旋转角对道路交通逆反射材料光度性能影响分析

◎任冠群 陈郸达 王文成

本文从交通标志反光膜的结构、逆反射原理入手，通过对各颜色反光膜的多旋转角测试，用极坐标绘制个色反光膜的逆反射系数随旋转角的变化，并计算相对误差，以此模型来表征反光膜的旋转均匀性。

一、绪论

1.研究背景。

2021年是新中国成立72周年。72年来，我国交通事业跨越式发展，人民出行方式颠覆式改变。特别是公路交通，总里程从建国初的8.08万公里增长至521.65万公里，增长了60倍；高速公路从“零”增长至15万公里通车里程、系统规模均居世界第一；农村公路总里程超过404万公里，其中，100多万公里的公路是最近10年终修建的。根据《道路交通反光膜》（GB/T 18833-2012）有关规定，交通标志大范围采用Ⅴ、Ⅵ类反光膜推荐使用年限一般为10年[2]，这就意味着未来十年（2020-2030年）我国100多万km道路的交通标志需要养护或更换，如果加上前期已修建的但未得到及时更换和养护的公路里程，这个数字将会更加庞大。这将给道路管理和养护部门带来巨大的人力和物力消耗。

2.研究目的和意义。

旋转角是从逆反射体轴上的观察点逆时针测量，在垂直于逆反射体轴的平面上，从观测轴与逆反射轴形成的半平面到基准轴的夹角，-180°＜ε≤180°。

道路交通反光膜是制作道路交通标志牌的重要材料，对该材料的光特性研究保证其使用效果的重要手段，对于反光膜逆反射系数衰减的预测是指导道路交通标志板养护盒更换的基础，我国现使用的技术规范GB/T18833-2012只规定了在0°的旋转角下逆反系数的最低值，其他旋转角下逆反射系数也缺少相关要求，基于上述问题，本论文主要的研究目的在于：得出不同旋转角下反光膜逆反射系数衰变，采用极坐标绘制旋转角与逆反射系数之间的关系，以此来表征反光膜的逆反射角度均匀性，对标志板面的粘贴也起到了一定指示作用。

3.研究现状。

我国的逆反射基础研究相对薄弱，产品的规范以及测试方法主要参照西方国家。道路交通行业使用的产品检测标准当中，我国直到2012年才将旋转角考虑在内。

道路交通标志所采用的的微棱镜型结构的反光膜，在各个测试方向，即不同旋转角ε下，其光度性能可能存在极大的差异。这种差异在标志板粘贴反光膜时，由于粘贴方向的随意性，导致交通标志的实际逆反射效果较差，管养时的测试数据离散性也很大，使用过程中缺乏可靠性。

现阶段在反光膜的生产制备过程中，生产厂商会在样品上做基准标记（沿基准轴方向用箭头标注），表示此方向为此方光膜的最大逆反射系数方向，使用安装或测试过程中需按照此方向进行，否则效果会大打折扣，但在实际操作过程中，受到施工人员、专业技术人员的水平限制，很难完全按照此方向进行施工，目前国内较少有研究各旋转角对反光膜逆反射系数的具体影响，故本文在研究Ⅳ类反光膜逆反射系数衰减规律之余，同时采集各旋转角下逆反射系数的分布，沿不同的旋转角测试出的逆反射系数数值差异不大，表明该反光膜基本各向同性，制作交通标志时可不用考虑方向性。但如沿不同的旋转角测试出的逆反射系数数值差异很大，则表明该反光膜各向异性，使用该反光膜制作交通标志时，应根据其标志的类型和设置位置来考虑反光膜的粘贴方向。

4.研究方法。

采用美国RoadVista932便携式逆反射系数测量仪，模拟自然环境，对美国3M各颜色反光膜进行人工加速老化，对逆反射系数进行跟踪观测，利用观测数据进行综合分析逆反射系数衰减曲线，再于同一时期，对不同颜色反光膜样品进行旋转角变化检测，得出旋转角与逆反射系数的对应关系。主要研究方法如下：

a.每隔5°对反光膜逆反射系数进行测量；

b.0-360°范围内，测量结果用二维极坐标进行表征；

c.计算绝对误差与相对误差。

二、道路交通标志逆反射材料概述

1.道路交通标志反光材料分类。

根据我国标准GB/T18833-2012，《道路交通反光膜》，反光膜按照其光度性结构和用途，分为7种类型。

a.I类，通常为透镜埋入式玻璃珠型结构，称工程级反光膜，使用寿命一般为7年，可用于永久性交通标志和作业区设施。

b.II类，通常为透镜埋入式玻璃珠型结构，称超工程级反光膜，使用寿命一般为10年，可用于耐久性交通标志恶化作业区设施。

c.III类，通常的密封胶囊式玻璃珠型结构，称高强级反光膜，使用寿命一般为10年，可用于永久性交通标志和作业区设施。

d.IV类，通常为微棱镜结构，称超强级反光膜，使用寿命一般为10年，可用于永久性交通标志、作业区设施和轮廓标。

e.V类，通常为微棱镜结构，称大角度反光膜，使用寿命一般为10年，可用于永久性交通标志、作业区设施和轮廓标。

f.VI类，通常为微棱镜结构，有金属镀层，使用寿命一般为3年，可用于轮廓标和交通柱，无金属镀层时也可用于作业区设施和字符较少的交通标志。

g.VII类，通常为微棱镜结构，柔性材质、使用寿命一般为3年，可用于临时性交通标志和作业区设施[2]。

2.逆反射原理。

逆反射是指光线沿着与入射光方向的邻近方向反射，当照射角在很大范围内变动时仍能保持这一特性。逆反射按其反射单元结构可分为两大类。一类是玻璃珠型逆反射。当一束入射光水平入射玻璃珠制成的逆反射材料后，经过系列折射与反射得到一束与入射光平行的反射光，而由于所用玻璃珠粒径很小，所以反射光束的光轴和入射光束的光轴几乎重合，也就是反射光线向光源方向返回。另一类是微棱镜型逆反射，入射光投射到透明的立方体或三棱体上，每一个棱镜逆反射单元具有三个相互垂直的反射面，入射光线经由三个反射表面折射和反射后，出射光按入射光方向平行的返回所示[4]。

三、旋转角对道路交通逆反射材料测试的影响

1.各旋转角下逆反射系数试验方法。

（1）试验设备。

a.RoadVista932便携式逆反射系数测量仪。

b.2.0-360°角度尺。

2.几何角度。

测试采取0.2°观测角，-4°入射角，以基准标记为轴，顺时针旋转每15°测试一组数据。

3.数据处理。

将个各颜色反光膜测试结果绘制于极坐标轴上，得出各颜色反光膜特征图形，图形越接近于圆，说明该反光膜旋转均匀性更好，图形越有凹凸，说明该种反光膜旋转均匀性不好，在进行标志施工时要注意粘贴的方向性。

其中：

Rmax为检测的最大值，Rmin为检测的最小值；

2.不同旋转角下逆反射系数分布。

选取高速公路上使用量最大的Ⅳ类微棱镜型白、绿、黄、红、蓝色反光膜，生产厂家为美国3M公司。

表1是以15°为间隔，各颜色反光膜逆反射系数测量数据。

?

在极坐标下绘制逆反射系数随旋转角变化曲线如图1所示。

图1 不同旋转角下逆反射系数变化图

3.相对误差分析。

从以上数据分析，微棱镜型反光膜在0°和180°时逆反射系数较高，在45°、135°、225°、315°时逆反射系数较低，分别计算各颜色反光膜的绝对误差，见表2。

白色：

红色：

绿色：

蓝色：

黄色：

?

从测试结果和分析可知，旋转角ε对微棱镜型逆反射材料的影响非常显著，由此产生的误差在41%-80%之间，所以，在标志的支座过程中，要尤其注意反光膜文字的剪裁，粘贴的角度，不适当的角度会对标志的视认带来极不利的影响，给交通安全设施管养带来麻烦的同时，也严重影响道路行车安全。

四、结论与展望

1.主要研究成果。

目前国内较少学者研究旋转角对逆反射材料逆反系数的具体影响，本研究做了初步试探，得出了微棱镜型反光膜各旋转角与逆反射系数模型关系，通过分析得出的结论与实际情况一致，给标志安装与质量检测提供了理论借鉴，并对后续新逆反材料的研发提供参考。

2.需进一步解决的问题。

受到作者学术水平及研究条件的限制，本文的研究尚有一些有待加深的空间：

（1）反光材料的厂家、型号众多，本文只选取了使用量最为普及的一类型进行研究，并且得出的结论需要在实际环境中验证，在有条件的情况下，需要对其他品类的反光膜也进行试验，增大数据的采集量，从更加严谨的角度出发，增加研究的可靠性。

（2）逆反射系数的衰减实际上受到使用时间、光照、海拔、温度、湿度等多种因素的影响，单一情况的模拟只适用于特定地区，为增加普适性，应在全国地区开展相关调差研究。

五、展望

目前微棱镜型逆反射材料的核心技术还掌握在美国3M、日本恩希爱等少数国外企业手中，受制于基础科学的发展，我国的光学材料甚至是光学设备都严重依赖进口，国内几个大的光学仪器厂家也仅仅处在购买、模仿阶段，几年前，国家和行业的规范也只是处在翻译国外规范的状态。我国汽车市场活跃，交通压力逐年增加，安全问题日益凸显，在国家强盛的这条道路上，需要更多的人来投入到工业发展的短板上，以前仆后继之势将前路点缀得熠熠生辉。