LED路燈道路模型與照明仿真分析

許毅　劉暢　李永亮

摘 要：針對目前LED路燈的道路照明問題，該文采用DIALUX軟件對道路照明方案進行模型建立，以雷士照明燈具庫為例，研究并分析在固定LED光源功率和配光曲線的前提下，LED路燈的照明效果是否滿足國際照明標準CIE。根據光學仿真建模分析結果，得出影響LED路燈照明效果的關鍵因素：照明器的安裝方式；LED燈桿的安裝高度；LED燈桿的安裝距離；照明器光源功率；照明器的配光曲線。并提出有效可行的LED道路照明解決方案，同時提高學生的學習興趣和授課效果。

關鍵詞：DIALUX LED路燈 仿真分析

中圖分類號：TM923.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0085-02

《LED產品設計開發》是高職光電子技術專業一門重要的專業核心課，但是在LED路燈道路照明的教學環節中，存在很多實際問題，需要通過專業的光學設計軟件DIALUX來進行模型建立與仿真分析，以具體的案例為主，通過改變相關參數來達到不同的仿真照明效果，讓學生自己動手，以圖像的形式展示，更好的提高學生的學習效果。

在道路上設置照明器是為了在夜間給車輛和行人提供必要的能見度。道路照明可以改善交通條件、減輕駕駛員疲勞、并有利于提高道路通行能力和保證交通安全。目前，隨著大功率高亮度LED的迅速發展，由于其具有節能環保等優點，使得LED作為新一代照明光源被廣泛關注。與傳統的道路照明燈（高壓鈉燈和金屬鹵素燈）相比，LED路燈的主要優點是：光學性能佳、可快速啟動、便于控制、高效、省電、節能環保、可靠耐用、壽命長等[1]。

道路通常用規定的路面平均照度和均勻度兩個指標。前者的單位是lx，即每1m2水平照射面積上，均勻分布1lm的光通量；后者是最小水平照度與平均水平照度的比值。實際上道路的亮度分布與照度分布有相當大的差別。因此國際照明委員會建議用路面亮度、均勻度、眩光和誘導性四個指標衡量。建議城市干道、高速公路的路面亮度取2cd/m2，縱向均勻度取0.7，G=6[2-3]。

1 建立模擬仿真實訓平臺

目前，本文道路照明器選擇雷士照明LED路燈，如圖1所示，功率為200W。照明器要合理使用光能，防止眩光。照明器發出的光線要沿要求的角度照射，落在路面上呈指定的光斑，光線分布均勻，亮度大且眩光小，因此本文的眩光指數G=6，二次光學配光曲線為蝙蝠翼型，如圖2所示。

根據具體的道路斷面形式、寬度、車輛和行人的情況，道路器可采用在道路兩側對稱布置、兩側交錯布置，一側布置、分隔島雙叉布置和路中央懸掛布置等形式。該文的采用的具體參數如下：道路寬度25m；兩側交錯布置；分隔島寬度1m；三排雙向車道；車道寬度3m；燈桿高度12m；燈桿安裝距離25m；維護系數0.80；路面為R3柏油。

建立的LED道路照明的物理模型如圖3所示。通過DIALUX光學設計軟件，進行不同道路模型建立，分別為：

（1）兩側對稱布置和兩側交錯布置；

（2）LED燈桿的安裝高度12 m和15 m；

（3）LED燈桿的安裝距離20 m和25 m；

（4）照明器光源為高壓鈉燈和LED光源；

（5）LED光源功率為150W、200W和250W。

在不同的LED道路照明仿真模型下，仿真模擬LED道路照明實際方案，對道路照明的實際平均照度和均勻度進行計算，并給出相應的資料報表，可以保存為PDF格式文件，以供學生對不同的照明方案下的LED道路照明效果對比分析。對于某一具體實際道路，在選定照明器的前提下，能夠給出該路段的LED道路照明方案，并進行仿真分析，研究該方案的可行性。

2 LED道路照明實例分析

下面以某市具體道路為例，此道路寬度為25m，雙向三車道，車流量>2 400輛/h，限速100km/h，路面為柏油馬路。

根據我國機動車交通道路照明標準值，此照明標準值適用于柏油馬路，如表1所示[4-5]。

根據道路寬度25m；兩側交錯布置；分隔島寬度1m；三排雙向車道；車道寬度3m等具體參數。該文選擇燈桿高度12m；燈桿安裝距離25m；維護系數0.80；路面為R3柏油。

打開DIALUX軟件，選擇新的道路照明設計方案，給定具體的參數，建立LED道路模型在計算平均照度和均勻度時，只要取其中的一個單位路段即可，因此該文對于平均照度和均勻度的計算采用25m×25m的計算面積為單位路段。

模型建立好之后，接下來是導入燈具資料，該文采用雷士照明的LED路燈，將設計好的蝙蝠翼型配光曲線IES文件導入DIALUX軟件里就可以進行計算模擬。在模擬的過程中可以根據不同的模型來對比分析。例如，照明器的安裝方式，兩側對稱布置和兩側交錯布置；LED燈桿的安裝高度12m和15m；LED燈桿的安裝距離20m和25m；照明器光源為高壓鈉燈和LED光源；LED光源功率為150W、200W和250W。

在布置好燈具以后就開始設定計算表面，也就是25m×25m的計算面積為單位路段，設定計算報表的內容，并開始計算。對于雷士照明LED路燈光源功率250W的照明器，兩側交錯布置，燈桿的安裝高度12m，燈桿的安裝距離為25m時的平均照度計算結果，模擬計算照度分布表如圖4所示，單位為cd/m2。

從表2中可以在25m×25m的計算面積內看到總共10列數據，最小照度值為18lx，最大照度值為54lx，平均照度值為30lx，最小照度值/平均照度值為0.62，最小照度值/最大照度值為0.34，數據結果顯示，均滿足我國道路照明的最低要求。

通過進一步仿真分析，得到照度分布表，如圖4所示。可以觀察到該道路中的照度值和均勻度均滿足要求，而且沒有黑斑的出現，能達到均勻照明的目的。

仿真結果照度偽色圖，如圖5所示。

可以看出，雷士照明的此款燈具，無論平均照度還是均勻度均達到國家要求，根據其仿真計算結果分析，該道路照明方案滿足要求。綜合不同模型道路模型，進行對比仿真結果分析，進一步得到，LED道路照明效果的關鍵影響參數：（1）照明器的安裝方式；（2）LED燈桿的安裝高度；（3）LED燈桿的安裝距離；（4）照明器光源功率；（5）照明器的配光曲線。同時可以發現安裝高度的越大，安裝距離越遠，LED光源功率越小，平均照度值也越小，而且均勻度下降。因此根據不同的參數進行調節，可以得到不同的道路照度值，進一步仿真分析得到最佳的道路照明方案。

3 結語

在LED路燈道路照明的教學環節中，通過DIALUX軟件對實際道路情況進行仿真建模，學生通過親自動手練習，更好的掌握LED道路照明效果的關鍵影響參數。通過對仿真結果的分析，進一步理解LED道路照明設計。同時，對不同的參數調節進行仿真分析，根據平均照度值和均勻度等照明質量指標，提出有效可行的LED道路照明解決方案。

參考文獻

[1] 陳加琦，鄒念青，張云翠，等.LED路燈的二次光學透鏡設計[J].大連工業大學學報，2012（3）.

[2] 黃智煒.一種LED路燈透鏡的二次光學設計與研究[J].華僑大學信息科學與工程學院，2010（Z1）.

[3] 羅曉霞.LED照明系統的優化設計[D].北京：中國科學院研究生院，2011.

[4] 馬澤濤.一種高功率LED封裝的熱分析[J].光電器件，2006（1）.

[5] 李興龍.矩形配光功率LED及在路燈應用的光學設計[J].LED應用技術，2010.