LED路燈道路模型與照明仿真分析

許毅　劉暢　李永亮

摘 要：針對目前LED路燈的道路照明問題，該文采用DIALUX軟件對道路照明方案進(jìn)行模型建立，以雷士照明燈具庫為例，研究并分析在固定LED光源功率和配光曲線的前提下，LED路燈的照明效果是否滿足國際照明標(biāo)準(zhǔn)CIE。根據(jù)光學(xué)仿真建模分析結(jié)果，得出影響LED路燈照明效果的關(guān)鍵因素：照明器的安裝方式；LED燈桿的安裝高度；LED燈桿的安裝距離；照明器光源功率；照明器的配光曲線。并提出有效可行的LED道路照明解決方案，同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和授課效果。

關(guān)鍵詞：DIALUX LED路燈 仿真分析

中圖分類號：TM923.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0085-02

《LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)》是高職光電子技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)核心課，但是在LED路燈道路照明的教學(xué)環(huán)節(jié)中，存在很多實(shí)際問題，需要通過專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件DIALUX來進(jìn)行模型建立與仿真分析，以具體的案例為主，通過改變相關(guān)參數(shù)來達(dá)到不同的仿真照明效果，讓學(xué)生自己動(dòng)手，以圖像的形式展示，更好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

在道路上設(shè)置照明器是為了在夜間給車輛和行人提供必要的能見度。道路照明可以改善交通條件、減輕駕駛員疲勞、并有利于提高道路通行能力和保證交通安全。目前，隨著大功率高亮度LED的迅速發(fā)展，由于其具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，使得LED作為新一代照明光源被廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的道路照明燈（高壓鈉燈和金屬鹵素?zé)簦┫啾龋琇ED路燈的主要優(yōu)點(diǎn)是：光學(xué)性能佳、可快速啟動(dòng)、便于控制、高效、省電、節(jié)能環(huán)保、可靠耐用、壽命長等[1]。

道路通常用規(guī)定的路面平均照度和均勻度兩個(gè)指標(biāo)。前者的單位是lx，即每1m2水平照射面積上，均勻分布1lm的光通量；后者是最小水平照度與平均水平照度的比值。實(shí)際上道路的亮度分布與照度分布有相當(dāng)大的差別。因此國際照明委員會建議用路面亮度、均勻度、眩光和誘導(dǎo)性四個(gè)指標(biāo)衡量。建議城市干道、高速公路的路面亮度取2cd/m2，縱向均勻度取0.7，G=6[2-3]。

1 建立模擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺

目前，本文道路照明器選擇雷士照明LED路燈，如圖1所示，功率為200W。照明器要合理使用光能，防止眩光。照明器發(fā)出的光線要沿要求的角度照射，落在路面上呈指定的光斑，光線分布均勻，亮度大且眩光小，因此本文的眩光指數(shù)G=6，二次光學(xué)配光曲線為蝙蝠翼型，如圖2所示。

根據(jù)具體的道路斷面形式、寬度、車輛和行人的情況，道路器可采用在道路兩側(cè)對稱布置、兩側(cè)交錯(cuò)布置，一側(cè)布置、分隔島雙叉布置和路中央懸掛布置等形式。該文的采用的具體參數(shù)如下：道路寬度25m；兩側(cè)交錯(cuò)布置；分隔島寬度1m；三排雙向車道；車道寬度3m；燈桿高度12m；燈桿安裝距離25m；維護(hù)系數(shù)0.80；路面為R3柏油。

建立的LED道路照明的物理模型如圖3所示。通過DIALUX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行不同道路模型建立，分別為：

（1）兩側(cè)對稱布置和兩側(cè)交錯(cuò)布置；

（2）LED燈桿的安裝高度12 m和15 m；

（3）LED燈桿的安裝距離20 m和25 m；

（4）照明器光源為高壓鈉燈和LED光源；

（5）LED光源功率為150W、200W和250W。

在不同的LED道路照明仿真模型下，仿真模擬LED道路照明實(shí)際方案，對道路照明的實(shí)際平均照度和均勻度進(jìn)行計(jì)算，并給出相應(yīng)的資料報(bào)表，可以保存為PDF格式文件，以供學(xué)生對不同的照明方案下的LED道路照明效果對比分析。對于某一具體實(shí)際道路，在選定照明器的前提下，能夠給出該路段的LED道路照明方案，并進(jìn)行仿真分析，研究該方案的可行性。

2 LED道路照明實(shí)例分析

下面以某市具體道路為例，此道路寬度為25m，雙向三車道，車流量>2 400輛/h，限速100km/h，路面為柏油馬路。

根據(jù)我國機(jī)動(dòng)車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)值，此照明標(biāo)準(zhǔn)值適用于柏油馬路，如表1所示[4-5]。

根據(jù)道路寬度25m；兩側(cè)交錯(cuò)布置；分隔島寬度1m；三排雙向車道；車道寬度3m等具體參數(shù)。該文選擇燈桿高度12m；燈桿安裝距離25m；維護(hù)系數(shù)0.80；路面為R3柏油。

打開DIALUX軟件，選擇新的道路照明設(shè)計(jì)方案，給定具體的參數(shù)，建立LED道路模型在計(jì)算平均照度和均勻度時(shí)，只要取其中的一個(gè)單位路段即可，因此該文對于平均照度和均勻度的計(jì)算采用25m×25m的計(jì)算面積為單位路段。

模型建立好之后，接下來是導(dǎo)入燈具資料，該文采用雷士照明的LED路燈，將設(shè)計(jì)好的蝙蝠翼型配光曲線IES文件導(dǎo)入DIALUX軟件里就可以進(jìn)行計(jì)算模擬。在模擬的過程中可以根據(jù)不同的模型來對比分析。例如，照明器的安裝方式，兩側(cè)對稱布置和兩側(cè)交錯(cuò)布置；LED燈桿的安裝高度12m和15m；LED燈桿的安裝距離20m和25m；照明器光源為高壓鈉燈和LED光源；LED光源功率為150W、200W和250W。

在布置好燈具以后就開始設(shè)定計(jì)算表面，也就是25m×25m的計(jì)算面積為單位路段，設(shè)定計(jì)算報(bào)表的內(nèi)容，并開始計(jì)算。對于雷士照明LED路燈光源功率250W的照明器，兩側(cè)交錯(cuò)布置，燈桿的安裝高度12m，燈桿的安裝距離為25m時(shí)的平均照度計(jì)算結(jié)果，模擬計(jì)算照度分布表如圖4所示，單位為cd/m2。

從表2中可以在25m×25m的計(jì)算面積內(nèi)看到總共10列數(shù)據(jù)，最小照度值為18lx，最大照度值為54lx，平均照度值為30lx，最小照度值/平均照度值為0.62，最小照度值/最大照度值為0.34，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，均滿足我國道路照明的最低要求。

通過進(jìn)一步仿真分析，得到照度分布表，如圖4所示?？梢杂^察到該道路中的照度值和均勻度均滿足要求，而且沒有黑斑的出現(xiàn)，能達(dá)到均勻照明的目的。

仿真結(jié)果照度偽色圖，如圖5所示。

可以看出，雷士照明的此款燈具，無論平均照度還是均勻度均達(dá)到國家要求，根據(jù)其仿真計(jì)算結(jié)果分析，該道路照明方案滿足要求。綜合不同模型道路模型，進(jìn)行對比仿真結(jié)果分析，進(jìn)一步得到，LED道路照明效果的關(guān)鍵影響參數(shù)：（1）照明器的安裝方式；（2）LED燈桿的安裝高度；（3）LED燈桿的安裝距離；（4）照明器光源功率；（5）照明器的配光曲線。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)安裝高度的越大，安裝距離越遠(yuǎn)，LED光源功率越小，平均照度值也越小，而且均勻度下降。因此根據(jù)不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以得到不同的道路照度值，進(jìn)一步仿真分析得到最佳的道路照明方案。

3 結(jié)語

在LED路燈道路照明的教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過DIALUX軟件對實(shí)際道路情況進(jìn)行仿真建模，學(xué)生通過親自動(dòng)手練習(xí)，更好的掌握LED道路照明效果的關(guān)鍵影響參數(shù)。通過對仿真結(jié)果的分析，進(jìn)一步理解LED道路照明設(shè)計(jì)。同時(shí)，對不同的參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)平均照度值和均勻度等照明質(zhì)量指標(biāo)，提出有效可行的LED道路照明解決方案。

參考文獻(xiàn)

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