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邹吉平照明行业

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重识道路和隧道照明中亮度与照度的关系

1. 道路照明历史进展

人类试图照亮户外道路已千年之余,历史上依次出现过木材取火、蜡烛、油灯、气灯、碳弧灯、白炽灯等道路照明方式,即使象汞灯、低压钠灯、高压钠灯、荧光灯等现代光源也将面临着被半导体固态照明所淘汰的威胁。在机动车辆盛行之前,道路照明最初目的是减少夜间罪犯率,而当今的道路照明则是以保证交通安全,降低夜间交通事故率为目的[1]。从20世纪20年代开始,欧美国家就开始采用“照度标准”科学地进行道路照明设计与计算;自CIE No. 12.2《机动车交通道路照明的建议》于1977年出版以来,路面亮度的概念在道路照明设计标准中起到了重要作用,西方发达国家也因此在80年代就开始采纳“亮度标准”来更科学地进行道路照明设计;美国人Adrian1989年提出了小目标可见度模型STV (Small Target Visibility), 并得到业界的认同,因此,“可见度标准”于 2000年写进了美国道路照明标准RP-8-00 [2,3]

按照“照度标准”设计的道路照明在美国被称为“刷地照明”,这类似我国称呼的洗墙灯照明,因为这种照明方式是不考虑照射到地面上的光线是否为可用之光,是否是有意义的光或是否有必要照射的光。在驾驶员看来,按照“亮度标准”设计的道路照明系统能使得路面均匀可见,能给驾驶员增添信心,但均匀的路面亮度并非意味着路面的障碍物可见度高,所以它并不是一种最利于减少夜间交通事故的有效照明方式。可见度标准在美国及日本已有深入的研究,我国在最近几年里也有人做过相关研究,但对可见度标准的实际可行性,目前在业内尚有争议。

 

2. 我国照明界对亮度标准的认识现状

亮度通常是评价道路与隧道照明质量的主要指标之一,但由于亮度计算或检测都比照度要复杂得多,在照明设计或验收时,亮度指标往往容易被忽视。而国家相关标准与规范也倾向性地把照度与亮度的关系简化为一种跟反射系数有关的转换倍数关系,甚至有人对亮度概念模糊不清,认为照度均匀性就是亮度均匀性,甚至把亮度误认为是照度。如“JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范”中说明沥青路面的照度一般是亮度的15~22倍,水泥路面的照度一般是亮度的10~13倍;笔者在仔细阅读“CJJ45-2006 城市道路照明设计标准” 并对照CIE相关标准时,发现该标准在涉及亮度的章节中出现不够严谨或疏忽之处(如计算公式未考虑灯具安装倾角的影响,规范中的r表中的值乘以1000,而CIEr表却是10000)CJJ45-2006在涉及亮度计算和释义的章节中基本是沿袭CJJ45-1991标准,而CIE在过去20年里不断推出新标准或修订以前旧标准,这使得我国道路标准与国际标准在亮度计算方面的差距增大;国家半导体照明工程研发及产业联盟发布的“LB/T001-2008整体式LED路灯测试方法”于200891日起实施,该标准的附录B说明了采用路面照度均匀度来表征LED路灯的发光均匀度。从这些例子看出,我国照明界对道路照明亮度标准的认识同日新月异的国际标准相比,存在一定程度的脱节或滞后,业界对亮度标准的认识也不够。

在道路照明领域里,亮度与照度之间的关系非常复杂,其复杂的原因是路面的材质对光线的反射不是均匀漫反射,也不是镜面反射,而是一种跟入射光线方向关系紧密的复合反射,其亮度取决于驾驶员的观察方向和光线照射到路面入射角度之间的关系。本文接下来的举例就证实了沥青路面R3的照度与亮度之间的比率可能会小于15(如表2方案2中的照度是亮度的9.3倍),也可能会大于22倍(如表2方案3中的照度是亮度的26.4倍)。对于水泥路面C1,其照度与亮度之间的比率也有可能小于国标推荐的10倍(如表3中的方案2、表4中的方案1和方案2都小于10)。

 

3. 道路照明设计中亮度与照度的差异

照度是指单位面积内受照面(如地面)所接受的光通量多少,但受照面接受光线后,由于其材质的反射特性不同,在各个观测方向上产生的亮度水平出现差异。在道路和隧道照明设计时,如不考虑地面反射特性,可能出现以下情况:在满足照度标准的条件下,只有很少部分的光线反射到驾驶员的眼睛,产生很低的路面亮度,浪费了大量的光通量,电能利用率低。图1为各个方向的入射光线在观察员方向上产生的亮度大小比较(亮度系数)[3]。对于沥青路面R3,当入射光线为35度左右时,光线顺着观察员方向(β=1800)时产生的亮度只有光线逆着观察员方向(β=00)时的47%左右,根据这个原理,采用逆光法进行隧道照明则节能30%以上(如表2的方案2所示)。如根据可见度分析法,逆光照明能产生负对比度,其可见度比普通照明大很多,更节约电能。

1. 观察员在α方向上的亮度系数q(β,γ)立体

国际上采用“亮度系数”来说明道路的反射特性,亮度系数定义为:某一点在某方向上的亮度与该点水平照度的比值。由于亮度与观察者的位置有关,因此CIE规定了标准观察者位置,如图2所示,驾驶员一般注意的区域在前方60~160米处,规定标准观察者的高度为1.5m,观察点在道路上的横向位置是在每条车道的中心线上,此时的角度范围为0.50~1.50之间。图3示意了观察点与亮度考察点及入射光线之间的角度关系,根据亮度系数的定义,可按公式(1~4)进行亮度计算[5~7]

2. 路面亮度考察的区域示意图

3. 亮度计算的各角度关系

L(β,γ) = q(β,γ)E(c,γ)                          (1)

E(c,γ) =                             (2)

L(β,γ) = r(β,γ)                         (3)

r(β,γ)=q(β,γ)cos3ε                              (4)

式中β ——光的入射平面和观察平面之间的角度

γ —— 入射光线的垂直角

c —— 灯具配光曲线C平面内的角度

ε—— 照射到计算点P的光线入射角

Ic,γ)——灯具调整倾角后指向cγ所确定的方向上的光强

r(β,γ)——简化亮度系数

 

4. 忽视亮度标准给隧道照明设计带来的问题

4.1 隧道照明设计实例之一

本节以隧道照明中间段为例,路宽11.4米单向三车道,R3沥青路面,灯具安装高度5.5米,采用两侧交错间距10米的布灯方式,其布灯平面与剖面图见图4所示。为了体现照度与亮度的差别,选择了国产和进口两种灯具,分别计算其路面照度和亮度,以及墙面照度和亮度。方案1采用国产对称型隧道灯(国内多数为对称型配光,且配光性能大同小异),其配光曲线如图5所示;方案2采用进口非对称配光型隧道灯,其配光曲线如图6所示。除了安装角度不一致外,方案2布灯的几何参数和方案1完全相同。采用DIALUX分别对两个方案进行照度与亮度计算,其计算结果如表1所示。

 

 

 

 

 

 

 

7. 进口对称型配光曲线

8. 进口逆光型配光曲线

4. 隧道照明设计实例之一

5. 国产对称型配光曲线

6. 进口非对称型配光曲线

 

 

 

 

 

 

 

 

 


1. 隧道照明设计实例之一计算结果

 

计算值***

路面亮度及照度参数

墙面1

墙面2

光幕

亮度

Lv

备注 / 光通量 / 维护系数 / 效率

Lavg

(cd/m2)

Uo,

Ul

Eavg

(lx)

Emin/Eavg, Emin/Emax

照度

(lx)

亮度

(cd/m2)

照度

(lx)

亮度

(cd/m2)

方案

1

车道一观察员

3.92

0.89

0.96

94

0.701

 

0.592

54

8.66

 

(按ρ

= 0.5

计算)

43

6.81

 

(按ρ

= 0.5

计算)

0.05

国产对称

 

16,500lm

 

73%, 0.7

车道二观察员

3.91

0.89

0.97

0.05

车道三观察员

3.90

0.85

0.96

0.03

方案

2

车道一观察员

7.63

0.68

0.95

91

0.786

 

0.678

57

9.12

 

(按ρ

= 0.5

计算)

54

8.59

 

(按ρ

= 0.5

计算)

0.49

进口非对称

 

16,500lm

 

74%, 0.7

车道二观察员

7.21

0.67

0.97

0.60

车道三观察员

7.12

0.68

0.96

0.74

*** 说明:因CIE140-2000标准在道路计算时,不考虑周边环境影响(如:墙面的反射光线照射到地面后形成的观察员方向亮度),本文各列表中除了墙面照度与亮度计算了反射光线外,路面照度、亮度和眩光结果均未考虑反射。当考虑反射时,路面照度会增加13%左右,但对驾驶员方向的亮度而言,目前尚无相关标准来计算反射光线的影响。

 

4.2 隧道照明设计实例之二

本节以单向双车道隧道的中间段为例,路宽7.5米,R3沥青路面,灯具安装高度5.5米,采用间距10米的中央布灯方式,其布灯平面与剖面图见图7所示。为了体现照度与亮度的差别,选择了进口对称型灯具、逆光(顺光)照明灯和具一款国产对称型灯具(配光曲线同图5),进口对称型配光和逆(顺)光型配光曲线见图7和图8所示。在布灯几何尺寸相同的情况下(其平面图、剖面图、侧面图如图9所示),分别按照方案1(进口对称)、方案2(进口逆光)、方案3(进口顺光)、方案4(国产对称)计算其路面照度和亮度,以及墙面照度和亮度。采用DIALUX分别对四个方案进行照度与亮度计算,其计算结果如表2所示。

7. 隧道照明设计实例之二

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2. 隧道照明设计实例之二计算结果

 

计算值

路面亮度及照度参数

墙面1

墙面2

光幕

亮度

Lv

备注/ 光通量/ 维护系数/ 效率

Lavg

(cd/m2)

Uo,

Ul

Eavg

(lx)

Emin/Eavg, Emin/Emax

照度

(lx)

亮度

(cd/m2)

照度

(lx)

亮度

(cd/m2)

方案

1

车道一观察员

6.01

0.53

0.91

78

0.832

 

0.752

50

7.90

(按ρ

= 0.5

计算)

43

6.81

(按ρ

= 0.5

计算)

0.10

进口对称

16,500lm

74%, 0.70

车道二观察员

6.01

0.53

0.91

0.10

方案

2

车道一观察员

7.87

0.42

0.94

73

0.714

 

0.538

50

8.02

(按ρ

= 0.5

计算)

25

3.98

(按ρ

= 0.5

计算)

0.83

进口逆光

16,500lm

73%, 0.70

车道二观察员

7.87

0.42

0.94

0.83

方案

3

车道一观察员

2.77

0.69

0.58

73

0.714

 

0.538

50

8.02

(按ρ

= 0.5

计算)

32

5.17

(按ρ

= 0.5

计算)

0.00

进口顺光16,500lm

73%, 0.70

车道二观察员

2.77

0.69

0.58

0.00

方案

4

车道一观察员

3.13

0.58

0.75

74

0.589

 

0.304

44

6.97

(按ρ

= 0.5

计算)

34

5.36

(按ρ

= 0.5

计算)

0.01

国产对称16,500lm

73%, 0.70

车道二观察员

3.13

0.54

0.75

0.01

 

4.3 水泥路面亮度结果

由于亮度值与路面材质有直接关系,图8反映了在两条不同材质的车道,在位置靠近时,白天的照度基本一致,但其拍摄的照片显示车道的亮度大小出现明显差别,图8也反映了两条车道对光线的镜面反射系数的差别[4],右边的车道跟光线的入射方向关系较大。本节把4.14.2节设计实例中的沥青路面R3换成水泥路面C1,其他所有设计参数完全不变,并将其计算结果如表34所示。

 

 

 

 

 

8. 不同材质的路面亮度不同

 

 


3. 隧道照明设计实例之一水泥路面计算结果

 

计算值

路面亮度及照度参数

墙面1

墙面2

光幕

亮度

Lv

备注 / 光通量 / 维护系数 / 效率

Lavg

(cd/m2)

Uo,

Ul

Eavg

(lx)

Emin/Eavg, Emin/Emax

照度

(lx)

亮度

(cd/m2)

照度

(lx)

亮度

(cd/m2)

方案

1

车道一观察员

7.96

0.78

0.96

94

0.701

 

0.592

54

8.66

 

(按ρ

= 0.5

计算)

43

6.81

 

(按ρ

= 0.5

计算)

0.05

国产对称

 

16,500lm

 

73%, 0.7

车道二观察员

7.96

0.78

0.96

0.05

车道三观察员

7.95

0.78

0.96

0.03

方案

2

车道一观察员

9.59

0.82

0.98

91

0.786

 

0.678

57

9.12

 

(按ρ

= 0.5

计算)

54

8.59

 

(按ρ

= 0.5

计算)

0.49

进口非对称

 

16,500lm

 

74%, 0.7

车道二观察员

9.61

0.85

0.98

0.60

车道三观察员

9.58

0.81

0.98

0.74

 

4. 隧道照明设计实例之二水泥路面计算结果

 

计算值

路面亮度及照度参数

墙面1

墙面2

光幕

亮度

Lv

备注/ 光通量/ 维护系数/ 效率

Lavg

(cd/m2)

Uo,

Ul

Eavg

(lx)

Emin/Eavg, Emin/Emax

照度

(lx)

亮度

(cd/m2)

照度

(lx)

亮度

(cd/m2)

方案

1

车道一观察员

8.21

0.74

0.94

78

0.832

 

0.752

50

7.90

(按ρ

= 0.5

计算)

43

6.81

(按ρ

= 0.5

计算)

0.10

进口对称

16,500lm

74%, 0.70

车道二观察员

8.21

0.74

0.94

0.10

方案

2

车道一观察员

8.01

0.57

0.79

73

0.714

 

0.538

50

8.02

(按ρ

= 0.5

计算)

25

3.98

(按ρ

= 0.5

计算)

0.83

进口逆光

16,500lm

73%, 0.70

车道二观察员

8.01

0.57

0.79

0.83

方案

3

车道一观察员

6.94

0.77

0.78

73

0.714

 

0.538

50

8.02

(按ρ

= 0.5

计算)

32

5.17

(按ρ

= 0.5

计算)

0.00

进口顺光16,500lm

73%, 0.70

车道二观察员

6.94

0.77

0.78

0.00

方案

4

车道一观察员

6.24

0.61

0.65

74

0.589

 

0.304

44

6.97

(按ρ

= 0.5

计算)

34

5.36

(按ρ

= 0.5

计算)

0.01

国产对称16,500lm

73%, 0.70

车道二观察员

6.24

0.61

0.65

0.01

 

4.4 比较各方案亮度结果发现的问题

比较表1结果,发现国产的隧道灯只能提供足够高的照度,却无法提供足够的亮度,而进口隧道灯不仅照度不错,而且亮度比国产隧道灯高80%之多。比较表2中的方案14,发现在相同的照明条件下,灯具均为对称型配光,进口隧道灯比国产隧道灯的亮度高90%之多。如果拿国产隧道灯具和欧美国家的逆光照明相比,国产灯具提供的亮度只有逆光照明灯具的40%。同一款逆光照明灯具,如按照顺光照明方式安装,则其亮度只有逆光照明的35%。从这些数据可知,忽视亮度标准的道路和隧道照明系统不仅难以达到应有的照明效果,而且可能会浪费一半以上的电能。比较表3和表4发现,进口隧道灯在水泥路面上产生的亮度比国产灯具的亮度高20%~32%(注:如针对水泥路面C1反射特性和本文案例布灯场景专门设计灯具配光,会得到更高路面亮度),这也证实了水泥路面产生的镜面反射不如沥青路面强,对入射光线的方向没有沥青路面敏感。

从比较结果也可看出国产隧道灯与进口灯具的差距,国产灯具的配光较窄,布灯间距较小,很多隧道的布灯间距甚至小于6米。这种过密的布灯方式会在车速增加的情况下,频闪严重超标,有造成交通事故的潜在可能性。尽管我国的相关标准对隧道灯的配光有要求,如“JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范”和“JT/T609-2004公路隧道照明灯具”中提到应采用“宽光带”隧道灯具,但没有说明配光角度的具体数值,这给企业生产、工程设计和招投标都带来迷惑,造成行业内无法正确实施“宽光带”规定的局面。我国在道路和隧道照明标准制定时,多以参照国际上流行的标准为主,借鉴国外的亮度标准制定我国道路和隧道照明标准,但在执行标准的时候却回到了照度标准,这就是造成本文列举的进口隧道灯具提供的路面亮度比国产灯具高近1倍的原因。

 

5. 我国需要研究路面亮度系数吗?

初一看4.3节的比较结果,读者也许会很惊诧,同样功率的隧道灯,在布灯方式、光通量和灯具效率都基本一致的情况下,路面的亮度却有天壤之别。其实不然,从图1所示的观察员在α方向上的亮度系数q(β,γ)立体中可以看出,光线的入射角和观察员的视线方向角之间的关系对路面的亮度大小影响很大,这就要求灯具制造厂家在做光学设计时,需要根据路面的反射特性进行专业的光学设计。笔者在研究的过程中发现,本文使用的进口灯具配光并不是最好的配光,如在其基础上进行优化设计,在同样的设计案例中还能提高R3沥青路面亮度的10%以上(对表2的方案1而言,亮度能达到6.6cd/m2,这比国产灯具在沥青路面上产生的亮度高一倍以上)。国内照明业界对路面的亮度特性关注不够,造成了我国在道路与隧道照明灯具光学设计人员非常缺乏。

欧美国家早在上世纪60年代就开始路面亮度系数的研究,CIE30号文件规定r是由β和tanγ决定,并制成表格,这样r表就完整地反映了路面的反射特性。同时CIE使用平均亮度系数Q0、镜面系数S1S2三个参数来概括路面的反射特性,把干燥路面分成RNC三大类。其中,R系列主要是根据欧洲一些国家如荷兰、比利时、德国等国家的路面样品进行测试得出的,N系列是根据丹麦、瑞典等国家的路面样品进行测试后得出;C系列是CIE和国际道路代表大会常设委员会(PIARC)在1984年的联合技术报告《道路表面和照明》中共同推出[4]

目前,我国没有做过相关路面亮度系数测试,通常采用C1R3来分别计算水泥路面和沥青路面的亮度值,这显然是不够的。对路面亮度系数研究的缺乏使得业界对路面亮度的重视度不够,从国家标准与规范的制定到道路照明设计与施工,从照明设备制造与检测到工程竣工与验收,基本上都是采用照度乘以一个系数转换成亮度的方式。笔者曾多次在做隧道照明设计和投标的过程中提交给业主和设计院亮度计算报表,但遗憾的是,评标小组里面的“专家们”却要求投标方提供照度计算,并按照照度值来评标,采用沿道路中心线增加一个极窄的计算面来计算纵向照度均匀度来替代亮度纵向均匀度。如按照照度标准评价道路和隧道灯具的配光性能,由于进口灯具(或按照亮度标准设计与制造的灯具)在路面上产生的平均照度略低于国产灯具,很可能导致出局的厄运。

我国道路照明产业巨大,据资料统计,2005年,大陆地区具有路灯1500万套,北京、上海、广州的现有路灯都超过10万套,道路照明年耗电量占整个照明耗电比重较大。研究路面亮度系数是关系到我国节能减排与绿色照明的基础性研究工作之一,同时也是关系到我国道路照明产业发展的一件大事。笔者迫切地希望引起我国照明界同仁们的重视,认真考虑与探讨我国是否需要着手研究各种路面亮度系数的课题。

 

参考文献

1.    R. A. Hargroves, B.Sc., A.R.C.S. Road Lighting. IEE Proceedings, Vol. 130, Pt. A, No. 8, 1983(11): 420~441

2.    江湖俊介, 鱼住拓司, 川上幸二等. 关于道路照明能见度的研究——能见度与背景亮度. 走近CIE 26th——中国照明学会(2005)学术年会论文集[C], 2005: 137~140

3.    Pachamonov, Angel and Pachamanova, Dessislava. Optimization of the light distribution of luminaries for tunnel and street lighting. Engineering Optimization, 40:1, 47~65

4.    章海骢. 道路照明中的几个问题. 2006年中国道路照明论坛, 2006: 12~17

5.    周太明. 电气照明设计. 1. 上海:复旦大学出版社,2001186188

6.    CIE Publ. No. 66 Road Surfaces and Lighting. 1984

7.    CIE Publ. No.140-2000 Road Lighting Calculation.

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