灯具照明一体化模拟的道路照明改造设计

许 珂，孙 红，徐 挺，庞 恺，郭春凤，金 妍，居家奇

（上海应用技术大学 理学院，上海 201418）

路灯作为城市必备的基础设施，在城市交通、生活、市貌等方面都是不可或缺的角色，有着不可取代的重要作用，但在发展过程中，难免出现各种问题。有些过分追求照度和亮度，远远超过国家标准，带来新的光污染问题；有些只重视白天的样式美观，忽视了灯具的功能性，路灯建设的初衷慢慢被边缘化。

传统的道路照明技术，如高压钠灯或金卤灯，都存在明显的缺点。高压钠灯的显色指数不高，而金卤灯的色漂不易控制，两者均无法瞬时热启动，调光相对麻烦。同时，由于光源体积较大，灯具设计时光分布较难控制。这就是普通路灯通常具有诸如眩光、不均匀光图案、向上反射光、光污染和能量浪费等缺陷的原因。相比之下，由于LED的小尺寸和定向光发射，非成像光学器件可以重塑LED的光分布图案，使其仅在需要的地方分布光。图1是传统路灯和精确配光路灯的示意图。原则上，具有适当设计的LED路灯可以提供仅覆盖道路的矩形光分布，严格控制眩光，没有光线漫射，没有光照射到天空中。

从系统工程的观念出发，灯具发光经路面的反射进入驾驶员的眼睛，引起视觉感应，这个光传递过程是灯具发出的光经路面的吸收和反射后，一小部分光线进入眼睛照射到视网膜上，其光强作用于视觉细胞引起明亮感觉，人们看到的是亮度，而非照度。目前道路照明的亮度纵向均匀性并不高，其被描述为“斑马纹效应”，如图2所示。这种效果很容易导致视觉疲劳，且不利于安全驾驶。

影响道路驾驶视觉感知的因素是路面平均亮度、整体水平照度均匀度和纵向均匀度、眩光阈值和显色指数。考虑到所有这些因素，将根据其反射特性同时分析路面上的照度和亮度，以获得最佳照度分布、照度和亮度均匀度。然后，针对计算的照度分布执行LED自由形状透镜的设计。最后，提出了一种照明设计方法，可以应用于各种路面，实现理想的照度和亮度均匀性。

1 道路照明测试

1.1 测量地选择

选择一条在路灯照射范围内有较少遮挡物、光线比较充足的校园道路，符合基本测试要求。这条测试道路总长45 m，路面宽9 m，路灯数量一共是4盏，以3×1.5一小格为基准，一共112个照度测试点，测量4盏路灯的光谱。对于地面水平照度来说，测量方法简便且不受观察位置的影响，只需将照度计的感光探头水平放置在地表附近位置，保证探头处光线不受遮挡，然后读取照度稳定时的度数即可，将其作为校园道路照明测量指标之一。

由表1可知，在测量距离0 m、15 m、30 m、45 m处照度分别达到最高点，而在中间的3个区间里，照度下降非常明显，由图3可知，现场道路照度不均匀，出现了“斑马纹效应”。让道路照明更加均匀，改善均匀度，是此次研究的主要任务。

1.2 均匀度测试结果

出现“斑马纹效应”的原因是照度均匀度值太小。均匀度值越大，且接近于1，说明道路照明的照度均匀度越好，相反光线分布就越差。

根据表1的数据进行实地照度均匀度计算，得到测量道路的照度均匀度只有0.244，这个值并不满足道路照明设计标准。如何让均匀度更完善，并且符合道路照明标准是研究的一个重点方向。

2 Trace pro灯具建模

2.1 花生米透镜

采用LED花生米透镜的照明方法，以实现道路上照度和亮度的最佳均匀性。该方法基于路面的反射特性，根据最小二乘法分析照度和亮度的方差，获得了照明设备的照度强度分布。整体均匀性和方差随k变化，k为照度和亮度的比值。考虑到照度和亮度的均匀性和方差，选择最理想的k，在此选为10－3，然后得到最佳照度分布。结果表明，这种设计方法实现了理想的道路照度和亮度均匀性，也满足了眩光控制和SR的要求。

表1 现场路灯测试照度数据 lx

2.2 建模结果

由花生米透镜模型（见图4）可以得到配光曲线，发现图案呈蝙蝠翼型（见图5）。这种形状的配光曲线使路灯在实际应用中光照范围更广，角度更大，照度均匀度更加趋于标准，不会出现明显的光斑及“斑马纹效应”。由生成的照度图可知，花生米透镜路灯的照明范围窄且长，路面的亮度比较均匀，满足道路照明需求（见图6）。

3 DIALux道路照明模拟

在DIALux软件里选择合适的道路标准后，导入建模路灯。为便于比较分析，各种外部参数设置与测量道路相同。

通过道路照明模拟得出的数据如图7所示，道路照度均匀度和眩光阈值等数据都满足道路照明标准。水平照度图表显示，模拟得出的照度数据更加均匀，更加符合需求。

对比测量照度图和模拟道路图可知，模拟照度比实地测量的照度更平缓，经计算可得模拟道路的照度均匀度可达0.44，说明模拟出的照度均匀度更好。

4 结论

路灯对市民的夜间活动有很大的影响，路灯设置越合理，灯光环境越舒适，则越有利于出行安全。路灯作为城市的重要组成部分，其作用不言而喻，应在符合城市生活需求的条件下，优化路灯，改变路灯造型，让夜景更美，给夜晚的城市锦上添花。对于原有道路照明改造，在不改变路灯间距和灯杆高度的基础上，设计适合路面实际情况的灯具配光将大大节约改造成本。从道路照明实际需求出发，采用灯具照明一体化设计模拟方式有助于对现有道路照明的高效改造。