港珠澳大橋照明工程中的LED照明技術

杜 金，周士康，陳春根，何孝亮

(上海三思電子工程有限公司，上海 201100)

引言

近年來，LED照明技術不斷成熟，在城市夜景照明、公路隧道照明、建筑照明中的應用越來越多，在大型照明工程項目中的應用案例也越來越多[1-5]。港珠澳大橋全長為55 km，是現今世界最長的跨海大橋。其東接香港特別行政區，西接廣東省珠海市和澳門特別行政區，是國家高速公路網規劃中跨越伶仃洋海域的關鍵性工程，對于連通香港特別行政區、廣東省珠海市、澳門特別行政區三地具有重大的政治以及經濟意義。與此同時，港珠澳大橋主體工程“海中橋隧”全線22.9 km長的橋梁和6.7 km長的隧道照明以及各人工島組成的支線照明工程全部采用LED照明燈具及其控制系統，因此也成為LED照明工程應用的典范。本文將剖析港珠澳大橋照明工程中所使用的LED照明技術。

1 LED照明技術設計重點

1.1 港珠澳大橋的環境特點

港珠澳大橋位于北回歸線以南，橫跨伶仃洋海域，屬于熱帶季風型氣候，其氣候主要特點為全年高溫，最冷月平均氣溫也在18 ℃以上，同時受熱帶季風影響，多強風、多雷雨且天氣突變頻繁。港珠澳大橋嚴苛的工作環境，給LED照明應用技術帶來了新的挑戰，包括：如何抗強風風載；如何耐高溫、防濕熱；如何防鹽霧、耐腐蝕；如何進行IP防護設計(防大量降水)。

1.2 LED照明關鍵技術

針對港珠澳大橋的上述氣候特點，上海三思電子工程有限公司(以下簡稱三思)對目前LED照明應用技術進行整合，提出了以陶瓷平臺為載體的一系列應用于LED照明的關鍵技術。

1)抗風載。流線型的燈具外形，能使大風經過燈具時具有較高的速度，從而減少其對燈具表面的壓力，降低了大風對燈具與燈桿連接處等薄弱環節的影響，提高了燈具抗風載能力，見圖1。

一開始氣氛上不來，主要原因是酒喝得相當謹慎。錢多多建議每人講一段子，無論什么段子，只要能將大家伙逗開心就行。

圖1 燈具抗風載設計示意圖Fig.1 Design of anti-air load for lamps

2)耐高溫。優秀的散熱能力是解決高溫下持續工作的關鍵。三思的散熱技術依托于單個陶瓷平臺(稱之為陶瓷像素)，從影響散熱的兩個關鍵因素出發[6-8]，以達到整體散熱的目的：

①從導熱上講，LED芯片直接焊接于陶瓷散熱體上，其間無傳統意義上的絕緣層或者熱阻層，因此能更加高效地將LED芯片散發的熱量導出并散走，避免產生散熱熱島效應；

②從對流上講，LED陶瓷散熱像素的蜂窩狀散熱結構能夠有效增加散熱面積，并保證氣流自下而上流經散熱器，路徑不受阻礙，見圖2。

以上從港珠澳大橋照明工程所需燈具的可靠性方面對LED燈具的關鍵技術進行了分析。實際上，隨著LED照明技術與智能控制技術等的不斷融合，港珠澳大橋照明工程的成功運行已經不僅僅是LED燈具技術本身的應用，更是LED照明整體解決方案的應用。因此，以下將主要從港珠澳大橋照明工程中所使用的路燈技術、隧道燈技術、智能控制技術三個方面，來闡述港珠澳大橋照明工程中的LED照明整體解決方案。

圖2 燈具陶瓷模塊的散熱結構Fig.2 Heat dissipation structure of ceramic module of lamps and lanterns

3)防濕熱。港珠澳大橋常年處于高溫高濕狀態,空氣中大量的濕熱氣體很容易受熱膨脹破壞燈具結構或受冷凝結成水霧影響照明效果。為此,三思將設計重點集中于如何降低電氣腔體和光源腔體的體積上：

這時，同學們才小聲議論，并陸續舉報：“白虎隊”成員小王在班上扯女生頭發，小曹拿別人東西不還，小黃和值日生“叫板”，小但總在放學路上欺侮同學，小胡經常逼迫別人叫他“老大”……做錯事不可怕，可悲的是他們似乎并不知道自己錯在哪里。

圖3 燈具防濕熱結構Fig.3 Anti-wet and heat structure of lamps

②考慮到傳統整體玻璃面罩大腔體結構在密封、散熱上的缺陷，港珠澳大橋光源腔體采用開放式結構，以單個透鏡和陶瓷像素所形成的整體為單元按一定的順序安裝于結構模條上，每一個單元也形成獨立的光源腔，密封腔體同樣很小，有別于一體式玻璃罩結構的大密封腔燈具，可避免溫濕突變玻璃罩上結霧。

④包括透鏡在內的所有燈具部件，均具有抗紫外老化的能力。

在城市發展過程中，橋梁發揮著極大的作用，在橋梁工程的施工過程中，預應力技術的使用，可以減輕橋梁結構的自重，并且提高梁部的抗壓能力，避免或減少結構表面的裂縫現象，從而保證整個橋梁工程的穩定性。此外，預應力技術可以避免不同項目節點之間出現明顯的接縫現象，確保項目表面滿足平整性和美觀性等要求。

①電氣腔獨立防水，內置浪涌電壓保護，密封腔體相對較小(如圖3中的密封電氣腔)，可避免濕熱氣體受熱膨脹破壞燈具密封結構；

圖4 燈具防鹽霧、耐腐蝕以及抗老化結構Fig.4 Lamps salt spray, corrosion resistance and anti-aging structure

①燈具表面采用氟碳噴涂處理，可有效防止鹽霧腐蝕；

三思陶瓷路燈散熱設計依托于陶瓷像素結構的強大散熱能力如圖7所示: 采用了厚膜燒結技術，導電線路直接燒結于陶瓷上，大大減少了熱阻；LED直接焊接于陶瓷上，不需要基板與導熱硅脂，提高了散熱的可靠性；通過近端對流，將LED芯片產生的熱量及時帶走，避免了熱量的聚集，使熱量分布更加均勻，消除熱島效應。表2所示為單顆陶瓷像素在環境溫度為40 ℃時的散熱模擬情況，芯片結溫為96.6℃,遠遠低于允許的最高結溫溫度，證明了陶瓷散熱結構是可靠的。此外，采用陶瓷像素結構還具有耐鹽霧(半永久)、絕緣性強、可有效防擊穿、安全可靠等優勢。

②燈具緊固裝置均使用不銹鋼材料，可有效防止鹽霧腐蝕；

將檢索結果從CNKI中分別按照自定義（題名、作者、單位、基金、年份等信息）和Refworks格式導出文獻。首先，通過數理統計方法對文獻年度分布、高被引文獻、基金文獻分布等進行統計分析。其次，運用 CiteSpace信息可視化軟件（5．3．R4版本）得出作者、機構發文量列表，制作作者、機構合作網絡圖譜、關鍵詞聚類知識圖譜、突發性探測圖譜。并運用該軟件的科學合作分析、關鍵詞詞頻及共現分析、詞匯的突發性分析等功能，可視化地呈現移動閱讀的知識結構、研究熱點及發展規律。

4)防鹽霧、耐腐蝕、抗紫外老化。防鹽霧、耐腐蝕、抗紫外老化性能是照明燈具在港珠澳大橋上持續工作的保障。三思采用自身技術研發與外協廠家專業技術相結合的方式，通過將以下四個方面的實用技術應用到照明燈具產品中，從而實現燈具的防鹽霧、耐腐蝕以及抗紫外老化的功能(見圖4)：

2 港珠澳大橋LED照明整體解決方案

對處理好的試樣進行單軸壓縮試驗。在實驗壓縮過程中，軸向荷載加載速度控制在0.50 MPa，然后在巖樣與實驗機之間應適當涂抹潤滑劑，以便減少“端部效應”對實驗結果的影響。觀察試驗過程中巖石試樣破壞特點，記錄巖石在壓縮過程中軸向應變、橫向應標數據，繪制試驗的應力—應變全過程曲線，分析鹽巖的單軸壓縮條件下的力學特性及遇水軟化特性。

2.1 路燈技術

三思模塊化陶瓷路燈設計能夠輕松實現120 W與180 W兩種規格的路燈設計要求，如圖5所示，其中180 W路燈主要應用于港珠澳大橋主體工程“海中橋隧”的橋梁主線道路上，120 W路燈主要應用于港珠澳大橋人工島支線道路上，兩種功率的路燈詳細參數如表1所示。

圖5 模塊化路燈技術Fig.5 Modular street lamp technology

表1 港珠澳大橋照明工程所用的陶瓷路燈技術參數

1)路燈結構與散熱技術。三思陶瓷路燈結構設計主要從可靠性與維護的便利性兩個方面來著眼，如圖6所示，從最外層的免工具搭扣，到燈桿連接處的防墜落組件，再到水平儀與角度調節裝置的安置，體現了設計人員在維護的便利性上的細節考慮；而表面氟碳材料噴涂、進線防水接頭以及不銹鋼緊固件的整體設計又體現了設計人員在燈具可靠性方面的努力。

圖6 路燈結構詳細設計圖Fig.6 Detailed design of street lamp structure

1990年新年，憨豆先生再次出現。原本這僅僅是一次喜劇表演。但該角色取得了成功，20世紀90年代，艾金森又拍攝了多部續集。最終，該劇被制作成為電影，艾金森從此成為國際影星。他的視覺喜劇風格讓他獲得了“帶著橡皮臉的男人”的昵稱。

圖7 單顆陶瓷像素散熱模擬云圖Fig.7 Simulation cloud image of single ceramic pixel heat dissipation

表2 單顆陶瓷像素散熱體散熱模擬結果

2)光學技術。陶瓷路燈光學技術同樣依托于陶瓷像素平臺, 通過透鏡、密封圈與陶瓷散熱體的緊密配合實現LED芯片與透鏡的精確定位；而在透鏡設計上，則采用逆向設計的原則，同時考慮燈具配光與路面的反射特性(反射系數表格r-table)[9]，通過數值計算與模型試錯相結合的方法來實現。港珠澳大橋主線橋梁的道路模擬參數如表3所示，主線橋梁采用三思180 W路燈對稱布置形式，模擬設計結果如圖8所示，三思路燈配光系統針對道路橋梁實際使用者(汽車司機)的視線(燈下60 m遠處注視)[10]，實現了駕駛視覺上的亮度均勻(UL>0.9,U0>0.6，圖8方框內容)。此種設計方式稱為等亮度配光設計，相對于傳統等照度配光設計更符合客戶的實際需求，而實際港珠澳大橋驗收現場(圖9)達到了令人滿意的亮度均勻性效果, 其路面參數實測結果(表4)與設計結果幾乎一致,甚至在總均勻度(U0)上高于設計結果。

結合本地區種植制度、氣候環境、地理優勢和土壤條件，科學選擇高產優質的雜交水稻品種，并對雜交水稻品種科學布局。最近幾年，宜香3003、宜香4245、宜香305、兩優2161、兩優6等水稻品種不管是在抗病性能、產量和生育周期方面都顯著優于傳統栽植的品種。在同一個地區，可以選擇1-2個主栽品種，搭配1-2個水稻品種，有效避免水稻不單一化或多亂雜的現象，一般水稻品種為宜香優2115和宜香4245。

表3 港珠澳大橋主線橋梁的道路模擬參數

表4 港珠澳大橋主線橋梁道路照明均勻性測試結果

圖8 港珠澳大橋主線橋梁道路模擬結果Fig.8 Simulation results of main line bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

圖9 港珠澳大橋主線橋梁道路照明效果實拍Fig.9 Lighting effect of main line bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

2.2 隧道燈技術

三思提供的“M”型反射式隧道燈技術(圖10)是保證港珠澳大橋6.7 km長隧道照明舒適性的關鍵技術。表5為三思隧道燈的技術參數，可以發現港珠澳大橋隧道主體工程針對其過渡段照明和加強段照明共使用60 W和120 W兩種功率的隧道燈具。

表5 反射式隧道燈技術參數

圖10 隧道燈外觀Fig.10 Appearance of tunnel lamps

1)隧道燈結構與散熱技術。反射式隧道燈結構具有一體式燈具外型，搭配可拆卸式光源模塊可輕松改變光源功率，而對光源本身的發光效果沒有任何影響，燈具背面安裝有橫向和縱向角度調節裝置，能夠根據現場實際情況對燈具安裝姿態作出必要的調整如圖11所示。

圖11 反射式隧道燈結構特點Fig.11 Structural features of reflective tunnel lamps

散熱方面，整個燈具外殼采用拉伸型材工藝且與光源模塊組成緊密的散熱通道，能夠順利地將光源產生的熱量散走。圖12所示為120 W隧道燈具散熱模擬云圖，在環境溫度為40℃的前提下，隧道燈LED光源的結溫溫度為96.9℃，與殼體溫度84.5℃十分接近，也可說明散熱達到了滿意的效果(表6 為120W隧道燈散熱模擬的結果)。

③采用耐腐蝕性能優異的陶瓷像素材料作為燈具構成的基礎單元；

圖12 120 W隧道燈模擬云圖Fig.12 Simulation cloud map of 120 W tunnel lamp

表6 120 W隧道燈熱模擬結果

2)隧道燈光學技術。隧道燈光學系統采用獨特的反射式配光形式[11]，通過巨大的“M型”漫反射腔體(這也是此燈被稱為“M型”隧道燈的原因)，將傾斜入射的LED光源光線均勻地散射于路面上如圖13所示。從配光類型來看，整個隧道燈屬于沿著路面與垂直于路面兩個方向的非對稱近朗伯型配光如圖14所示，能夠實現路面亮度均勻的照明效果。同時反射式的配光形式，燈具點亮時人眼看不見LED的發光點，從視覺舒適性上也達到了“見光不見燈”的效果。

圖14 隧道燈配光曲線圖Fig.14 Light distribution of tunnel lamp

圖15、圖16所示為港珠澳大橋隧道照明模擬設計效果與實測對比圖，證明三思反射式隧道照明技術在港珠澳大橋隧道項目中取得了令人滿意的成果。

圖15 港珠澳大橋隧道照明模擬設計Fig.15 Simulation design of tunnel lighting for Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

圖16 港珠澳大橋隧道照明效果實拍Fig.16 Lighting effect of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

2.3 智能控制技術

1)智能控制的實現。港珠澳大橋的陶瓷路燈技術與反射式隧道燈技術需要在智能控制技術的整合下方能發揮最大的作用。大橋全線采用三思自主研發的智能控制系統，不僅實現單燈可調，而且能對大橋照明運行狀況進行實時監控[12]。圖17所示為智能控制系統網絡拓撲結構圖，該控制系統使用LC300智能集中控制器實現路燈隧道燈單燈的獨立監控，其統一采用的RS485信號編碼模式與燈具通信，可同時控制最多250盞燈具，而與系統中心則可采用多種方式，如GPRS/3G/WiFi/TCPIP/RS485等，通過自組網進行通信連接，實時在線收發信息。

圖17 智能控制系統網絡拓撲結構圖Fig.17 Network topology diagram of intelligent control system

同時，該系統可外掛多種設備，如亮度傳感器、車輛檢測器等，具有時鐘和預設控制功能，亦可進行現場操作控制，自主巡檢與故障上報，具有自診和自恢復功能。

2)智能控制的優勢。三思智能控制系統具有以下四大優勢：①從二次節能方面來考慮，可精確到單燈的開/關控制、調光控制，根據實際情況進行調整，避免了傳統的定時、常亮的單調控制方式，節約能源，達到以人為本的照明原則；②從智能監控方面來考慮，準確地對每盞燈具的運行狀況進行監管，可任意時間段對照明及時調整，從而應對不同的運營模式和自然環境，避免了傳統控制無法監管的問題；③從燈具壽命方面考慮，由于在照明設計時加入了維護系數，初安裝時的照度一般會高于設計值，調光至設計值，一方面可以實現節能，另一方面可降低芯片結溫，從而延長燈具的使用壽命；④從人性化管理方面考慮，遠程監控，故障提醒反饋，方便運營單位的維護及檢修，提高工作效率，方便應對突發情況。

3 總結與展望

本文從陶瓷路燈技術、反射式隧道燈技術以及智能控制技術三個方面，剖析了港珠澳大橋照明工程中的LED照明應用技術。路燈方面，通過其獨特的陶瓷平臺技術以及二次配光技術，實現了可靠性、維護便利性與路面亮度均勻性的統一；隧道燈方面，通過其獨特的反射式配光技術，實現見光不見燈的舒適性效果；智能控制方面，則通過采用RS485編碼信號的智能集中控制技術，實現了對路燈隧道燈的單燈獨立控制，且能在任意時間對任意燈具進行監管和調整，同時也實現了燈具的二次節能。

由表1可知，試驗組用合緣蝦寶替代30%飼料喂養60 d，試驗組合計產量較對照組增產60.5 kg，折算每公頃平均增產139.5 kg，增產幅度17.4%。

隨著人們生活質量的提高，對LED照明的需求已經從單純地追求高效節能轉變為對視覺舒適性、產品可靠性、智能控制等多方面的綜合要求[13-16]，這也將推動LED照明技術不斷向大縱深、多維度發展。因此，高質量、多學科交叉融合的LED照明應用系統解決方案將成為LED照明企業以及LED照明工程項目關注的重點。