试验·研究 | 整车级前照灯照明性能动态测试方法

作者：陈媛媛  张云飞 邢春鸿 李林 易侃 单位：中汽院智能网联科技有限公司

摘  要：

针对汽车前照灯照明性能测试与评价需求，提出一种面向整车级的动态测试方法。首先搭建一套集定位、数采、分析功能于一体的测试系统，结合国家相关法规标准以及中国道路实际情况制定了详细的测试要求、测试场景、测试步骤和测试指标，通过实车试验验证了方法的有效性。结果表明，在现有法规的约束条件下，不同车型前照灯的照明性能表现出了比较明显的差异，实际效果难以满足驾驶员对照明安全的需求。本文提出的方法为基于法规和车辆的新评价规程提供了参考。

当前，汽车行业越来越多地注重保护乘员和行人的安全，特别在夜间或光线不佳的情况下，路况获知变得更为困难，对驾驶员是一个考验，同时，对行人安全也带来了一定的风险。前照灯被看作是汽车的“眼睛”，性能良好的前照灯可以提高夜间的行车安全，使驾驶者在夜间行驶更为轻松舒适，因此，对车辆前照灯的照明性能提出了严格的要求。

目前，已颁布的国家标准仅从配光角度对前照灯照明要求进行了约束，例如：GB 4599-2007[1]、GB 25991-2010[2]、GB 21259-2007[3]分别对汽车用灯丝灯泡前照灯、LED前照灯以及气体放电光源前照灯的配光性能等做出了规定，但这仅是在车灯零部件级别的技术要求。此外，车灯的安装高度、角度等要求也是一个可变范围，如GB 4785-2019[4]。符合标准的车灯安装到整车后，会由于安装位置、调光精度等因素造成照明效果的偏差。尤其是在实际使用过程中，车辆处于运动状态，由于路面、天气、车辆姿态的影响，前照灯的真实照明效果难以得到很好的体现。因此，为了提高道路交通安全，促进企业技术进步，有必要在现有法规标准要求之上对前照灯的整体性能进行更加客观、真实的测试和评价。

1、整车前照灯性能测试进展

国外对基于整车的汽车前照灯照明性能的测试和评价方法研究开展较早。从2003年起，欧洲新车评价程序（Euro NCAP）准备引进灯光评价机制，联合国机动车照明和光信号专家组（GTB）成立了特别工作组开展此项研究，最终由国际照明委员会（CIE）D4部门（交通照明和信号）的技术委会TC4-45与GTB合作完成，并于2010年形成技术报告CIE 188《汽车前照灯系统性能评估方法》[5] 。在该测评方法中，被测车辆处于静止状态，前照灯的位置和角度都是固定的，并没有考虑因车辆运动时车身姿态以及道路起伏等因素造成的影响，真实值与测量值可能存在偏差。

美国公路安全保险协会（IIHS）于2015年8月发布了汽车前照灯的测评规程[6] 。不同的是，IIHS采用了动态测试方法，为了消除车辆悬架差异的影响，同时保证在不同环境、不同位置及其他设施上试验结果的可重复性，该方法在后处理过程中对车辆俯仰角变化造成的数据偏差进行了处理和校正。从2016年至今，IIHS已完成数十款车型的评价，从测试结果来看，优秀率逐年增长，说明该评价机制对汽车前照灯的性能提升产生了积极作用。

另外，美国高速公路安全管理局（NTHSA）在2015年12月发布新的CNAP新车评价规程NHTSA-2015-1119时，也加入了3项与安全有关的前照灯测评内容，然而，该方法依旧采用了静态测评方法，不能完全体现实际的照明效果。不过，该方法首次提到了关于自适应远光灯（ADB）的测试，为ADB技术的发展和完善提供了很好的测试研究数据基础，同时，也鼓励了其他先进照明技术的崛起。

国内机构对前照灯在整车上的照明性能测试方法研究相对较少，中国汽车技术研究中心有限公司于2020年8月发布了C-NCAP中国新车评价规程(2021版)，其中，在照明安全部分，提出了对汽车前照灯展开测评。该方法主要基于CIE TC4-45的研究内容，采用整车级静态室内测试方法。除了各大检测机构，各主机厂内部也有相应的前照灯性能合格检测程序。例如，奇瑞汽车姜舒[7]提到了丰田TSC 3127G大灯配光性能标准方法；北京福田戴姆勒杨文昌等[8]结合照度数据对前照灯装车时实际路面照射效果进行了主观评价方法研究。然而，目前国内仍然缺少一套适合中国国情的动态评价体系，基于此，本文对汽车前照灯照明性能的动态测试方法进行了初步研究，以期对未来的研究提供基础和方向。

2、前照灯整车性能测试方法

2.1 测试系统

本文采用实车动态测试方法对前照灯近光和远光的能见度进行评估。测试系统如图1所示，主要包括3个部分：运动信息采集子系统、照度数据采集子系统以及数据分析子系统。其中，运动信息采集子系统用于采集测试车道在预设坐标系中的位置信息以及相对于坐标原点的高度差数据，并在试验过程中采集被测车辆的行驶轨迹、速度以及俯仰角信息，与GPS时间同步存储。照度数据采集子系统用于采集固定测量点处车辆前照灯的照度数据，同样与GPS时间同步存储。数据分析子系统用于判定当次测试是否有效，根据行驶轨迹计算车辆与测量点的距离，并利用GPS时间同步处理得到前照灯照度与距离之间的关系曲线。通过该曲线来获得被测车辆前照灯在某一特定照度值下可达到的照射距离，用此距离作为前照灯照明能见度的评价指标。

图1 测试系统框图

2.2 测试要求

2.2.1 测试场地要求

测试道路包含直道和弯道两种，弯道的半径为150m和250m，分别测试左弯道和右弯道。为了保证车辆在试验过程中有足够长的加速和减速区间，测试直道长度不少于220m，弯道长度（沿弧线）不少于120m。根据JTG B01-2014《公路工程技术标准》的要求[9] ，设计速度在40km/h、60km/h的车道宽度为3.5m，因此，测试所用的车道线内侧的宽度为3.5m；按照GB5768.3-2009《道路交通标志和标线 第3部分：道路交通标线》[10] 的要求，车道线的常用宽度为0.15m。测试车道示意图如图2所示，其中“x”为测试坐标的原点。由于外部光照会影响测试结果的准确性，因此，试验时环境照度值应小于0.3lux。

图2 测试车道示意图

2.2.2 传感器位置要求

前照灯的主要功能是照亮驾驶员的前方道路，因此，其照明区域应覆盖车辆前方一定距离。由于城市和郊区道路中十字路、T型路等汇流路口较多，且行人、摩托车等目标物不可避免，前照灯的照明区域必须覆盖一定宽度。根据Sullivan and Flannagan (2007)[11] 的研究发现，夜间行人从左侧穿越时发生的碰撞高于右侧，因此本文中的测试方法主要关注被测车辆所行驶车道边缘上的能见度以及相邻左侧车道左边缘上的能见度。图2中①、②、③为照度传感器的摆放位置，直道测试时，测量点①、③的照度值，弯道测试时，测量点①、②的照度值。

传感器测量高度上的照度值应表示可足够、准确地识别前方目标物，过低有可能漏识别，过高则有可能不满足国标的配光要求，且可能影响对向行驶的车辆。CIE 188报告中指出，0.25m是符合人体平均身高的腿的中点高度，是辨别行人的最低高度，并且SAE J2829[12] 中也表明，照射高度达到0.25m时足以看清障碍物，因此传感器放置在距离地面0.25m的位置上。

2.2.3 被测车辆要求

被测车辆应装配符合国家强制性要求的前照灯，测试前需要测量车辆前后轴荷并计算车辆总质量，并将此重量视为整车整备质量。试验设备安装在车辆副驾驶一侧的位置上，在安装试验设备后应进行配载，配载后须满足公式（1）的要求：

M+G+T+P=(M+200)×(100%±1%) （1）

其中，M为整备质量，G为驾驶员质量，T为测试设备质量，P为配载质量，单位都为千克。同时为了尽可能减小设备安装后车辆车身高度下降带来的影响，应调整配载的分布，使得在包含驾驶员的情况下，车辆4个车轮轮眉的下降高度差保持在0.003m之内；若调整配载后无法满足该要求，则保证车辆前后轴负载率与满油空载时负载率之间的差值小于1%。

图3 车辆照准确认

由于车辆出厂后可能受到人为因素的调整，车辆前照灯的照准可能改变，在测试前需要确认是否符合国标要求，如图3所示。

2.2.4 有效性要求

为使测试数据尽可能真实地反映被测车辆前照灯的实际照明水平，提高测试数据精度并保证测试的可重复性，在测试过程中车辆、设备须满足以下几个要求：

（1）测试开始后，被测车辆的速度保持稳定，整个测试过程中速度的偏差在±2km/h范围内；

（2）调节方向盘使被测车辆的纵向中心线时刻保持在测试车道中间，车辆前缘中心点与车道中心线之间的横向距离保持在±0.1m范围内；

若单次测试不满足以上要求的任意一条，则本次测试无效，需重新进行。

2.3 测试场景及步骤

2.3.1 测试场景

测试场景包括近光灯场景和远光灯场景2种，每种灯光类型都在表1所列的工况下进行测试，总共需要进行3次有效测试，其中速度65km/h仅适用于具有自适应前照灯的车辆。表1 测试工况

2.3.2 测试步骤

测试按照以下步骤进行：

（1）试验前，被测车辆位于平坦的车道上，车辆前缘中心点与测量点之间的纵向距离大于220m或弯道长度大于120m，开启车辆的近光灯或远光灯；

（2）被测车辆加速到40km/h或65km/h并维持，当纵向距离等于220m或弯道长度达到120m时，试验正式开始；

（3）被测车辆逐渐靠近并越过测量点；

（4）当被测车辆后缘越过测量点2s后，试验结束。

3、测试实施及结果分析

3.1 测试实施

按照测试要求和测试程序，本文完成了6款车型的测试试验，其中3、5、和6号为轿车，1、2和4号为SUV，并且1、4号为自主品牌车型，其余为合资品牌车型。图4为某车型的试验现场照片，在试验完成后通过后处理程序进行数据处理得到照度—距离（车辆前照灯与照度传感器之间）曲线。在实际驾驶中，可以检测出目标物的必要照度值取决于许多因素，例如目标物的大小、相对背景的对比度、驾驶员视野以及驾驶员的对比敏感度和视力等。最常见的用来评估低对比目标物照度距离的单一照度值是3lux[5,13] 。而对于动态测试，由于车距变化和设备不准确会产生更大比例的影响，选择的阈值越低，测量的难度就越大。因此本研究选择5lux作为能见度的度量，比3lux值测量得更加准确，同时也能确保对于更低对比度的障碍物检测也有足够的光线水平。

图4 某车型试验现场

3.2 近光灯测试结果

图5~图7分别给出了6款车型近光灯在直道、弯道上的能见度距离曲线。在车辆逐渐靠近传感器的过程中，测量点处的照度值经历了一个先增后减的过程，5lux距离的选择应在照度达到5lux并可连续维持之上直到进入要求的范围时车辆与传感器之间的最大距离。

 图5 直道能见度距离曲线

图6 半径150m弯道能见度距离曲线

图7 半径250m弯道能见度距离曲线

表2 近光灯5lux能见度距离（m）

表2给出了各测试工况下6款车型近光灯的5lux能见度距离，结合图表数据分析可以发现：

（1）受法规对明暗截止线的要求以及测量距离的限制，直道左侧照度值较右侧偏低的幅度较大，提高该值可以增加对左侧行人的可见度。同时可以看出，照射距离远的前照灯照明宽度不一定大，如车型6直道上的右侧5lux距离达到了60m，而左侧仅不到10m，说明在照明范围的横向与纵向能力上需要一个平衡。

（2）从曲线图看来，弯道上左弯道的最大照度值分布范围要高于右弯道，而从表中的平均值来看，右弯道的5lux能见度距离则高于左弯道，由此可见并不是前照灯可达到的照度值越大能见度就越好。对比同一工况下不同车型的数据也可以得出此结论，如车型6在250m右弯道的最大照度值明显高于车型4，而其5lux距离却比车型4低了超过20m。

（3）虽然都装配了符合国家配光标准的前照灯，不同车型的5lux能见度距离差异仍比较明显。从表中可以看到，各工况下5lux能见度距离的最大差值都超过10m，而差值的最大值将近40m，说明不同车辆近光灯的实际照明效果悬殊较大。作为夜间驾驶最常用的照明灯，对行车安全的影响也是巨大的。

（4）按照本文所用的前照灯照明性能测试方法，从整体结果来看，车型2近光灯的性能相对最差，车型3相对最优。

3.3 远光灯测试结果

图8~图10分别给出了6款车型远光灯在直道、弯道上的能见度距离曲线，表3为相应工况的5lux能见度距离数据。结合图表以及近光灯的测试数据可以发现：

（1）远光灯的5lux照射距离明显增加，弯道上可以增加20-30m，直道上则增达100m，可以有效提高夜间行驶的安全性，但由于中国道路多为双向行驶，远光灯的使用范围受限。

（2）对于远光灯，对于相同半径的弯道，无论左弯还是右弯，5lux能见度距离相差不大，然而针对不同车型时，距离的最大差值仍比较大，都在20m以上。

（3）直道上远光灯的照射距离较远，5lux的能见度都能达到150m左右，对驾驶员来说有足够的可视范围，但不同车型也有明显的差距。

（4）按照本文所提出的前照灯照明性能测试方法，从整体结果来看，车型2远光灯的性能相对最差，车型5相对最优。

图8 直道能见度距离曲线

图9 半径150m弯道能见度距离

图10 半径250m弯道能见度距离表3 远光灯5lux能见度距离（m）

4、结  论

汽车前照灯的照明性能对夜间道路交通安全起到了非常重要的作用，而国家标准法规只对前照灯产品的性能和安全提出了最基础的限值要求，不能满足驾驶员的实际需求。本文提出了一种基于车辆和实际道路照明性能的前照灯动态测试方法，从测试结果分析可得到一下结论：

（1）同样是符合法规要求的前照灯，在实际道路上的照射范围差异明显；

（2）车灯的照度值越大，实际照明效果不一定越好，对夜间行车安全影响较大；

（3）纵向照明距离远的前照灯，横向照明宽度不一定大，对侧向障碍物的辨别效果不佳。

基于上述结果可以看出，整车级测试相比零部件级测试更加接近实际，本文提出的方法对前照灯的真实性能评价具有一定的可行性，在大量的测试数据基础上，结合不同光型、不同场景的权重分配，可以制定出合理的评价指标，形成一套完善的测评方法。参考文献：

[1]GB 4599-2007, 汽车用灯丝灯泡前照灯[S]. 

[2] GB 25991-2010, 汽车用LED前照灯[S]. 

[3] GB 21259-2007, 汽车用气体放电光源前照灯[S]. 

[4] GB 4785-2019, 汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定[S]. 

[5] Commission Internationale de l’Eclairage(CIE). 2010. Performance assessment method for vehicle headlighting systems. Report no.CIE 188. Vienna, Austria.

[6] Insurance Institute for Highway Safety, Headlight Test and Rating Protocol (Version III), [EB/OL] 2018. https://www.iihs.org/ratings/about-our-tests/test-protocols-and-technical-information.

[7] 姜舒.汽车前照灯灯光性能评价方法研究[J].汽车与配件,2015(32):76-79.

[8] 杨文昌,陆云峰,李鼎.前照灯夜间静态评价方法探究[J].汽车零部件,2015(05):47-49+78.

[9] JTG B01-2014, 公路工程技术标准[S].

[10] GB 5768.3-2009, 道路交通标志和标线 第3部分：道路交通标线[S].

[11] SULLIVAN JM, FLANNAGAN MJ. 2007. Characteristics of nighttime pedestrian crashes: Implications for headlighting. Report no. UMTRI-2007-3. Ann Arbor, MI: University of Michigan Transportation Research Institute.

[12] SAE J2829-2016, Adaptive Driving Beam[S].

[13] SULLIVAN JM, FLANNAGAN MJ.2009. Photometric indicators of headlamp performance. Report  no. UMTRI-2009-18. Ann Arbor, MI:University of Michigan Transportation Research Institute.

（原载《西南汽车信息》2023年1期）