一种道路照明照度测试方法和数据处理系统

孟 令 涛，贺 晓 阳，杨 轶，李 德 胜，吕 桓 林，张 竞 辉，邹 念 育

（大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116034）

0 引言

半导体发光二极管（LED）作为一种新型光源［1］，与传统光源相比具有很多优点，例如体积小、重量轻、节省空间、光谱范围广、易于设计、能耗低等，而且可靠性好、寿命长，有着广阔的发展前景［2］。随着国家城市建设进程的加快和节能减排战略的落实，LED 路灯产品在实际中的应用也会越来越广泛。

由于路灯铺设在室外，具有环境变化大、供电时间集中、测试环境危险和实施测试方案困难等很多特殊性，因此大型的实验室检测设备不易甚至无法在现场执行实地测量任务［3］。而路灯的质量及其稳定性又直接关系到交通运输的顺畅和人民生命财产的安全，因此有必要选择合适的设备和科学高效的方法对LED 路灯进行现场测试。本文分析了两种传统的道路照明照度测量方法，结合其优缺点并根据LED 的特性提出了一种改进的道路照明照度现场测试方法，编写了相关的计算处理程序，大大提高测量工作效率，保证测量工作质量。

1 照度参数和测量方法

道路照明的功能是为司机和行人提供良好的视觉条件，它直接关系到道路行驶安全。而道路照明测量方法则是评价道路照明功能的主要手段，它主要依靠测量和计算所得的参数对道路照明功能进行评价。其中平均照度是LED 路灯现场测试与评价的首要参数。平均照度是各个测量点的照度的平均值，它表征了道路表面被照明的程度［4］。如果道路的平均照度值过小，则表明灯具照射的效果不达标或照射程度不够均匀。照度均匀度的计算方法是所有测量点中的最小照度与平均照度的比值，是衡量所测灯具照射均匀程度的重要参数；如果这个均匀度的值过小，在路面上就会出现“斑马线”或“斑点”，会严重影响到司机和行人的视觉效果。平均照度不仅是评价LED路灯是否能够保证照明质量的一个主要数据，而且还是计算环境比、照度均匀度、照度维护系数、照明功率密度和应用光效等相关参数的重要数据。这些参数是评价道路照明的重要依据和主要组成部分，同时也是评价路灯的主体和最重要依据。

根据测量点的选择方式的不同，传统的道路照明照度测量的布点方法主要有四点法和中心法两种［5］。

1.1 四点法

四点法是把选定的同一侧两灯杆间的测量路段分成若干个大小相等的矩形网格，把测量点设置在每个矩形网格的四角，如图1所示。

图1 四点法示意图（图中圆点为测量点）Fig.1 Four-point method（circle point is the measuring point）

四点法的平均照度计算较为复杂，但是相对比较精确。其中，两灯杆间道路纵向的网格数为M，两灯杆间横向的网格数为N，本文中的M和N的值都以4为例，实际情况下，当所测两灯杆之间的路段长度介于20～40m，宽度介于8～16m时，M应取10～20的数值，N应取3～6的数值，而平均照度为Eav，其公式为式中，E0为测量区灯杆角处网格处布点的照度测量值；E1为除4个角处4条外边上的网格处布点的照度测量值；E2为测量区除E1、E0以外的照度测量值［6］。

1.2 中心法

中心法是把选定的同一侧两灯柱间的测量路段划分成若干个大小相等的矩形网格，把测量点设在网格中心，如图2所示。

图2 中心法示意图（图中的圆点为测量点）Fig.2 Center method（circle point is the measuring point）

中心布点法的平均照度计算公式则较为简单，其公式为

式中，E′av为测量区域内的平均照度值，E′0为测量区域中各个测量点测量的照度值［7］。

1.3 传统照度测量方法的比较

由于四点法要求将测量点打在矩形网格的角上，测量点的数量较多而且选定较为困难，而且机动车道路与人行道路照度测量点重合的问题也无法得到很好的解决［7］，中心点法测量点选定相对简便，只需把测量点打在网格区域内即可，而且测量点数量比四点法少，也不会出现机动车道和人行道测量点重合的问题。但是四点法计算平均照度方法比中心法计算平均照度方法更为科学和精确。

2 改进的照度测量方法及参数计算程序

2.1 改进的测量方法

鉴于四点法和中心法两种测量与计算照度方法的优缺点，本文提出了改进的方法来选取照度的测量点并计算出平均照度。首先采用中心法较为简便的布点法对所测路段进行布点，图3、4分别为改进测试方法的立体和平面布点示意图。

图3 现场测试立体示意图Fig.3 Three-dimensional diagram of environment testing

图4 改进测试方法布点平面图Fig.4 Distribution plan of improved test methods

改进四点法平均照度的计算公式：

式中，E″av为平均照度值；E″0、E″1、E″2所代表的测量点与四点法相同。

由于路面上各个测量点的照度测量值差异很大，因此既考虑到测量数值的特殊性，又考虑到计算的整体性［8］，采用了式（3）所示的平均算法，将测量区域归如下分类：位于灯杆正下方的4个位置、两灯杆间道路中心的若干位置、除第一类和第二类之外的道路边缘的若干位置。根据3个类型测量点的数量和司机的使用频率，分别将其乘以系数1、2、3，并且也考虑到布点区域网格的数量（M和N），改进的布点及计算方法所计算的平均照度值更加精确。

综上所述，在测试区域相同的条件下，传统的测量方法需要测量25个点（如图1、2所示），而改进的测试方法法只需测量16个点。相比之下，测量时间节省1/5，而且有效地避免了传统测试方法中机动车道测量点与人行道测量点相重合的问题，并且计算的平均照度值更加精确。

2.2 参数计算程序

为了简化现场测试评价的步骤，进一步提高工作效率，本方案中的参数计算部分可以根据改进的测试和计算方法使用计算机程序完成相关参数的计算［9］。应用LabVIEW 软件编写了一个计算机计算程序，在输入各个测量点相应的照度测量值之后，首先自动计算出道路的平均照度、人行道的平均照度和照度纵向均匀度，再计算出照度均匀度、照度维护系数、照度功率密度、应用光效和环境比的数值结果，结果见5。如图5所示，该程序将LabVIEW 软件中数组函数应用于现场测试中，用两个二维数组分别包含机动车道和人行道所有测试点，并使用数组拆分函数和概率统计函数以及公式（3）计算测试点的道路平均照度和人行道平均照度，进而计算出环境比；使用数组提取函数分别提取出数组中的最小照度和每一车道上的最小照度，并根据提取的值计算出测试路段的照度均匀度和照度纵向均匀度。最终完成了测量数据的计算和处理任务，即根据测量的照度值计算出平均照度、照度均匀度、纵向照度均匀度、环境比、照度维护系数、照明功率密度和应用光效等参数。

图5 参数计算程序界面Fig.5 The program interface of the parameter calculation

本程序还可以判定应用改进的方法测量和计算得出的参数是否符合国家道路照明规范的标准。如图5所示，灯亮为达标，灯灭为不达标。它的优点还在于计算速度快，而且可以连续执行，界面美观、简明，将复杂的计算流程隐藏到程序后端，使用快速简便，继而极大地简化了测试评价工作。图5中，指示灯点亮的参数达到了国家道路照明标准的要求，相反指示灯未点亮的参数则没有到达国家道路照明标准的要求。

图5为实际测试的计算和处理的界面。根据测试所得数据与国家道路照明规范所比较，在功率减小20%的情况下，所测路段的LED 路灯平均照度值、环境比、照度功率密度和应用光效同样可以达到国家道路照明规范标准值的要求。由于平均照度值、环境比、照度功率密度和应用光效这些参数是衡量照明效果与节能的重要参数，因此LED 路灯在道路照明中达到了节能高效的效果。而照度均匀度和纵向照度均匀度这两个参数未能达标，说明LED 路灯在应用与道路照明中存在“斑马线”的问题。

3 结论

本研究提出了一种改进道路照明照度测试方法。该方法与传统方法相比，既节省了1/5的测量时间，避免了机动车道测量点与人行道测量点相重合的问题，又改进了计算公式，使得计算得出的平均照度值更加精确，而且自行开发的一个自动数据计算和处理系统，更适用于实际测量和记录。本系统可以连续计算和处理数据，而不需要重新启动程序，并同时给出评价结果。因此，提出的道路照明照度测试方法的结果对道路照明照度及测试工程的开展和实施节能减排都有实际得参考价值。

公式（3）的系数是通过大量数据计算获得的结果，并且应用到大连市科技计划项目（2009A18GX016）的实际测量中。具体说，通过选取若干不同参数计算获得照度值，而后依次与LED 灯出厂状态参数对比，与实际道路测量数据对比，通过选择获得本研究提供的系数。这些系数不但适合实际照度标准的获得，而且具有计算方便快捷的特点。特别是在实际应用中，道路中间测得的照度值与实际检测获得的照度值更接近，因此这种检测结果也更适于实际道路照明检测的需要，具有指导意义。