基于DIALux仿真分析的兩階段道路照明優化設計

張 曼，孟冠宇，夏道澄，朱建聰

(揚州市職業大學，江蘇 揚州 225009)

0 引言

道路照明是城市建設中的關鍵組成部分，“十四五”時期國家戰略性新興產業發展導向中加快發展特色新興產業中指出要重點發展半導體照明等產業。其中，LED作為第四代綠色半導體照明光源，具有節能環保、光效高、顯色性好等優點，用于道路照明，不僅可以提高夜間車輛行駛和行人行走的安全性，還可以降低城市電力消耗，節能環保。

隨著現代網絡技術的普遍應用，道路照明中的節能手段除了使用節能燈具以外，還可以利用智能控制方式，如間隔開關設置、分時段智能調光設置進行節能控制。間隔開關設置指在凌晨時間段，隨著車流量和人流量的下降，人們對道路的亮度需求降低，這時可以間隔關閉一部分路燈，以達到節省電能的效果。分時段智能調光設置指借助各類通信網絡，例如載波通信、ZigBee等技術，根據不同時段車流量的差異而改變道路照明燈具的亮度，以實現節能式的集中管控[1]。

通過兩種方式的對比發現，間隔開關設置的方式雖然在綜合節能率上比分時段調光控制方式高一些，但是照明效果和質量卻沒有保障，間隔照明容易給行人以及行車司機造成視覺盲區，引發危險[2]。

分時段智能調光模式可以將照明時段分為全亮階段和感應照明階段。夜晚中當車流量大時，使用全亮模式；當后半夜車流量比較小時，進入感應照明階段，路燈進入亮度比較低的狀態。那么，不管是哪個階段，都要對道路進行照明設計，全亮階段要保證道路的照度、照度均勻度、眩光等級、環境比等參數達到國家標準，以減少甚至避免各種摔傷、交通事故等意外的發生；感應階段要在最大限度節能的前提下，保持一定的亮度均勻度，以免發生眩光。

在國內，很多道路照明設計結果往往是燈具設計者根據照明標準和經驗計算得到的，而非客觀數據，缺點是效率低，可靠性差，而且也很少有人會根據智能道路照明系統的調光模式進行兩階段模式的照明設計。現在專業人士都使用虛擬現實照明燈具的輔助照明設計應用軟件，比如利用德國 DIAL GmbH公司開發的照明設計軟件DIALux進行模擬仿真，計算速度快、準確率高，還可以提供3D可視化、光跡追蹤偽色彩效果圖和室內外參數計算表格等輔助設計功能，可以為智能道路照明系統的兩階段照明方式進行照明設計，獲得最直觀、準確、最優的設計方案。

1 目標路段分析

設計方案的目標路段位于揚州市翠崗路(見圖1)，道路西始潤揚北路東至百祥路段，道路總長度為439 m，道路總寬度為32 m(包括綠化帶、非機動車道、輔路)，有效寬度為16 m，雙向四車道，自行車道寬3.5 m，自行車道與機動車道之間的綠化隔離島寬度0.5 m，屬于城市次干路，道路級別為Ⅱ級。

圖1 目標路段

2 道路照明設計內容

2.1 道路照明設計標準

根據《城市道路照明設計標準》(CJJ45—2015)(以下簡稱《標準》，見表1)中的規定和目標路段的類型，路面平均亮度為0.75/1.0 cd/m2，亮度均勻度為0.4，縱向均勻度Ul為0.5，路面平均照度為10/15 LX，照度均勻為UE為0.35，眩光限制T1最大初始值為10，環境比SR最小值為0.5。除了機動車道需滿足照明標準以外，人行道的照明也要滿足照明標準中對人行道及非機動車道的相關要求，平均照度≥10 LX，并滿足環境要求[3]。

表1 機動車交通道路照明標準值

2.2 光源的選擇與布燈方式

2.2.1 光源的種類

目前用于道路燈具中的光源類型有金屬鹵素燈、低壓鈉氣體放電燈、高壓汞燈、LED燈等。高壓鈉燈色溫低、呈暖色、透霧性比較好；LED燈壽命長、顯色性好、光效高、色溫范圍廣。每種光源都有各自的優缺點，設計者在進行光源的選擇時，應從節能性、顯色性、壽命、重量等方面綜合考慮。

2.2.2 光源配光的選擇

常規的道路照明燈具按照配光曲線可以分為截光型、半截光型和非截光型，如圖2所示。截光型燈具的最大光強方向在0°～65°；半截光型燈具最大光強方向在0°～75°；非截光型燈具不限制最大光強方向角度，比較適用于明亮的、繁華的商業街道，不適合主干道。本設計方案可選用截光型或半截光型燈具。

圖2 不同配光曲線類型的道路燈具

2.2.3 光源功率選擇

光源功率在進行選擇時，應遵循兩個原則：第一，滿足城市道路照明設計標準中對道路的平均照度、亮度維持值的要求；第二，滿足照明功率密度(Lighting Power Density,LPD)的要求。一般情況下，光源的功率越大，光通量越高，光效越高，越容易滿足道路對照度和亮度的要求。但是，一味地追求高亮度的照明效果，使用大功率的燈具，LPD可能會超過國家標準，造成電能的浪費，所以設計者在選擇燈具時要充分考慮燈具的功率，既要滿足照明效果，又要滿足LPD值的要求[4]。

2.2.4 布燈方式

在道路照明設計初期，設計者應該根據目標路段的寬度、形狀、道路環境、車流量以及夜間行人通行情況等要素，對燈具的布置方式進行確定。通常，1個路燈燈桿頂端可以安裝1～2個路燈，然后將路燈按照一定間距連續地、均勻地、有序地排列在道路上，可以按照單側布置、中間布置、雙側交錯布置、雙側對稱布置，如圖3所示。本文設計目標路段寬度為16 m，雙向四車道，根據國家道路標準中關于道路路燈照明布置參數，路燈布置方式選擇對稱式布燈。

a 單側布置；b 中間布置；c雙側對稱布置；d雙側交錯布置；e 鏈式布置

2.2.5 安裝高度

目標路段燈具可選擇半截光型燈具，布燈方式選擇雙側對稱布置，根據道路照明標準中關于燈具配光類型、布燈方式與燈具的安裝高度、間距的關系(見表2)，本設計方案中路燈的安裝高度(H)應≥0.6 Weff，燈桿間距(L)應≤3H，其中Weff為道路寬度，計算可得，H≥9.6 m，L≤35 m[5]。

表2 燈具的配光類型、布置方式與燈具的安裝高度、間距的關系

4 目標路段照明仿真計算

DIALux是一款可以模擬光環境并進行照明仿真計算的軟件，可靈活用于室內、室外、道路等環境的照明設計。根據目標路段的路面亮度系數(Q0)和鏡面系數，選擇R3，路面比較干燥，Q0選擇0.07，道路模型如圖4所示。

圖4 翠崗路道路模型及詳細參數

4.1 不同配光燈具的仿真結果分析

根據《城市道路照明設計標準》設置道路照明標準，道路模型和標準設置完成后，筆者選用了兩款配光曲線不同的LED燈具，具體參數如圖5所示，兩款燈具均為COOPER品牌的燈桿式路燈，A款燈具光通量為11 820 lm，功率為109 W，光效為114.6 W/lm；B款燈具光通量為12 196 lm，功率為96 W，光效為127 W/lm。兩款燈具的發光效率差不多，但是A款的配光曲線屬于對稱式，B款屬于非對稱式(縱向長配光、橫向短配光)。

圖5 LED燈具參數

筆者將兩款燈具的IES分別導入模型，進行仿真計算，布燈方式均為：雙側對稱布燈，每根燈桿2個燈頭，燈桿間距30 m，安裝高度12 m，臂架傾斜度為10°，懸臂長度為2.5 m。仿真結果如表3—4所示，兩款燈具的照明效果均達到了國家標準，但是B款燈具的道路照明評估區域平均照度和亮度維持度比A款稍好，這樣更有利于兩階段調光時的亮度維持度更高。兩款燈具的能耗結果如表5—6所示，B款的電能消耗量每年可以比A款能節省208°電。

表3 A款燈具照明仿真結果

表4 B款燈具照明仿真結果

表5 A款燈具照明年消耗量

并且通過計算燈具利用率[5]，筆者發現A款燈具的利用率為：

表6 B款燈具照明年消耗量

B款燈具的利用率為：

兩款燈具的利用率相差8.3%，這說明對稱式的燈具在使用時會有很多的光線超過評估區域的范圍到達道路的外面，造成光線的浪費；而非對稱式的燈具，由于橫向短配光，會使得更多的光線落在道路上，利用率更高。

4.2 兩階段照明仿真結果分析

通過以上分析，筆者發現，A款燈具雖然在全亮模式能滿足《標準》，但是在感應模式中調光值為70%時，亮度維持值(Lm)僅為0.88，小于標準中的1.0，具體數值如表7所示，未滿足《標準》要求。

表7 A款燈具感應模式(70%調光值)仿真結果

選用B款非對稱式LED燈具進行兩階段(分時段)的照明設計。進行分時段智能調光模式進行節能控制時，除了使用通信手段判定車流量以外，還需要對調光值的大小進行分析計算。全亮模式和感應模式均需滿足《標準》，通過使用B款燈具調光值為70%的模式進行仿真計算，發現平均照度、照度均勻度、亮度維持值、亮度均勻度、眩光限值、環境比均滿足了《標準》中的相關規定，具體數據如表8所示。若路燈每天點亮時間按11小時，采用智能調光模式時，每天按7小時全亮，4小時調光(70%)，每年消耗量為1 367.8 kWh/年，與全亮模式相比可節約11%的電能。

表8 B款燈具感應模式(70%調光值)仿真結果

5 結語

綜上所述，城市道路照明對城市的發展有著非常重要的作用，在進行城市道路照明設計時，設計者要全面考慮道路照明的需求，從光源的選型、布燈方式到節能性，每一個設計部分都至關重要。不同類型的燈具應用于不同的環境中會表現出不同的優劣性，設計者要根據它們的特點進行合理設計；為了達到節約電能的目的，在使用通信手段進行智能控制的同時，也應確保照明設計方案是否滿足相關標準，是否符合人性化、舒適性的要求。筆者以揚州市翠崗路中一段439 m的道路為設計對象，研究不同配光類型的路燈在道路中的照明效果、利用率的區別，并以此為基礎，選用合適的燈具進行兩階段(全亮、調光)的照明仿真設計，得到了一個照明效果完全符合《標準》、可節約電能達11%的照明設計方案，為城市道路照明設計的可靠性提供了有利的數據方案。