柳树枝条上安装LED点光源的技术创新

王 刚，沈 葳，高小辉，杨 晟，高希扬，虞建明

(1.杭州运河集团文化旅游有限公司,浙江 杭州 310000;2.浙江城建规划设计院有限公司,浙江 杭州 310000;3.杭州市运河集团,浙江 杭州 310000;4.浙江浙坤工程管理有限公司,浙江 杭州 310000)

引言

2008年，杭州运河集团负责实施运河主城区段(三堡船闸-石祥路)景观亮灯建设。面向全世界征集杭州运河夜景规划方案，最终由法国著名灯光设计大师罗杰主持设计。经过对大运河文化特质和底蕴的梳理，并结合人文地域风貌，确定以蓝绿灯与中国灯笼组合形成的“水墨丹青”意境为主基调开展运河亮灯设计，勾勒21 km运河夜景蓝图。如图1所示，其总体设计构思是通过景观灯光艺术表现运河内在气质，选择的蓝绿色、青色系，可以令夜色下的运河笼罩一层薄雾，透出神秘和浪漫的韵味，月光照映下犹如一幅中国传统的水墨丹青古画。此外，2016年9月杭州举办的G20峰会对城市夜景提出了世界级的要求，运河需打造更高级的夜景灯光产品来迎接此次峰会。

运河十景中的十里银湖墅、江桥暮雨长度约3 km，有三百多颗杨柳树，据《湖墅小志》载：“江涨桥与华光桥作八字式，河面极为开阔，有时暮雨萧萧，颇有诗意，而入夜蟹火渔灯如点点繁星，称‘江桥渔火’辉映岸上，更是别有情趣。”这就是所谓的“江桥暮雨”。而“十里银湖墅”包涵两种意义，一是商旅云集、帆樯卸泊、百货登市的经济内涵，二是历史上所流通的主要商品之特色及其所呈现的商业生态内涵。即使抛开经济因素不论，湖墅依然饱含“银山银海”的历史人文质地。

本文以京杭大运河杭州景区“江桥暮雨”、“十里银湖墅”景点为研究试点，以LED点光源在柳树安装为研究对象，通过对点光源安装的技术、控制程序、安装方式、景观协调的创新，使点光源白天完全隐藏在柳树叶中，夜晚亮灯时达到“瀑布银河、繁星点点”的壮观效果，再现了古时杭州的繁华盛景，打造出世界级夜景灯光。

图1 杭州运河的夜景Fig.1 Night view of the Grand Canal

1 技术创新

1.1 LED点光源

1)LED二次封装技术。相较于传统的DIP发光二极管灯串，LED点光源从寿命、效果、维护等角度都有明显的优势[1]，而这些优势存在的一大原因，便是LED等的二次封装技术。LED二次封装是在完成电子线路焊接后，在LED封装或模块及其驱动或控制电路上使用共混改性RPVC混合材料进行封装，以实现防水、防尘和防护。二次封装技术[2]采用共混改性RPVC混合基材，集材料质量高，技术先进。采用混合改性技术的混合型抗UV包装材料，具有较强的耐候性、耐热性和耐寒性、抗静电性能。它可以使用10年而不会自行开裂，可用于-40 ℃环境，防护等级达到IP68，这是照明领域的最高级别保护。阻燃防护等级达到最高等级V-0级别，当从火源移开时，可实现防火自熄。二次封装特殊技术特性包括：IP 68，防火V-0，防紫外线4～5级，防盐雾，抗冲击，LED工作环境温度(-40～55 ℃)。

2)LED灯具防护等级。LED灯具的防护灯具有别于传统户外灯具，采用的是IP68等级[3]。传统户外灯具通常使用交流模式驱动，其中LED通常在直流模式下供电，因此在直流模式下供电的LED可能会引起电化学腐蚀效应。LED模块中使用的许多组件都是由锡(如用于焊接LED和导线电缆进行数据传输或导电的材料或用来焊接PCB板上的IC的材料)和铜制成(铜线线缆本身和PCB板通常是由铜制成)。如果LED二次封装质量不好， 水渗透进去了，这将提供锡和铜之间的一个优越的电化学腐蚀环境。如我们所知，电解是直流电流通过离子物质，该离子物质可以化解或溶解在合适的溶剂中，这导致电极处的化学反应和材料的分离[4]，锡将会慢慢地被溶解掉。 如果是在氯化钠溶液中，即使在铜和铜之间，电化学腐蚀也会发生，铜将被溶解。

3)点光源的光学条件和光学实验数据。目前常用的白光LED发光制作方式有[5]：①使用蓝光LED激发黄色荧光层， 使得激发出的黄光与部分未被荧光粉吸收的蓝光混光后形成白光。②直接使用红绿蓝3种单色LED混光后形成白光。本课题所使用的LED的光和颜色都是经过严格筛选的，为了达到“瀑布银河， 繁星点点”的视觉效果，设计师特地选了两个不同直径的点光源(20 mm 和90 mm，以下简称直径为20 mm和90 mm的点光源分别为20点光源和90点光源), 具体参数见图2，比起传统的DIP发光二极管灯串(直径只有7 mm：8～9 lm)，这个LED点光源不止拥有更加高的光通量(20点光源：15 lm; 90点光源：150 lm),这样不止可以确保更远的视觉距离，而且最关键的是：20点光源和90点光源被穿插和布置在同一棵树里，这样将会在亮灯后可以呈现出一个有层次感的亮度视觉效果。与此同时， 在不同的区域，不同的颜色和色温的灯也被应用在不同的区域，江桥暮雨区域用了黄光(586 nm)，十里银湖墅则用了正白光 (6 500 K), 这样能够呈现两种截然不同的视觉效果和给观众多一个新鲜的选择。在LED封装过程中可能产生光和颜色质量的变数有： 封装材料的一致性，注塑设备和设备之间的机械差异，注塑的技术和熟练，封装的环境和温度，封装的厚度和形状等等。另外，封装材料的导热能力也是非常重要的，所有LED的光色参数都会随着LED的PN节的温度而相应改变，被封装了的LED必须有效的把LED热能从里往外导热，以便所有的光电参数可以保持一致性。整个技术的关键是一个卓越的二次封装的材料和封装过程不可过多地改变颗粒LED的光色的质量，如果有变化的话，LED个体和LED群体的改变，变化也必须是一致性的，这样才能有效的保证所生产出来的一致性和均匀性。安排专业的检测人员在检测和校准中心为LED二次封装的比对进行光学实验[6]，用的设备是远方光电的2 m积分球HAAS 2000 还有GO2000 卧式分布光度计设备， 所有的设备都是校准和溯源到国家计量院的。

图2 20点光源和90点光源的黄光(586 nm)和正白光(6 500 K)的光谱曲线图Fig.2 Spectral graph of yellow light (586 nm) and positive white light (6 500 K) of 20-point source and 90-point source

1.2 卫星同步控制程序

我们采用了卫星控制技术实现单灯控制的创新技术[7]，每个灯闪亮完全可以任意联动，解决了传统控制联动性差、刻板等问题[8]。如图3所示，基本上每棵树上挂了平均5～6个支架； 一个支架上有三串20点光源和两串90点光源， 20点光源每串长3 m共有15颗， 90点光源每串长3 m共有4颗，两岸共装饰了300多棵树。同时，为了让这些灯具能“行动统一听指令”，还特别编写了一套卫星控制程序，确保3 km范围内的每一个光源都能在规定时间内亮起、变幻，形成流星瀑布及星光闪烁的效果，视觉冲击力强，场面壮观。由于树木较为分散，距离较远，因此选择多台主机卫星同步的方案，这样每台主控制器只控制距离较近的几棵树，在一定程度上降低了多台分控器级联情况的产生，也减少了网线使用的数量，相对降低了人工操作时出错的概率[9]。

图3 卫星同步控制系统Fig.3 Satellite synchronous control system

1.3 创新性工艺安装方式

运河游步道位置条件特殊，无法使用大型登高车，且使用登高梯也无法满足柳树临水面灯具安装的需求，经过一次又一次的安装方式的尝试，最终采用大型工程船配合登高车，克服运河沿水面灯具及支架安装难度较大的困难，完成灯具及相关设施的安装工作。灯具需要安装在树上，但又不能直接悬挂于树干上，经过多方比较，最终决定将灯具固定在支架上，这样做较好的解决了灯具的安装问题，推广至沿线景点，实现图4的灯具排布形式。

图4 点光源安装平面图Fig.4 Point source installation plan

在支架安装过程中，发现原定使用的支架重量过大，最终使用了直径较小重量更轻的镀锌管，同时树的顶端因承重问题又尽量多的使用钢丝吊装。

关于控制器之间如何级联的难题，前期提出两种方案。方案1：按照常规控制器的级联方案，使用网线连接各控制器。因为该项目树木较多，若采取该方案需要较多网线，施工时需要更多管线，增大施工难度。故该方案被否决。方案2：使用交换机进行级联控制。这种做法可以减少网线使用使用数量，同时使控制器之前的级联变为并行控制，也避免了后期灯具大面积不亮的问题出现。最终通过比较，决定按图5所示，使用方案2来进行控制器级联。

图5 使用交换机级联的控制器Fig.5 Controller for cascading switches

1.4 运河两岸景观的协调

在运河柳树亮化时，主要遇到了以下的问题：

难点1：灯具、支架与树木不协调的问题。LED点光源在树木安装非常重要的需解决的难题，就是点光源和线路过于明显，容易被旁边或对岸游客、市民看出大量线路和支架、点光源挂在树上，与周边景观不协调。此段主要写采用仿真柳叶方式美化柳树上线路和点光源，不仅夏季仿真效果好，冬季在真的柳叶大量脱落的情况下仍看起来与真柳叶一致，无明显差别，通过图6的处理方式，春夏秋冬四季支架均能较好地被“掩饰”。研究结论：原来的计划是灯直接缠在柳树上，但初期安装过后发现支架、点光源线路等设施外露明显，且色差较大，影响白天的景观协调，如何平衡白天与夜晚的景色成了设计和施工的头号难题[10]。经过数次现场实物对比、电脑效果模拟，最后决定将部分线路刷成类同柳条颜色的外观，同时点缀上假叶片，一小部分线体缠在假柳条上。这样一来，两岸柳树几乎完全恢复了自然景观状态。远远望去，在柳树中安装的灯具很难被发现。

图6 喷漆后的实景图Fig.6 Real shot after painting

难点2：树木修剪对灯具的影响。灯具安装到支架上之后，需要将支架固定在树上。支架如何固定并且固定的位置也成了一个难题。第一个固定方案是将支架伸出树枝外，考虑到树木日常的修剪,如果支架伸出，可能树木修剪人员会在工作中不慎将灯具剪断，故该方案被否决。第二个固定方案，在安装灯具定制挑臂支架位置在整个柳树树冠形立面2/3以上。这样的安装位置，避免了在树木后期修剪时会触碰到灯具的问题。最终被采纳。然而这样的位置安装，使得安装工人站在楼梯上安装镀锌管的时候，有较大的难度。后来使用工程船，施工人员站在登高车上进行安装，在一定程度上降低了施工难度。

2 夜景照明的效果

提升后的灯光于2016年春节前正式亮相，正如图7 “江桥暮雨”(湖墅八景之一)与“十里银湖墅”经典节点动态效果的展示，再现了古时杭州的繁华盛景。江桥暮雨、十里银湖墅等节点的树木点光源灯宛若星光瀑布，视觉冲击力强，场面壮观，浙江卫视、杭州电视台、浙江日报等六十余家媒体争相报道，好评如潮，反响热烈。

图7 “江桥暮雨”与 “十里银湖墅”实景Fig.7 Real Scene of “Jiangqiao Rain” and “Shili Yinhushu”

亮灯提升有力促进了杭州运河夜游。2015年上半年杭州运河夜游客流量共计91 957人次；提升后，2016年上半年客流量共计141 472人次，同比增加超过35%，一季度增收五十余万元，今后旅游营收可望继续增长。目前，本文提出的柳树安装LED点光源的方式在南京秦淮河及城市入城口等区域都得到了推广应用。

3 结论

亮丽的城市夜景不仅可以为人们的夜间活动创造一个良好的环境，而且对繁荣经济、树立和表现一个城市的夜间形象，营造高尚的文化氛围等具有十分重要的意义。杭州G20峰会前夕，通过对京杭大运河(杭州段)德胜高架桥至登云桥段沿河的柳树重新梳妆打扮，在总跨度长度约3 km的杨柳树上隐蔽式地安装了LED点光源。因为所采用的的灯具具备了最高的LED防护等级[11](包括P68防水防尘I，抗UV4～5级，抗盐雾，阻燃V-0)， 再加上生动和变换无穷的灯光效果，并做了相应的景观美化处理，每当夜幕降临，杭州运河湖墅八景“江桥渔火”、“银山银海”的壮观场面重现，吸引着游人的眼球；华灯初起时，运河升起的水气和雾气成为照明效果的组成部分，远观貌似一条飘舞的蓝绿色绸带，将古老运河的千年风情幻化出唯美的深远意境。