之,约为右侧的22%,此位置不常设标志。门架式标志反射效果最差,当然,一般门架式标志信息较为不重要,如指示“超车道”、“行车道”等。因此,要获得与路右侧标志相同的反光效果,在不增加标志面积情况下,只有选择比路右侧标志所用反光膜更高等级的反光材料。此外,尽管从车速上考虑,交通量较小的低等级乡村道路使用工程级反光膜标志已能满足视认性要求,但对某些特殊地段,如地形复杂的交叉口和受地势影响多雾路段,也应当使用高强级反光材料。综合以上所示,我们在公路建设中标志用反光膜要优先选用高强级和钻石级的反光材料，这样才能保证各方面的性能要求，增强辨识率，减少事故的发生。第3章 案例分析 3.1具体案例 2007 年，广东省惠州市邀请 3M 公司交通安全系统部共同完成惠州市区交通标志改造项目。项目背景： 该项目的背景是随着惠州经济的腾飞，惠州本地机动车增长迅速，同时外地自驾来惠州旅游和商务的车辆也逐年大增，交警支队和市政部门经常接到驾驶员投诉，投诉说在惠州容易迷路，进城找不到办事地点，回家找不到出城道路。 问题的提出： 惠州市区道路中每个交叉路口前都设置有标准的车道指示标志和指路标志，应该说硬件设施的设置还是到位的，但为什么这些设施没有给驾驶者提供应有的帮助和服务呢？我们要解决的问题有2个： 1. 驾驶者看到了这些标志吗？ 2. 驾驶者看清了这些标志吗？ l 原因分析： 1. “看得到“的问题 惠州市地处珠三角腹地，经济发达，夜间道路存在很多对视认效率产生影响的光源，如 LED 商业广告牌、路灯、景观灯饰，商家招牌。即使不在中心城区，交通标志也容易淹没在这些干扰光源中，如图 3-1，而交通标志采用的是玻璃珠技术的工程级反光膜，反光亮度低。我们现场对这块指路标志进行了亮度检测，检测结果如图 3-2，平均亮度仅为1.53cd/，远低于国际上要求的最低亮度要求 3.2cd/。反光亮度如此之低，又处于如此复杂的干扰背景下，这些标志很容易被驾驶员忽视和错过。 图3-1 图3-22. “看得清“的问题 （1）由于惠州市区的道路绿化茂盛，为了避免绿化对指路标志的遮挡，所有的指路标志都是采用悬臂结构，净空为 5.5m，如前分析可知，在近距离阅读标志时（150m 以内），悬臂标志所获得的车灯亮度只为右路肩标志的 18%，标志的亮度进一步降低，延长了驾驶者的阅读时间和阅读准确性。 （2）经统计，投诉的驾驶者以大型物流货车司机为主，大型车辆由于驾驶眼高的原因，驾驶者看标志的观察角比小轿车更大，看到的标志亮度也比小车更暗，玻璃珠的反光膜本身就不具备良好的大观察角性能，导致标志的亮度进一步降低，延长了驾驶者的阅读时间和阅读准确性。 3.2建议改善方案： 全面更换市区指路标志的反光膜材料，采用超强级反光膜，主干道和大型车辆行驶比例较高的路段建议采用全棱镜的钻石级反光膜，以提高夜间交通标志的显著性和识读性，解决“看得到”和“看得清”的问题。4. 总结通过以上内容分析讨论，总结以下各种标志反光膜的选择使用。（1）指示标志、指路标志指示标志、指路标志要求避免底和字同时使用超高亮度反光膜而引起的眩光现象。常用的指示标志、指路标志包括如下几种：a) 高速公路 / 市区主要道路：绿底 + 白字 / 边框 =高强级 / 超强级 + 水晶级；b) 市区主要道路：蓝底 + 白字 / 边框 = 高强级 / 超强级 + 水晶级 /CF（广角）；c) 国道、省道 / 市区一般道路：蓝底 + 白字 / 边框 =高强级 / 超工程级 + 超强级 / 高强级；d) 标志内的红色标识 = 水晶级 (1 级 ) / 超强级。（2）禁令标志禁令标志：白/蓝底+红边框=高强级/超强级(2级)+超强级 / 水晶级 (1 级 )，禁令标志要达到最佳的视认效果和判读效果。（3）警告标志警告标志：黄底 + 黑符号 / 边框 = 水晶级 (1 级 ) /超强级 / 高强级（市区），警告标志要求达到最佳的视认效果和判读效果。（4）导向标志导向标志：绿底 + 白字符 / 边框 = 水晶级 (1 级 )+ 水晶级 (1 级 )/ CF（市区），导向标志要求使用超高亮度反光膜以引起注意。（5）旅游标志旅游标志：