張 兵，賴冠華，杜媛媛，李田茵，趙海天

1)深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東深圳 518060；2)深圳高維照明技術(shù)有限公司，廣東深圳 518058

行車道路照明包括全封閉的高速公路、快速市政道路及公路隧道的照明，這些道路照明系統(tǒng)基本按CJJ 45—2015標準設(shè)計．高速公路及市政道路路燈一般采用高壓氣體放電(high intensity discharge, HID)燈或發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)，安裝高度為10～14 m，間距為30～40 m，單燈功率為120～400 W，按蝙蝠型配光，特點是單燈功率大、燈位高和燈距遠[1-2]．LED照明體系經(jīng)過了上百年的發(fā)展，技術(shù)已趨于成熟．目前實際應(yīng)用中最為完善的技術(shù)是使用非成像光學(xué)對LED進行二次配光[3]，特點是可以將光輻射按需分配，但仍存在眩光強烈、能耗高和照明質(zhì)量差等問題．高眩光、高能耗和低均勻性的根本原因在于傳統(tǒng)路燈采用高燈位、大間距和自上而下照射的照明方式[4]．對于駕駛員而言，只有經(jīng)路面或者障礙物反射后進入人眼的光線為有效光線．在高位照明中，路燈自上往下照射，路面可以認為是平坦光滑的，大部分地面反射光射向天空，實際光通量的有效占比很低．從空間上看，駕駛員視線位于路燈發(fā)光面與路面之間，所以無論采取什么措施都無法消除高位路燈眩光，只能做到消減[5]．

近年來，低燈位道路照明開始出現(xiàn)，大多應(yīng)用在橋梁[6]、匝道與高架橋等方面．目前，低位照明體系還處于起步階段，大多數(shù)低位路燈僅僅是將高位路燈高度降低、功率變小、間距變小，然后將其改為橫向照明．陳神飛等[7-9]研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有低位照明均存在眩光強烈及頻閃嚴重等問題，會降低駕駛員主觀視覺亮度，降低駕駛員的分辨能力，甚至引發(fā)癲癇等疾病．

本研究針對駕駛員的視覺需求建立道路照明模型，得到了路燈有效輻射效率與照射角度的關(guān)系，然后根據(jù)不同路面的粗糙程度將傳統(tǒng)高位路燈分解為多個方向的低位路燈，解決了現(xiàn)行道路照明體系下高眩光和高能耗等問題，在完全滿足道路照明的各項需求的條件下，提高照明效率和可見度水平，為道路照明技術(shù)的改造提供了依據(jù)．

1 道路照明的基本需求

行車道路的路面是駕駛員觀察前方障礙物的主要背景[10]．要提升行駛的安全性與舒適性，除了需滿足路面的均勻度外，還需要關(guān)注空間亮度的分布[11]．本研究綜合CJJ 45—2015標準規(guī)定及道路照明實踐，總結(jié)出高速公路照明的多重需求，主要包括：① 路面照明質(zhì)量，判斷指標包括路面亮度與均勻度．一級道路要求路面的總均勻度達到0.4以上，縱向均勻度達到0.7以上，亮度不低于1.5 cd/m2[12]；② 空間照明，目的是為路面上的障礙物提供足夠的對比度，以提升駕駛員的辨別能力；③ 限制眩光，判斷指標為閾值增量，要保證駕駛員在各個方向上直射眩光與反射眩光的閾值增量均在10%以下．

多維照明系統(tǒng)是指將傳統(tǒng)道路照明體系里單個光源負責(zé)所有照明功能，改為多個光源負責(zé)不同照明功能．多維度是指多個光源在多個方向上進行照射，對路燈的出光進行精細化管理．多維照明系統(tǒng)的設(shè)計思路是：根據(jù)駕駛員在道路照明中的視覺需求，將傳統(tǒng)的集中式照明改為分布式照明，設(shè)置多個維度照明的光源，高燈位安裝改為低燈位安裝，大功率光源改為小功率光源，使不同用途光源與燈具以達到能效最大化，從而使總體照明達到綜合最優(yōu)．

2 道路照明模型分析

道路照明模型是建立在視軸方向φ角(觀察角)不變的情況下， 光源照射方向與視網(wǎng)膜照度的關(guān)系． 圖1給出了有效照明和無效照明的分量分析圖．其中，Er為光源在路面上的反射照度值；Ere為路面反射照度在駕駛員視軸方向的分量；Ert為路面反射照度在道路對面方向的無效分量；Erv為路面反射照度在豎直方向的無效分量；α為光源的入射角，即路面法線與光源投光方向之間的夾角；φ為機動車駕駛員視線方向與路面之間的夾角；θ為光源投光方向所在平面與駕駛員視線方向所在平面的夾角．

圖1 有效照明與無效照明的分量分析Fig.1 Analysis diagram of effective lighting and ineffective lighting components

通常，機動車駕駛員的觀察高度距離路面(工作面)1.2 m(小車)～1.6 m(大車)，觀察距離為60～160 m，φ取值為1.5°～0.5°[13]，本研究取φ=1°．在道路照明中，以Ere作為路燈有效輻射效率的衡量標準．

當(dāng)路燈燈具處于路邊，路面規(guī)則反射且不計光線在空氣傳輸中的能量損失時，豎向反射分量為

Erv=Ercosα

JP柜供應(yīng)商績效評價分級結(jié)果如圖2，其中13家有限公司為代表的1家屬于A級供應(yīng)商，占總數(shù)的7.7%；1家供應(yīng)商績效評分低于73.2分，屬于D級供應(yīng)商，占總數(shù)的7.7%。B級供應(yīng)商6家，占總數(shù)的46.1%；C級供應(yīng)商5家，占總數(shù)的38.5%。

(1)

橫向反射分量為

Ert=Ersin(α+φ)sinθ

(2)

光源在駕駛員視軸方向的照度分量為視網(wǎng)膜分量，可表達為

Ere=Ersin(α+φ)cosθ

(3)

可見，減小θ會降低射向道路對側(cè)的光損失；增大α?xí)档蜕湎蛱炜盏墓鈸p失．因此，在較光滑的道路照明中，可以采用低位安裝的窄光束光源模塊逆向照射路面，照射角度趨近于駕駛員的觀察角度，此時在駕駛員視網(wǎng)膜上形成的Ere可取得最大值，無效輻射分量降至最低．在粗糙道路上則照明方向與駕駛員視線方向相同，近似于車燈的照射角度，則采用正向照明．

3 多維度低位路燈照明方式

駕駛員感覺到路燈產(chǎn)生的亮度由路燈發(fā)出的總光通量、路燈照射角度和路面反射特性3個因素決定[14]．路面反射特性不同，反射光的方向和分布將不同，導(dǎo)致亮度不同．因此，路面的反射特性對于提高道路照明效率起著重要作用，路面反射特性也決定著照明方向的選擇[15]．路面的粗糙程度決定路面反射率，且需要現(xiàn)場測定．

3.1 低燈位逆向照明子系統(tǒng)

根據(jù)道路照明模型計算分析，在宏觀光滑路面條件下(圖2)，低燈位逆向照明方式可以使燈具的有效光通量最大，即路面照明效率最高．

圖2 光滑路面反射特性示意Fig.2 Schematic diagram of smooth road reflection characteristics

當(dāng)光源低于轎車駕駛員視點1.2 m、投光角度接近平行于路面、照射方向與車行方向相反(逆向照明)時(圖3)，在駕駛員視線方向上可獲得最高的路面反射亮度．原因在于此時逆向射向路面的光線大部分按照反射定律射向前方，這是多維照明系統(tǒng)中設(shè)置低燈位逆向照明子系統(tǒng)的基本依據(jù)．

圖3 低燈位逆向照明子系統(tǒng)平面示意Fig.3 Plan schematic of low-mounting height reverse lighting subsystem

3.2 低燈位正向照明子系統(tǒng)

在宏觀粗糙路面條件下，低燈位正向照明方式的路面照明效率最高(圖4)．所以光源低于駕駛員視點1.2 m、投光角度接近平行于路面、照射方向與車行方向相同(正向照明)時(圖5)，在駕駛員視線方向上可獲得最高的路面反射亮度．原因在于此時正向射向路面的光線大部分按照反射定律被反射進入駕駛員視野．這是在多維照明系統(tǒng)中設(shè)置低燈位正向照明子系統(tǒng)的基本依據(jù)．

圖4 粗糙路面反射特性示意Fig.4 Schematic diagram of reflection characteristics of rough road

圖5 低燈位逆向照明子系統(tǒng)平面示意Fig.5 Plan schematic of low-mounting height reverse lighting subsystem

4 燈具結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

光展既可以表示光源的發(fā)光能力，衡量光學(xué)器件的傳輸能力，也可以體現(xiàn)接收器的接收能力(圖6)．對于理想光學(xué)系統(tǒng)來說光展是一個守恒量，而對于非理想光學(xué)系統(tǒng)的光展只增不減，光展守恒為非成像光學(xué)設(shè)計帶來了極大的方便．

圖6 光展Fig.6 Etendue

全內(nèi)反射(total internal reflection, TIR)透鏡可通過透鏡折射率、透鏡出光面面積和光束立體角的乘積表示光展，光展微元dU定義為

dU=n2dAcosθdΩ

(4)

其中，n為透鏡折射率；A為透鏡出光面面積；θ是面積微元法矢量與中心光線的夾角；dΩ是光束的立體角元[16]．

圖7 TIR透鏡的光展守恒Fig.7 Etendue conservation of total internal reflection lens

TIR透鏡的光展守恒見圖7．此時光展為

(5)

其中，S為光源面積．TIR透鏡出光面的光展UA為

(6)

假設(shè)透鏡出光面的出光為完全準直，則式(6)中dΩ=0， 出光面的光展UA=0， 根據(jù)光展守恒原理，LED芯片出光也為0．但只有當(dāng)芯片面積為0時才會使得光展為0，而實際上芯片是有一定面積的，所以無論經(jīng)過什么樣的準直配光都無法在保持光線無損失的情況下做到完全準直出光，這就意味著透鏡出光面每個微元都存在非光軸方向的溢散光．由此，正逆向照明出光面的每一個微元都會產(chǎn)生眩光，眩光消除的關(guān)鍵技術(shù)在于出光面的隱藏．

已知駕駛員視線與路面的夾角φ≈1°， 所以設(shè)定正逆向照明的垂直角度θ也為1°，準直出光透鏡的直徑為d； 配光角為α； 透鏡出光面距離截光板為l(圖8)．由于θ=1°， 可以認為出光面高度h與透鏡直徑尺寸d相同．

圖8 無眩光燈具簡化結(jié)構(gòu)Fig.8 Simplified structure of glare-free lamps

透鏡出光面直徑d、 透鏡垂直角θ與出光面和截光板距離l之間的關(guān)系為

sinθ=d/l

(7)

實際應(yīng)用中θ≈1°， 為了達到較高的準直性(透鏡配光角約為4.5°)，設(shè)d=70 mm，即出光面高度為70 mm，根據(jù)式(4)，截光板與透鏡出光面的距離需要達到約4 m才能達到較高的出光效率，但這個尺寸從成本、加工、運輸和安裝等方面考慮都不現(xiàn)實，所以成品將l限制在400 mm，此限制值下透鏡出光面高度為7 mm時光線可以基本從燈具射出，可見優(yōu)化的關(guān)鍵在于降低透鏡出光面高度．本研究根據(jù)實際的道路應(yīng)用要求將θ調(diào)整為1.2°，降低了照射距離，增加了出光效率．

5 武漢長江大橋測試結(jié)果

調(diào)整后的燈具經(jīng)過光學(xué)軟件Tracepro進行仿真模擬，并使用分布式光度計進行測試后得到燈具出光效率約為20%，比原燈具結(jié)構(gòu)的16.8%出光效率提升了約24%．表1為實測數(shù)據(jù)與城市道路照明設(shè)計標準對比．由表1可見，本研究測試的亮度、均勻度、能耗和眩光都遠優(yōu)于GBT 24969—2010設(shè)計標準．但實驗路面為水泥路面，亮度較柏油路面偏高，實際柏油路面的應(yīng)用中亮度應(yīng)為2～3 cd/m2．從視覺效果上看整個照明空間的亮度從下往上逐漸降低，燈具出射光線完全投射在地面上，空間照明由路面反射光線提供，由路邊參照物可知照明空間高度在5 m以上，完全滿足空間照明的要求．所以，從測量參數(shù)與視覺效果上看，多維度照明體系均優(yōu)于高位路燈．

表1 武漢長江大橋試燈測試數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

1)低燈位、分布式和正逆向的照明方式在照明路面的亮度值、亮度均勻度、閾值增量和能耗都優(yōu)于國家標準，在生理的視覺效果上也優(yōu)于傳統(tǒng)道路照明效果．這證明了此照明系統(tǒng)可行，可為道路照明提出了新的理論依據(jù)與設(shè)計思路，使路燈走向精細化、節(jié)能化和智能化，為道路照明設(shè)計體系開辟了新的發(fā)展道路．

2)雖然此照明方式解決了高位照明與低位照明所存在的諸多問題，但由于結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致出光效率仍比較低．在目前的實驗研究中，功率密度為國家標準的40%，理論上當(dāng)透鏡配光角約為4.5°，垂直角約為1°時燈具極限照明效率可達67%，此時能耗可以降為國家標準的12%．再結(jié)合眩光影響人眼視覺的理論，亮度標準還可以進一步降低，最終此照明方式可以在提升照明環(huán)境的條件下為我國道路照明降低約90%的電力消耗．