CC BY
108
УДК 625.7/8
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ДОРОЖНОЙ РАЗМЕТКИ
А.В. Седов, доцент, к.т.н., Т.М. Грищенко, ассистент, ХНАДУ
Аннотация. Дается оценка усиления эффекта световозвращения разметки в темное время суток при использовании стеклошариков, рассмотрены схемы прохождения лучей в стеклошарике. В качестве показателя эффективности световозвращения принята относительная высота зоны отражения.
Ключевые слова: видимость разметки, погодные условия стеклошарики, эффект отражения, угол преломления, сектор отражения.
Введение
Чтобы уверенно и комфортабельно чувствовать себя за рулем, водитель транспортного средства находится в зависимости от контрольных точек для ориентации как на близком расстоянии, так и по всему маршруту следования. Это особенно важно в темное время суток, но также и при плохих условиях видимости (например, в тумане), когда дорогу трудно отделить от окружающей среды. На сложных перекрестках для участников дорожного движения также очень важно суметь правильно определить свое место на проезжей части дороги с помощью контрольных точек для ориентации. Дорожная разметка должна давать такие ориентиры.
Анализ публикаций
Большая часть информации - около 90% - воспринимается человеком при помощи зрения. Именно зрительный анализатор позволяет наиболее полно, быстро, точно и с минимальными затратами энергии получить максимум информации об объектах, не имея непосредственного контакта с ними. Это в полной мере можно отнести и к водителям транспортных средств, и к другим участникам движения: пешеходам и пассажирам. Следовательно, можно сделать следующий вывод: горизонтальная дорожная разметка, впрочем, как и все остальные технические средства организации дорожного движения, должна быть хорошо видимой участникам движения, а информация, заложенная в нее, должна восприниматься однозначно и моментально.
Для разметки применяют различные материалы: специальные устойчивые краски, термопластики, спрей-пластики, термопластичные ленты, холодные пластики и т. д.
В отличие от дневной видимости дорожной разметки, обеспечиваемой рассеянным солнечным освещением, ночная ее различимость имеет ряд специфических особенностей, обусловленных тем, что водители вынуждены различать ее за счет света фар автомобиля, когда световой поток направлен под очень малым углом к поверхности покрытия, при этом приемник света (глаза водителя) находятся в непосредственной близости от источника света. Особенностями ночной видимости разметки являются ее восприятие за счет эффекта световозвращения и значительное влияние погодных условий, а именно - влажности и осадков [1, 2].
Цель и постановка задачи
При попадании света на непрозрачную поверхность (в частности, поверхность линии разметки) имеют место явления его поглощения и отражения, причем, чем выше белизна поверхности, тем большее преобладание имеет явление отражения. При рассмотрении эффекта отражения, кроме цвета, важную роль играет шероховатость (неровность) поверхности. При идеально гладкой поверхности имеет место эффект зеркального отражения, то есть отраженные лучи уходят от поверхности под углом, равным углу падения в противоположную сторону от источника света. Зеркальная разметочная полоса, если бы такая была, ночью при свете фар казалась бы черной. Шероховатая поверхность обладает эффектом диффузного отражения, когда отраженные лучи расходятся равномерно во все стороны от поверхности, при этом часть их возвращается в направлении источника света, то есть в нашем случае - к глазам водителя.
Современные способы улучшения ночной видимости линий разметки основаны на увеличении
доли отраженных лучей, возвращающихся в направлении, обратном направлению освещения, или по другому - усилении эффекта световоз-вращения (или «ретроотражения» - от английского «ге^огеАесйоп») разметочного материала.
Решение проблемы
Наиболее эффективным и широко применяемым методом усиления эффекта световозвращения разметки является использование стеклошариков, которые представляют собой смесь гранул из прозрачного стекла диаметром от 100 до 850 (и более) микрон, имеющих форму поверхности, близкую к сферической. С оптической точки зрения стеклошарик представляет собой сочетание выпуклой линзы с вогнутым зеркалом.
Луч света фар, входит в шарик через выпуклую свободную поверхность, преломляясь на границе «воздух-стекло» в направлении к центру шарика, далее попадает на нижнюю сторону шарика, поверхность которой соприкасается с материалом разметки и поэтому представляет собой аналог вогнутого зеркала, отражается от нее, и через границу «стекло-воздух», преломляясь на ней, возвращается в направлении, практически обратном направлению попадания. Эта схема действует при любом угле освещения, в частности, при геометрии освещения поверхности дороги фарами автомобилей в ночных условиях. Оптимальным с точки зрения обеспечения, как оптических показателей так и устойчивой заделки шарика в материале считают 50%-ое заглубление шарика в поверхность разметочного материала [3].
Расчет плоской схемы прохождения лучей в стек-лошарике можно выполнить по центральному сечению шарика с использованием основных законов физической оптики.
Расчетная схема для стеклошарика радиусом г=1 представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема оптического расчета прохождения луча в центральном сечении стеклошарика
Шарик освещается потоком параллельных лучей, идущих под углом у к горизонтали. Лучи, обеспечивающие эффект световозвращения имеют три характерные точки: Б - точка падения (входа), Я - точка отражения, Е - точка выхода. Описываем угловую координату точки входа углом 9 (против часовой стрелки от положительного направления оси \ОХ\). Декартовы координаты точки входа хБ = соб9 и уБ = Бт9. В точке входа происходит переход луча в среду с другой оптической плотностью (воздух-стекло) и действует закон преломления. Угол падения луча а = 9-у, так как отрезок \ОБ\, являющийся оптической нормалью в точке падения, характеризуется угловой координатой 9.
Угол выхода луча в по закону преломления определяем по формуле в =агс5т(зта /п), где п - коэффициент преломления стекла, в среднем равный 1,5. Длину хорды \БЯ\ первого хода луча в шарике определяем из равнобедренного треугольника БЯО (\ОБ\=\ОЯ\=1) по формуле \БЯ\=2^со8 в. Для определения декартовых координат точки отражения рассмотрим прямоугольный треугольник БСЯ, в котором угол т=9-в. Сторона \СБ\=\БЯ\хсо8т представляет собой смещение по оси X координаты точки отражения относительно точки падения, а сторона \СЯ\=\БЯ\х8шт - смещение по оси У.
Следовательно, координаты точки Я будут определяться по формулам хЯ=хБ-\СБ| и уЯ=уБ-\СЯ\. Если координаты точки Я соответствуют нижней стороне шарика, то в этой точке действует закон зеркального отражения, а именно - луч уходит в обратном направлении под углом, равным углу падения (в), отсчитываемом от нормали, направление которой определяет отрезок \ОЯ\. Длина хорды второго хода луча в шарике \ЯЕ\ равна длине хорды \БЯ\ вследствие осевой симметрии \ЯЕ\=\БЯ\. Для определения декартовых координат точки выхода рассмотрим прямоугольные треугольники ЯГЕ и БСЯ, из которых угол и = р/2-т + 2*в = Р / 2- 9 + 3хв .
Сторона \ГЕ\=\ЯЕ\х81пи представляет собой смещение по оси X координаты точки выхода относительно точки отражения, а сторона |ЯГ\=\ЯЕ\хсо8и - смещение по оси У. Следовательно, координаты точки Е будут определяться по формулам хЕ = хЯ + \ГЕ\ и уЕ=уЯ + \ЯГ\. Если координаты точки Е соответствуют верхней стороне шарика, то в этой точке происходит выход луча с обратным преломлением, причем, так как угол падения снова равен в , то угол выхода будет равен а от направления нормали, определяемого направлением \ОЕ\. Угол наклона выходящего луча к горизонтали ю можно определить из соотношений углов прямоугольного треугольника ЯГЕ по формуле ю = р/2 - и - в + а = 2х9-у-4хв.
Из приведенных зависимостей следует, что размеры сектора шарика, в котором падающие лучи отражаются в обратном направлении, ограничены и зависят от угла наклона падающих лучей и коэффициента преломления материала шарика (рис. 2).
Рис. 2. Схема расположения границ областей видимости в шарике
С одной стороны сектор отражения ограничен падающим лучом, точка выхода которого имеет координаты [+1; 0], с другой стороны, в общем случае - двухходовым лучом, точка выхода которого соответствует верхней границе освещенного сектора освещения (в частных случаях это падающий луч, проходящий через точку с координатами [+1; 0]). Высоту освещенной (видимой) области можно определить по формуле йг,=1+$ту, высоту зоны, где падающие лучи отражаются по описанной выше схеме по формуле
- X*) + 5Ш(Хи-Х),
где Хл и Хо - угловые координаты точек соответственно нижней и верхней границы сектора отражения.
В качестве показателя эффективности световоз-вращения можно принять относительную высоту зоны отражения кН=к0/кь, зависимость которой от угла наклона освещающих лучей к горизонтали и коэффициента преломления изображена на рис. 3.
Угол наклона падающих лучен, град
Рис. 3. График зависимости относительной высоты зоны отражения от угла наклона лучей и коэффициента преломления
Графики для коэффициентов преломления 1,5 и более имеют монотонный возрастающий вид. Для этих графиков характерно, что начиная с некоторого значения угла наклона падающих лучей (86о при n=1,5 и 43о при n=2,0), весь поток падающих лучей отражается в обратном направлении (kh=1). Однако нужно иметь в виду, что падающий параллельный поток лучей после оптических процессов, происходящих в шарике, в отраженной фазе становится расходящимся под некоторым углом, величина которого возрастает с увеличением угла наклона падающих лучей. Приведенный график для n=1,0, соответствующий случаю наличия только сферического вогнутого зеркала, имеет несколько иной вид. Начиная с 30о работает общее условие нижней видимой границы, то есть лучи, падающие в точку [+1; 0], после отражения выходят за пределы зоны видимости, а начиная с 45о, претерпевают двойное (и более) зеркальное отражение и не вписываются в изложенную схему расчета, хотя часть их (а при 90о -все), после отражения будут попадать в видимую зону.
Выводы
Анализ расчетов и графиков позволяет сделать следующие выводы: при любой геометрии освещения стеклошариков имеются отраженные лучи, возвращающиеся непосредственно к источнику освещения и в прилегающую к нему область, что является необходимым условием обеспечения ночной видимости разметки; существенно улучшить эффект световозвращения можно путем создания профилированных линий разметки, имеющих плоскости с углом наклона 30о и более в сторону направления освещения; по возможности, для изготовления световозвращающих шариков следует использовать материалы с высокими значениями коэффициента преломления.
Литература
1. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность
движения: Учебное пособие для вузов. - 3-е изд. перер. и доп. - М.: Транспорт, 1982. -288 с.
2. Петер Мемель. Обеспечение качества разметки
проезжей части в Европе. Доклад на международном семинаре по обустройству дорог. Изд. ф-мы «Сварко», 1985.
3. Вернер Килль. Различимость разметки проез-
жей части дороги в ночное время. Доклад на международном семинаре по обустройству дорог. Изд. ф-мы «Сварко», 1985.
4. EN 1436. Road Equipment. Horizontal Signaliza-
tion. Road marking performance for road users.
Рецензент: В.В. Филиппов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 14 сентября 2005 г.
