基于道路模拟的可调光道路照明的阈值增量

2019-09-26高欢忠李江山夏清明

照明工程学报 2019年4期

高欢忠，李江山，夏清明

(1.上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114；2. 国家电光源质量监督检验中心(上海)，上海 201114；3. 国家灯具质量监督检验中心，上海 201114)

引言

良好的道路照明是保障夜晚交通安全，确保道路交通运输通畅的重要因素。在过去，道路照明在夜间交通低谷阶段的节电方式一般是简单地熄灭部分路灯，这种方法往往导致在这些路段，照度和亮度均匀度、环境比等非常低，而现在智慧路灯产品由于采用了诸如带有PWM调光功能的智能控制器[1]等附件，因此可以通过整体调低功率运行的方式，在通行高峰时段全功率运行，保证照明充分满足使用者要求，而在深夜交通低谷时段则降低功率以节约用电。

目前主流的道路照明设计方法、评价体系或检测标准[2，3]是以针对传统的调光方式的道路照明效果，如何对智慧照明各项道路评价指标制定相应的、合理的技术要求则是一个亟待解决的问题，特别是阈值增量，其计算和测试比照度、亮度等参数的计算和测试更复杂。本文基于CIE 150 号出版物中的阈值增量(TI)的计算公式[4]，推导了其在理想调光情况下不同人眼适应亮度时TI和光输出变化之间的数值关系。为了验证理论推导得到的结论，我们通过更改路灯配光文件中光输出系数，来模拟可调光路灯在空间各方向上光强均匀变化，运用道路模拟软件Calculux计算道路照明的阈值增量的变化。

1 理论推导

阈值增量即失能眩光的度量，表示存在眩光源时为了达到同样看清物体的目的，在物体及背景之间的亮度对比所需要增加的百分比。阈值增量(TI)是用来度量失能眩光的。失能眩光会造成可见度的下降。这是因为来自眩光源的光在视网膜方向上散射，形成一个明亮的光幕，叠加在原本清晰的景象上，从而增加了背景亮度，使对比度降低。这个光幕可用一个等效光幕亮度Lv来度量。阈值增量的大小除了取决于光幕亮度外，也和眼睛的适应亮度Lav有关。

根据CIE 150 号出版物《限制室外照明中过分强光的指南》中的表述，阈值增量(TI)计算公式为

(1)

式中，L为人眼适应亮度；Eeye是灯具在观察者眼睛高度上、垂直于视线平面上产生的初始照度；θ是视线与灯具中心的夹角，单位是度；∑是对所有待求和的路灯进行求和；k是和观察者年龄有关的常数。当观察者为23岁时，k为650，其他年龄的值可由式(2)求得：

(2)

式中，A是观察者的年龄。

式(1)在0.055 cd·m-2，则TI计算公式变为

(3)

式中，当观察者为23岁时，k为950。

仅通过以上CIE对阈值增量所规定的计算公式，我们尚无法直观地判断出当道路安装路灯的光强变化时TI值的变化。因此，为了进一步得到TI与灯具光强I变化的影响关系，我们做如下两点假设：

1)理想道路条件：道路无环境杂散光干扰，每盏路灯及其安装条件，如悬挑角度等均为完全相同。

2)理想调光条件：各方向上光强值同步、等比例变化，即可以把单个路灯在各方向的光强值I(c,γ)记为与灯具灯下点光强I0始终有固定不变的比例关系,如下

I(c,γ)=I0·δ(c,γ)

(4)

其中比例系数δ(c,γ)在调光过程中不改变。

当0.05

(5)

式中，Ii(c,γ)是第i个灯具在观察者眼睛方向上的光强，θi是视线与第i个灯具中心的夹角，d是从第i个灯具光度中心到观察者眼睛的距离,各参数间的关系如图1所示。

图1 第i个灯具在观察者视线垂直方向上的照度

式(1)中，L为人眼适应亮度，一般均视作是所测路段的道路平均亮度，图2所示为根据照明测量方法[5]，道路上由安装高度为H的光源Q发出的光，到某点P后，经人眼观察到的该点的亮度计算示意。

图2 道路上某点亮度与光源关系

根据所做的假设，不考虑环境光影响情况下，对于待测区域内任意一个测试点，从规定的观察位置测得亮度读数L有以下关系：

(6)

(7)

当人眼适应亮度即待测区域内平均亮度L>5 cd·m-2时，TI表达式改变为

(8)

式中各参数意义同式(7)。

2 模拟结果与讨论

为了验证以上推导结果，我们选择了某个道路灯具在分布光度计上进行配光测试，得到其空间光强分布数据，并通过改变其配光文件中的光输出变化系数K来模拟假设条件中，对空间各方向上光强的同步等比例变化；并且通过分布光度计配套文件读取程序多次验证，改变配光文件的光输出变化系数将只会改变整体的光输出，并不会对光束角、最大光强所在位置等参数引起改变。

我们拟定两组道路条件，使用道路模拟软件Calculux计算其结果分别如下：

1)双幅路、中央隔离带宽度0.5 m、沥青路面、每侧路宽10.5 m、3车道、安装高度10 m、安装间距30 m、悬挑1.5 m、仰角15°，计算得到路面平均亮度和阈值增量TI的结果如表1所示，通过更改灯具配光文件中的光输出系数K来模拟理想调光方式，光输出系数为1时即不作任何改变，表1和表2中“TI计算值(%)”是通过Calculux计算得到的结果，“TI1·K0.2”表示根据前文推导结论，经过调光改变灯具光输出后，TI理论值。