燈具照明一體化模擬的道路照明改造設計

許 珂，孫 紅，徐 挺，龐 愷，郭春鳳，金 妍，居家奇

（上海應用技術大學 理學院，上海 201418）

路燈作為城市必備的基礎設施，在城市交通、生活、市貌等方面都是不可或缺的角色，有著不可取代的重要作用，但在發展過程中，難免出現各種問題。有些過分追求照度和亮度，遠遠超過國家標準，帶來新的光污染問題；有些只重視白天的樣式美觀，忽視了燈具的功能性，路燈建設的初衷慢慢被邊緣化。

傳統的道路照明技術，如高壓鈉燈或金鹵燈，都存在明顯的缺點。高壓鈉燈的顯色指數不高，而金鹵燈的色漂不易控制，兩者均無法瞬時熱啟動，調光相對麻煩。同時，由于光源體積較大，燈具設計時光分布較難控制。這就是普通路燈通常具有諸如眩光、不均勻光圖案、向上反射光、光污染和能量浪費等缺陷的原因。相比之下，由于LED的小尺寸和定向光發射，非成像光學器件可以重塑LED的光分布圖案，使其僅在需要的地方分布光。圖1是傳統路燈和精確配光路燈的示意圖。原則上，具有適當設計的LED路燈可以提供僅覆蓋道路的矩形光分布，嚴格控制眩光，沒有光線漫射，沒有光照射到天空中。

從系統工程的觀念出發，燈具發光經路面的反射進入駕駛員的眼睛，引起視覺感應，這個光傳遞過程是燈具發出的光經路面的吸收和反射后，一小部分光線進入眼睛照射到視網膜上，其光強作用于視覺細胞引起明亮感覺，人們看到的是亮度，而非照度。目前道路照明的亮度縱向均勻性并不高，其被描述為“斑馬紋效應”，如圖2所示。這種效果很容易導致視覺疲勞，且不利于安全駕駛。

影響道路駕駛視覺感知的因素是路面平均亮度、整體水平照度均勻度和縱向均勻度、眩光閾值和顯色指數。考慮到所有這些因素，將根據其反射特性同時分析路面上的照度和亮度，以獲得最佳照度分布、照度和亮度均勻度。然后，針對計算的照度分布執行LED自由形狀透鏡的設計。最后，提出了一種照明設計方法，可以應用于各種路面，實現理想的照度和亮度均勻性。

1 道路照明測試

1.1 測量地選擇

選擇一條在路燈照射范圍內有較少遮擋物、光線比較充足的校園道路，符合基本測試要求。這條測試道路總長45 m，路面寬9 m，路燈數量一共是4盞，以3×1.5一小格為基準，一共112個照度測試點，測量4盞路燈的光譜。對于地面水平照度來說，測量方法簡便且不受觀察位置的影響，只需將照度計的感光探頭水平放置在地表附近位置，保證探頭處光線不受遮擋，然后讀取照度穩定時的度數即可，將其作為校園道路照明測量指標之一。

由表1可知，在測量距離0 m、15 m、30 m、45 m處照度分別達到最高點，而在中間的3個區間里，照度下降非常明顯，由圖3可知，現場道路照度不均勻，出現了“斑馬紋效應”。讓道路照明更加均勻，改善均勻度，是此次研究的主要任務。

1.2 均勻度測試結果

出現“斑馬紋效應”的原因是照度均勻度值太小。均勻度值越大，且接近于1，說明道路照明的照度均勻度越好，相反光線分布就越差。

根據表1的數據進行實地照度均勻度計算，得到測量道路的照度均勻度只有0.244，這個值并不滿足道路照明設計標準。如何讓均勻度更完善，并且符合道路照明標準是研究的一個重點方向。

2 Trace pro燈具建模

2.1 花生米透鏡

采用LED花生米透鏡的照明方法，以實現道路上照度和亮度的最佳均勻性。該方法基于路面的反射特性，根據最小二乘法分析照度和亮度的方差，獲得了照明設備的照度強度分布。整體均勻性和方差隨k變化，k為照度和亮度的比值。考慮到照度和亮度的均勻性和方差，選擇最理想的k，在此選為10－3，然后得到最佳照度分布。結果表明，這種設計方法實現了理想的道路照度和亮度均勻性，也滿足了眩光控制和SR的要求。

表1 現場路燈測試照度數據 lx

2.2 建模結果

由花生米透鏡模型（見圖4）可以得到配光曲線，發現圖案呈蝙蝠翼型（見圖5）。這種形狀的配光曲線使路燈在實際應用中光照范圍更廣，角度更大，照度均勻度更加趨于標準，不會出現明顯的光斑及“斑馬紋效應”。由生成的照度圖可知，花生米透鏡路燈的照明范圍窄且長，路面的亮度比較均勻，滿足道路照明需求（見圖6）。

3 DIALux道路照明模擬

在DIALux軟件里選擇合適的道路標準后，導入建模路燈。為便于比較分析，各種外部參數設置與測量道路相同。

通過道路照明模擬得出的數據如圖7所示，道路照度均勻度和眩光閾值等數據都滿足道路照明標準。水平照度圖表顯示，模擬得出的照度數據更加均勻，更加符合需求。

對比測量照度圖和模擬道路圖可知，模擬照度比實地測量的照度更平緩，經計算可得模擬道路的照度均勻度可達0.44，說明模擬出的照度均勻度更好。

4 結論

路燈對市民的夜間活動有很大的影響，路燈設置越合理，燈光環境越舒適，則越有利于出行安全。路燈作為城市的重要組成部分，其作用不言而喻，應在符合城市生活需求的條件下，優化路燈，改變路燈造型，讓夜景更美，給夜晚的城市錦上添花。對于原有道路照明改造，在不改變路燈間距和燈桿高度的基礎上，設計適合路面實際情況的燈具配光將大大節約改造成本。從道路照明實際需求出發，采用燈具照明一體化設計模擬方式有助于對現有道路照明的高效改造。