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从机动车驾驶员的视觉功效角度谈LED道路灯具配光设计

1. 引言

城市道路照明不同于其他一般的户外照明,其功能性,即保障机动车辆及行人安全是道路照明的主要目的之一,因此,机动车驾驶员的视觉功效则成了道路照明灯具配光设计必须考虑的主要因素之一。本刊的姊妹篇“从机动车驾驶员的视觉功效角度谈道路照明”(以下简称“前文”)详细综述了道路照明与机动车辆驾驶员视觉功效之间的复杂关系,本文主要讨论如何从驾驶员视觉功效角度来考虑LED道路灯具的配光设计问题。

 

2 LED道路照明存在的几个照明质量问题

前文中叙述了道路照明及其评价标准体系的历史发展进程,本文采用图表的方式评价了照明质量等级与道路照明发展历史的对照关系(如图1所示),同时也列举了存在的许多的问题。照度标准在我国的LED道路照明灯具配光设计时普遍采用,所以,一般会出现近看均匀,远看(如驾驶员视角)却出现不均匀的斑马效应,也就是说照度测试均匀,却不能满足驾驶员的视觉功效要求。采用照度标准的配光设计可能会出现的另一个严重问题是干燥路面基本均匀,而下雨天的潮湿路面非常不均匀,图2与图3的对比可看出不同灯具配光实现的照明效果对比。图2是照度均匀而亮度不均匀的效果,尤其是潮湿路面时非常不均匀。

 

3. 考虑驾驶员视觉功效的较好配光效果

2. 未考虑驾驶员视觉功效的较差配光效果

1. 道路照明发展历史进程与照明质量评价标准

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


3. 道路照明配光设计中的几个误区

3.1 照度与亮度的关系简单化

对于均匀不透明漫反射材质而言,其表面亮度与照度的关系可以简化为反射率除以圆周率的关系(即),例如,沥青路面的反射率取20%时,路面照度是亮度的15.7倍。但实际上,只有少数材料的反射性能符合均匀漫反射,例如,粉刷墙面的涂料,其墙面平整,且涂料中的石膏粉颗粒的尺寸很小而且粗细均匀。但对于路面材质而言,其材料的组成成分复杂,粗细不匀,有些材质还有反光材料添加剂,因此,其反射性能与标准均匀漫反射差距很大,照度与亮度的关系在某些场景下,可以大于25倍,也可以小于10[1]。我国照明行业中常采用照度均匀性代替亮度均匀性的检测方法缺乏科学根据,在某些情况下,如追求过高的照度均匀性却往往会使亮度均匀性降低[2]

 

3.2 道路照明矩形配光设计

随着LED道路照明的推广,许多非照明专业人士转入LED道路照明行业,他们借鉴了显示器照明的方式(如背投),把道路路面分成一块块的矩形面积,然后每个路灯灯头投射一块矩形区域,从而产生了道路照明矩形配光设计(如图4所示)。这种配光原理是典型的照度均匀配光法,在照度上,很容易实现均匀的要求,当行人在灯下方检测照度或行走时,感受到照度基本均匀,但在远处的驾驶员看来,却在矩形的四个角上产生了亮斑,而灯杆的下方却很暗,这就是斑马效应的本质原因。

4 矩形配光原理图(摘自某地方LED道路灯具规范的意见征求稿)

 

 

3.3 道路照明蝙蝠翼型配光

蝙蝠翼配光在我国LED道路照明行业也广为流传,该称谓的最初原型来源于室内格栅灯盘的配光曲线,十多年前就出现在许多照明厂商的室内照明产品手册上。其配光思想主要是为了得到照度均匀的办公室照明环境,通过采用抛物线型反射器,增加伽马角45度左右的光强值,使两盏格栅灯之间的照度水平达到灯具正下方的照度水平,从而提高照度均匀性。如把该配光特性应用于道路照明中,存在两个问题,其一,最大光强角度一般不够大,绝大多数在50度以内;其二,由于蝙蝠翼型配光的灯具正下方的光强值明显不足,所以该类型配光应用到R3C2路面上时,最多只能得到照度均匀的道路路面,无法保证路面的亮度均匀性。

 

4. 从驾驶员视角功效角度设计道路照明配光

4.1 道路横向配光设计

分析与研究道路照明的横向配光设计,可以提高道路灯具的输出光通量利用效率,简称利用系数CUCoefficient of Utilization),达到节能效果。图5示意了光源光通量到地面可用光通量的衰减过程,无论是传统的高压钠灯,还是新型的半导体白光LED光源的目前技术水平,其光源光效都在120lm/W左右,但计算维护系数、光学系统效率、电源驱动或热损失等,灯具的维持输出流明却只有60lm/W左右。根据国家规范CJJ 45-2006规定的功率密度要求,6车道场景的LPD1.05W/m2,折合成毎瓦光效为28.6lm/W,这说明只需要47.3%灯具输出光通量投射到路面上就轻松达到国家标准了,换句话说,达到国家标准的灯具配光可能有超过50%以上的光通量被浪费了。而且,国家标准中并未规定是否1.05W/m2已经包括周边环境比SR,但从工程实践来看,要满足人行道照明时,多数的道路都增加了人行道灯具,其能源浪费的问题更加严重。所以,进行合理的横向配光设计,可以把路面的28.6lm/W提高到40 ~ 50lm/W,即把利用系数CU0.47提高到0.6 ~ 0.85,从而达到节能30%~80%之目的[6]

6. 仰角对横向配光设计的影响

对于周边环境系数,按照CIE140-2000规定,应该分三种情况考虑:第一,当道路较窄时,即不超过10米时,道路每边按照道路宽度的一半考虑SR;第二,当道路较宽时,即大于等于10米时,SR按照道路每侧5米考虑SR;第三,对于封闭式道路,则需要比较封闭区域内车道两边的净空间宽度和以上两个规定宽度,并取最小值[3]

5. 横向分析与设计

7. 仰角对横向配光设计的影响

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


6与图7分析了灯具仰角对道路灯具配光横向设计的影响,通过调整5° ~ 15°的灯具仰角,可以把一款较窄的横向设计应用在宽一点的道路中,而同样满足均匀性要求,但较宽的横向配光设计应用到较窄道路中时,出现利用系数非常低而浪费能源的问题。在我国LED道路照明行业里,很多厂家把道路照明的横向设计成对称配光,通过增加灯具仰角,有的仰角甚至超过25°,这可能出现眩光超标、利用系数降低的问题。

 

4.2 道路纵向配光设计

驾驶员一般关注车辆前方60 ~ 160米区域,其相对于路面的观察角为0.5°~ 1.5°。在道路照明纵向配光设计时,如从驾驶员视角功效上考虑,需要一定的诱导性措施,应该考虑评估区域前方4盏灯和后方2盏灯的影响(如图8所示),而我国LED道路照明行业里采用的蝙蝠翼和矩形配光设计方法仅考虑一盏灯具或两盏灯具,所以设计出的配光曲线是完全不一样,无法满足驾驶员的视觉需求。许多读者可能会认为,为了控制眩光,采取截光措施,远处灯具的光到计算区域内的光强很小,可以不考虑,但在实际光学设计时,无法做到彻底截光。同时,为了增强道路照明的视觉诱导性,彻底截光的灯具并非是驾驶员视觉功效最好的灯具。尽管远处灯具对计算区域的亮度贡献很小,但对于潮湿路面而言,其亮度贡献却大大增强,为了既能满足干燥路面照明效果,又能满足潮湿路面亮度均匀的照明效果,考虑远处灯具对计算区域的亮度贡献是科学合理的。

8. 计算区域内的亮度由L1~L6灯具决定

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


根据CIE144-2001中公布简化反射系数表R-Table,绘制出各灯具对评估区域的亮度影响大小,如图9示意了6盏灯对评估区域C0-C180平面内的亮度影响因子大小(路面材质为R3),从图中看出,评估区域内的亮度主要由灯具L2L3L4提供,这就是说,在做配光设计时,如仅仅考虑单个灯具的照度或亮度均匀,在实际应用的过程中出现的亮度叠加效应会使得亮度不均匀。本文图9 所选的路面的镜面反射系数并不高,如对R4路面而言,灯具L4L5的影响因子会增强,尤其是潮湿路面的镜面反射因子更高,远处的灯具对评估区域的亮度贡献更大,所以要想设计出既适合干燥路面又适合潮湿路面的配光,必须考虑远处灯具对评估区域的亮度影响。

9. 纵向配光设计时各灯具对评估区域的亮度影响因子

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4.3 配光设计所需的数学模型

如图8所示,把评估区域划分成IJ列,计算点P的亮度大小6个灯决定,如公式(1)所示,每个灯对P的点亮度大小值可由公式(2)得出,式中的通过简化亮度系数表查出或差值法求解出,则为本文所需设计的配光曲线,观察员距离评估区域很远,驾驶员视线近似平行于道路纵向轴线,因此有近似关系,如果灯具无仰角安装时,则。公式(3~ 5)给出了均匀性评价指标的计算方法,公式(6)为配光曲线的自适应型优化目标函数,根据自适应参数的取值,可以把不达标的配光曲线过滤掉。公式(1~ 6)的数学模型属于线性规划的范畴,其具体的求解过程比较繁琐,需要借助计算机程序或先进的人工智能算法,而且,其求解结果具有多重特性。其具体的求解过程可以参考笔者后续发表的文献资料,本文不再赘述。

                                                                             (1)

 

                                              (2)

;                (3)

;                                                        (4)

;                                                                 (5)

                                                       (6)

其中, ; , ;

         , ; , .

5. 结论与展望

本文所述的道路灯具配光曲线设计思想是基于路面材质的反射性能特征,反求性能优越的配光曲线,在数学上称为反问题(Inverse Problem)。1987年,以“反问题、反演方法和数据反演计算”为主的专题杂志Inverse Problem创刊,标志着反问题的研究走向独立和成熟。在照明配光设计以及后续的灯具光学设计,同样可以采用反问题的数学思想,得出满意的结果。图10为笔者通过遗传算法求解的配光曲线,导入DIALUX 照明应用软件模拟计算其亮度和亮度均匀性结果(如图11所示),其纵向均匀度可以达到0.9以上,如采用对称的布灯方式,其总体均匀性也能达到0.8以上。

10. 根据R3路面求解的配光曲线

11. 亮度计算模拟结果

 


                

 

 

 

5. Conclusion

 

 

 

 

参考文献

 

[1] 邹吉平,李丽,解全花等. 重视道路和隧道照明中亮度与照度的关系[J]. 照明工程学报,Vol. 20 Supplement, 2009(8): 39~45

[2] 邹吉平,李丽,解全花等. LED道路照明灯具配光设计的误区分析——照度均匀性并非亮度均匀性[J]. 照明工程学报,Vol. 20 Supplement, 2009(8): 46~52

[3] CIE (International Commission on Illumination). Road lighting calculations, CIE Publication 140, 2000.

[4] CIE (International Commission on Illumination). Road surface and road marking reflection characteristics, CIE Publication 144, 2001.

[5] Pachamanov, Angel and Pachamanova, Dessislava. Optimization of the light distribution of luminaries for tunnel and street lighting. Engineering Optimization, 40:1, pp. 47~65.

[6] 邹吉平. 评价LED道路照明灯具配光性能的两个重要指标——从配光设计角度谈LED道路照明节能. 照明工程学报,Vol. 21 No. 4, 2010(8): 66~73

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