一種道路照明照度測試方法和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

孟 令 濤，賀 曉 陽，楊 軼，李 德 勝，呂 桓 林，張 競 輝，鄒 念 育

（大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034）

0 引言

半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）作為一種新型光源［1］，與傳統(tǒng)光源相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、重量輕、節(jié)省空間、光譜范圍廣、易于設(shè)計(jì)、能耗低等，而且可靠性好、壽命長，有著廣闊的發(fā)展前景［2］。隨著國家城市建設(shè)進(jìn)程的加快和節(jié)能減排戰(zhàn)略的落實(shí)，LED 路燈產(chǎn)品在實(shí)際中的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

由于路燈鋪設(shè)在室外，具有環(huán)境變化大、供電時(shí)間集中、測試環(huán)境危險(xiǎn)和實(shí)施測試方案困難等很多特殊性，因此大型的實(shí)驗(yàn)室檢測設(shè)備不易甚至無法在現(xiàn)場執(zhí)行實(shí)地測量任務(wù)［3］。而路燈的質(zhì)量及其穩(wěn)定性又直接關(guān)系到交通運(yùn)輸?shù)捻槙澈腿嗣裆?cái)產(chǎn)的安全，因此有必要選擇合適的設(shè)備和科學(xué)高效的方法對LED 路燈進(jìn)行現(xiàn)場測試。本文分析了兩種傳統(tǒng)的道路照明照度測量方法，結(jié)合其優(yōu)缺點(diǎn)并根據(jù)LED 的特性提出了一種改進(jìn)的道路照明照度現(xiàn)場測試方法，編寫了相關(guān)的計(jì)算處理程序，大大提高測量工作效率，保證測量工作質(zhì)量。

1 照度參數(shù)和測量方法

道路照明的功能是為司機(jī)和行人提供良好的視覺條件，它直接關(guān)系到道路行駛安全。而道路照明測量方法則是評價(jià)道路照明功能的主要手段，它主要依靠測量和計(jì)算所得的參數(shù)對道路照明功能進(jìn)行評價(jià)。其中平均照度是LED 路燈現(xiàn)場測試與評價(jià)的首要參數(shù)。平均照度是各個(gè)測量點(diǎn)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過小，則表明燈具照射的效果不達(dá)標(biāo)或照射程度不夠均勻。照度均勻度的計(jì)算方法是所有測量點(diǎn)中的最小照度與平均照度的比值，是衡量所測燈具照射均勻程度的重要參數(shù)；如果這個(gè)均勻度的值過小，在路面上就會(huì)出現(xiàn)“斑馬線”或“斑點(diǎn)”，會(huì)嚴(yán)重影響到司機(jī)和行人的視覺效果。平均照度不僅是評價(jià)LED路燈是否能夠保證照明質(zhì)量的一個(gè)主要數(shù)據(jù)，而且還是計(jì)算環(huán)境比、照度均勻度、照度維護(hù)系數(shù)、照明功率密度和應(yīng)用光效等相關(guān)參數(shù)的重要數(shù)據(jù)。這些參數(shù)是評價(jià)道路照明的重要依據(jù)和主要組成部分，同時(shí)也是評價(jià)路燈的主體和最重要依據(jù)。

根據(jù)測量點(diǎn)的選擇方式的不同，傳統(tǒng)的道路照明照度測量的布點(diǎn)方法主要有四點(diǎn)法和中心法兩種［5］。

1.1 四點(diǎn)法

四點(diǎn)法是把選定的同一側(cè)兩燈桿間的測量路段分成若干個(gè)大小相等的矩形網(wǎng)格，把測量點(diǎn)設(shè)置在每個(gè)矩形網(wǎng)格的四角，如圖1所示。

圖1 四點(diǎn)法示意圖（圖中圓點(diǎn)為測量點(diǎn)）Fig.1 Four-point method（circle point is the measuring point）

四點(diǎn)法的平均照度計(jì)算較為復(fù)雜，但是相對比較精確。其中，兩燈桿間道路縱向的網(wǎng)格數(shù)為M，兩燈桿間橫向的網(wǎng)格數(shù)為N，本文中的M和N的值都以4為例，實(shí)際情況下，當(dāng)所測兩燈桿之間的路段長度介于20～40m，寬度介于8～16m時(shí)，M應(yīng)取10～20的數(shù)值，N應(yīng)取3～6的數(shù)值，而平均照度為Eav，其公式為式中，E0為測量區(qū)燈桿角處網(wǎng)格處布點(diǎn)的照度測量值；E1為除4個(gè)角處4條外邊上的網(wǎng)格處布點(diǎn)的照度測量值；E2為測量區(qū)除E1、E0以外的照度測量值［6］。

1.2 中心法

中心法是把選定的同一側(cè)兩燈柱間的測量路段劃分成若干個(gè)大小相等的矩形網(wǎng)格，把測量點(diǎn)設(shè)在網(wǎng)格中心，如圖2所示。

圖2 中心法示意圖（圖中的圓點(diǎn)為測量點(diǎn)）Fig.2 Center method（circle point is the measuring point）

中心布點(diǎn)法的平均照度計(jì)算公式則較為簡單，其公式為

式中，E′av為測量區(qū)域內(nèi)的平均照度值，E′0為測量區(qū)域中各個(gè)測量點(diǎn)測量的照度值［7］。

1.3 傳統(tǒng)照度測量方法的比較

由于四點(diǎn)法要求將測量點(diǎn)打在矩形網(wǎng)格的角上，測量點(diǎn)的數(shù)量較多而且選定較為困難，而且機(jī)動(dòng)車道路與人行道路照度測量點(diǎn)重合的問題也無法得到很好的解決［7］，中心點(diǎn)法測量點(diǎn)選定相對簡便，只需把測量點(diǎn)打在網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)即可，而且測量點(diǎn)數(shù)量比四點(diǎn)法少，也不會(huì)出現(xiàn)機(jī)動(dòng)車道和人行道測量點(diǎn)重合的問題。但是四點(diǎn)法計(jì)算平均照度方法比中心法計(jì)算平均照度方法更為科學(xué)和精確。

2 改進(jìn)的照度測量方法及參數(shù)計(jì)算程序

2.1 改進(jìn)的測量方法

鑒于四點(diǎn)法和中心法兩種測量與計(jì)算照度方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了改進(jìn)的方法來選取照度的測量點(diǎn)并計(jì)算出平均照度。首先采用中心法較為簡便的布點(diǎn)法對所測路段進(jìn)行布點(diǎn)，圖3、4分別為改進(jìn)測試方法的立體和平面布點(diǎn)示意圖。

圖3 現(xiàn)場測試立體示意圖Fig.3 Three-dimensional diagram of environment testing

圖4 改進(jìn)測試方法布點(diǎn)平面圖Fig.4 Distribution plan of improved test methods

改進(jìn)四點(diǎn)法平均照度的計(jì)算公式：

式中，E″av為平均照度值；E″0、E″1、E″2所代表的測量點(diǎn)與四點(diǎn)法相同。

由于路面上各個(gè)測量點(diǎn)的照度測量值差異很大，因此既考慮到測量數(shù)值的特殊性，又考慮到計(jì)算的整體性［8］，采用了式（3）所示的平均算法，將測量區(qū)域歸如下分類：位于燈桿正下方的4個(gè)位置、兩燈桿間道路中心的若干位置、除第一類和第二類之外的道路邊緣的若干位置。根據(jù)3個(gè)類型測量點(diǎn)的數(shù)量和司機(jī)的使用頻率，分別將其乘以系數(shù)1、2、3，并且也考慮到布點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格的數(shù)量（M和N），改進(jìn)的布點(diǎn)及計(jì)算方法所計(jì)算的平均照度值更加精確。

綜上所述，在測試區(qū)域相同的條件下，傳統(tǒng)的測量方法需要測量25個(gè)點(diǎn)（如圖1、2所示），而改進(jìn)的測試方法法只需測量16個(gè)點(diǎn)。相比之下，測量時(shí)間節(jié)省1/5，而且有效地避免了傳統(tǒng)測試方法中機(jī)動(dòng)車道測量點(diǎn)與人行道測量點(diǎn)相重合的問題，并且計(jì)算的平均照度值更加精確。

2.2 參數(shù)計(jì)算程序

為了簡化現(xiàn)場測試評價(jià)的步驟，進(jìn)一步提高工作效率，本方案中的參數(shù)計(jì)算部分可以根據(jù)改進(jìn)的測試和計(jì)算方法使用計(jì)算機(jī)程序完成相關(guān)參數(shù)的計(jì)算［9］。應(yīng)用LabVIEW 軟件編寫了一個(gè)計(jì)算機(jī)計(jì)算程序，在輸入各個(gè)測量點(diǎn)相應(yīng)的照度測量值之后，首先自動(dòng)計(jì)算出道路的平均照度、人行道的平均照度和照度縱向均勻度，再計(jì)算出照度均勻度、照度維護(hù)系數(shù)、照度功率密度、應(yīng)用光效和環(huán)境比的數(shù)值結(jié)果，結(jié)果見5。如圖5所示，該程序?qū)abVIEW 軟件中數(shù)組函數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場測試中，用兩個(gè)二維數(shù)組分別包含機(jī)動(dòng)車道和人行道所有測試點(diǎn)，并使用數(shù)組拆分函數(shù)和概率統(tǒng)計(jì)函數(shù)以及公式（3）計(jì)算測試點(diǎn)的道路平均照度和人行道平均照度，進(jìn)而計(jì)算出環(huán)境比；使用數(shù)組提取函數(shù)分別提取出數(shù)組中的最小照度和每一車道上的最小照度，并根據(jù)提取的值計(jì)算出測試路段的照度均勻度和照度縱向均勻度。最終完成了測量數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理任務(wù)，即根據(jù)測量的照度值計(jì)算出平均照度、照度均勻度、縱向照度均勻度、環(huán)境比、照度維護(hù)系數(shù)、照明功率密度和應(yīng)用光效等參數(shù)。

圖5 參數(shù)計(jì)算程序界面Fig.5 The program interface of the parameter calculation

本程序還可以判定應(yīng)用改進(jìn)的方法測量和計(jì)算得出的參數(shù)是否符合國家道路照明規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。如圖5所示，燈亮為達(dá)標(biāo)，燈滅為不達(dá)標(biāo)。它的優(yōu)點(diǎn)還在于計(jì)算速度快，而且可以連續(xù)執(zhí)行，界面美觀、簡明，將復(fù)雜的計(jì)算流程隱藏到程序后端，使用快速簡便，繼而極大地簡化了測試評價(jià)工作。圖5中，指示燈點(diǎn)亮的參數(shù)達(dá)到了國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)的要求，相反指示燈未點(diǎn)亮的參數(shù)則沒有到達(dá)國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5為實(shí)際測試的計(jì)算和處理的界面。根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)與國家道路照明規(guī)范所比較，在功率減小20%的情況下，所測路段的LED 路燈平均照度值、環(huán)境比、照度功率密度和應(yīng)用光效同樣可以達(dá)到國家道路照明規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值的要求。由于平均照度值、環(huán)境比、照度功率密度和應(yīng)用光效這些參數(shù)是衡量照明效果與節(jié)能的重要參數(shù)，因此LED 路燈在道路照明中達(dá)到了節(jié)能高效的效果。而照度均勻度和縱向照度均勻度這兩個(gè)參數(shù)未能達(dá)標(biāo)，說明LED 路燈在應(yīng)用與道路照明中存在“斑馬線”的問題。

3 結(jié)論

本研究提出了一種改進(jìn)道路照明照度測試方法。該方法與傳統(tǒng)方法相比，既節(jié)省了1/5的測量時(shí)間，避免了機(jī)動(dòng)車道測量點(diǎn)與人行道測量點(diǎn)相重合的問題，又改進(jìn)了計(jì)算公式，使得計(jì)算得出的平均照度值更加精確，而且自行開發(fā)的一個(gè)自動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算和處理系統(tǒng)，更適用于實(shí)際測量和記錄。本系統(tǒng)可以連續(xù)計(jì)算和處理數(shù)據(jù)，而不需要重新啟動(dòng)程序，并同時(shí)給出評價(jià)結(jié)果。因此，提出的道路照明照度測試方法的結(jié)果對道路照明照度及測試工程的開展和實(shí)施節(jié)能減排都有實(shí)際得參考價(jià)值。

公式（3）的系數(shù)是通過大量數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的結(jié)果，并且應(yīng)用到大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2009A18GX016）的實(shí)際測量中。具體說，通過選取若干不同參數(shù)計(jì)算獲得照度值，而后依次與LED 燈出廠狀態(tài)參數(shù)對比，與實(shí)際道路測量數(shù)據(jù)對比，通過選擇獲得本研究提供的系數(shù)。這些系數(shù)不但適合實(shí)際照度標(biāo)準(zhǔn)的獲得，而且具有計(jì)算方便快捷的特點(diǎn)。特別是在實(shí)際應(yīng)用中，道路中間測得的照度值與實(shí)際檢測獲得的照度值更接近，因此這種檢測結(jié)果也更適于實(shí)際道路照明檢測的需要，具有指導(dǎo)意義。