LED 路燈技術(shù)發(fā)展與專利分析

呂天剛，胡 燕，王躍飛

(廣州市鴻利光電股份有限公司，廣東 廣州 510890)

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LED 路燈技術(shù)發(fā)展與專利分析

呂天剛，胡 燕，王躍飛

(廣州市鴻利光電股份有限公司，廣東 廣州 510890)

重點研究LED路燈產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展并從專利分析上對產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行進(jìn)一步驗證。首先，現(xiàn)有LED路燈技術(shù)分析進(jìn)行研究，主要涉及關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)發(fā)展趨勢等。然后，通過檢索現(xiàn)有LED路燈專利文獻(xiàn)，并對現(xiàn)有中國、美國、日本以及韓國四個國家的專利進(jìn)行基本情況分析、主要申請人和發(fā)明人分析、技術(shù)功效分析以及技術(shù)路線分析等。最后，結(jié)合產(chǎn)業(yè)技術(shù)分析以及專利分析，得出現(xiàn)有LED路燈發(fā)展趨勢并對后續(xù)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

LED路燈；關(guān)鍵技術(shù)；專利檢索；專利分析

引言

LED是一種固態(tài)冷光源，具有高效、環(huán)保、體積小等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用在城市景觀、交通信號、商業(yè)廣告等。近年來隨著制造工藝的不斷發(fā)展，大功率高亮度LED性能不斷提升，價格不斷下降[1]。這些都使得其開始大量地應(yīng)用于普通照明領(lǐng)域，而且發(fā)展前景廣闊。

隨著LED光源光效的不斷提升，LED路燈的性能也在不斷提高，使得大功率LED路燈應(yīng)用于城市道路照明成為重要方向[2]。

1 LED路燈技術(shù)分析

1.1 定義

LED路燈定義為滿足道路照明要求的組合式LED照明裝置，除了發(fā)光二極管(LED)作光源發(fā)光外，還包括其他部件，例如光學(xué)、機(jī)械、電氣和電子部件等，并將這些部件組合成一個整體。路燈[3]又分為道路照明燈具和街路照明燈具。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

目前LED路燈的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)超過高壓鈉燈，節(jié)能效果達(dá)60%以上，其亮度均勻度達(dá)0.5～0.7(高壓鈉燈為0.2～0.4)，顯色性大于65(高壓鈉燈20～25)，色溫可調(diào)。

從設(shè)計角度來看，LED路燈節(jié)能和長壽命的關(guān)鍵技術(shù)在于LED路燈的整體高能效，具體在于配光的高效合理，散熱結(jié)構(gòu)的高效率，控制裝置(驅(qū)動電路)的高可靠性。這里就從LED路燈關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

1)配光技術(shù)。配光技術(shù)[4]主要包括是路面布光設(shè)計、光輸出效率和防眩光設(shè)計，這都要結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計來統(tǒng)一考慮。路燈要求的是路面照明效果，因此，要利用LED點光源的特點控制光線的分布范圍，使LED發(fā)出的光成為一個沿路面方向鋪展長條形光帶，而不要在無效方向上散射，使光得到最充分的利用。

作為道路照明燈具，LED路燈既要滿足道路照明照度值大小、照度均勻度、環(huán)境比、眩光限制的要求，又要滿足道路照明LPD的要求。所以必須進(jìn)行配光設(shè)計，對光強(qiáng)分布進(jìn)行控制，更要充分考慮到綜合燈具安裝高度和路面寬度等因素對配光設(shè)計的影響，以獲得較為理想的配光?？梢哉f，LED路燈的配光應(yīng)用是滿足道路照明功能要求和提高光通利用率的關(guān)鍵。在道路照明中LED路燈的配光設(shè)計最常見的有兩種:一是弧形排列的LED路燈，單個LED模組采用軸對稱的全反射透鏡或反光環(huán)，LED透鏡模組排列于一個弧面上以實現(xiàn)長方形配光;二是平面排列的LED路燈，采用非對稱的自由曲面透鏡，由單個LED光學(xué)元件完成矩形配光，整體燈則是將具有矩形配光的LED模組在平板上排列而成。

2)散熱技術(shù)。LED路燈散熱效果是提高 LED路燈能效、減少光衰、延長使用壽命的關(guān)鍵。因此，在大功率LED路燈設(shè)計中，合理的散熱設(shè)計十分重要。具體來說，LED路燈的散熱主要有兩個層面:一是結(jié)合LED芯片封裝，通過熱沉將芯片產(chǎn)生的熱量有效地導(dǎo)出并傳導(dǎo)給散熱器;二是在路燈設(shè)計制造時進(jìn)行二次散熱設(shè)計，而被動式散熱是目前業(yè)界較為認(rèn)可的散熱方案。由于路燈防護(hù)等級的要求，燈具內(nèi)熱量最終還是要通過外殼散發(fā)到空氣中，而路燈所處環(huán)境條件又較為惡劣，常受高溫、粉塵、腐蝕性氣體的侵?jǐn)_，所以燈具外殼結(jié)構(gòu)既要有利于散熱，又要有利于長期保潔維護(hù)。如果燈具的散熱設(shè)計不到位，LED芯片的結(jié)溫就會過高，將導(dǎo)致芯片本身及封裝樹脂性能惡化，從而引起發(fā)光效率的降低和壽命的縮短。只有使LED結(jié)溫維持在較低水平，才能保證LED光源穩(wěn)定、可靠性工作，可見在城市道路照明中LED路燈的散熱結(jié)構(gòu)應(yīng)用很重要。

熱學(xué)設(shè)計[5]是要盡可能用比較經(jīng)濟(jì)的方案實現(xiàn)良好的燈體散熱，使半導(dǎo)體燈能夠長期穩(wěn)定的工作，真正的體現(xiàn)出半導(dǎo)體燈壽命長的優(yōu)勢。這也要結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料學(xué)來統(tǒng)一考慮。

3)驅(qū)動技術(shù)。由于驅(qū)動電路的效率會影響到LED路燈的總效率，為此，不可忽視驅(qū)動電路設(shè)計的重要性，應(yīng)最大限度地爭取提高驅(qū)動電路的效率。要有效提高LED路燈驅(qū)動電路可靠性，就必須從提高路燈在惡劣工作環(huán)境下的電子元器件的可靠性、完善驅(qū)動電路的保護(hù)功能、提高電磁兼容性等方面著手。

電氣設(shè)計[6]主要是使燈的電源變換器電氣性能指標(biāo)和可靠性盡可能的高，以滿足燈的節(jié)能、長壽命和有利于電網(wǎng)安全運行的要求。電氣特性對半導(dǎo)體燈的整體性能的影響主要體現(xiàn)在幾個方面：工作的可靠性、節(jié)電效果、對電網(wǎng)的干擾和安全運行的影響情況。

另外，路燈是大功率燈具，并且一般都是集中使用，因此，LED電源除了能提供穩(wěn)定的工作電流之外，還要有盡可能高的變換效率，這樣才能使燈具省電，達(dá)到節(jié)能的效果。制作路燈可以用一個驅(qū)動器驅(qū)動所有LED器件，也可以用多個驅(qū)動器驅(qū)動LED器件，使用一個驅(qū)動器接線最為簡單，成本也最低。但是，使用一個驅(qū)動器一旦驅(qū)動器出現(xiàn)故障就會完全滅燈。但如果用的驅(qū)動器數(shù)量太多，接線復(fù)雜，成本高。綜合考慮，選用3個驅(qū)動器比較合理。

4)智能控制技術(shù)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市建設(shè)的逐步加快，道路照明和景觀照明的要求和數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致城市路燈管理難度越來越大，現(xiàn)有的路燈管理模式已經(jīng)不能滿足實際的需求。因此，路燈管理部門迫切的需要新型的路燈管理系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化管理和維護(hù)路燈。

智能控制系統(tǒng)[7]可以實現(xiàn)自動斷電報警、具有意外開燈、意外關(guān)燈報警功能、缺相報警功能、亮燈率計算、具有經(jīng)緯度控制、光控、定時控制等回路控制功能。能夠提供及時有效的數(shù)據(jù)給客戶分析，在節(jié)省電量的同時也提供了多種設(shè)備維護(hù)的信息給客戶。

智能控制的主要優(yōu)點是大幅降低了耗電，節(jié)約耗電達(dá)40%以上，避免了隔盞關(guān)燈的隱患。對于推廣高效、節(jié)能智能照明器具，配合照明實際情況有效進(jìn)行光能利用，節(jié)約照明用電具有極其深遠(yuǎn)的意義。

1.3 發(fā)展趨勢

1)標(biāo)準(zhǔn)化。隨著大功率白光LED技術(shù)的發(fā)展，功能性照明等需要使用的功率在千瓦級別，與普通照明燈具在光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等性能指標(biāo)上有著明顯的區(qū)別，因此對大功率LED的光電特性、色度特性，安全性、產(chǎn)品可靠度等一致性的要求也更加嚴(yán)格。但是LED的光電和熱學(xué)特性與傳統(tǒng)光源差異極大，使現(xiàn)有針對LED的測量方法無法完全套用傳統(tǒng)照明光源的測量方法，因此各項性能指標(biāo)和熱學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立就顯得尤為重要。美國也推出多項LED照明的光度、電氣及色度測試規(guī)范，并在能效領(lǐng)域推出了固態(tài)照明燈具的能源之星計劃。日本也率先發(fā)布了白光LED的測試方法。中國也陸續(xù)開展LED加速壽命試驗方法、LED模塊與組件測試方法的研究工作。

2)模塊化。目前半導(dǎo)體照明燈具的現(xiàn)狀是光源、燈具、電子部件等一體化，這就給大規(guī)模生產(chǎn)帶來了困難，會使產(chǎn)品的成本居高不下，且不同廠家之間的產(chǎn)品無法互換，使用過程中發(fā)生失效也很難維修。從而引入光引擎模塊的研發(fā)和制造，光引擎模塊即由LED、驅(qū)動器和光學(xué)部件等構(gòu)成的模塊，同時制定好各種接口之間的標(biāo)準(zhǔn)，就可以很好地解決市場的個性化需求和大規(guī)模生產(chǎn)之間的矛盾，且為產(chǎn)品的維修帶來便利。

光引擎模塊化產(chǎn)品具有諸多優(yōu)勢，可以規(guī)避大功率光源運行不穩(wěn)定的風(fēng)險；滿足不同燈桿的運用，也可以直接用于傳統(tǒng)燈具中，避免資源的浪費；模塊化光引擎在使用中更加方便，而且適用所有高功率照明的需要；自帶散熱器，無需輔助散熱器，在25℃～55℃是不需要熱沉；模塊化引擎還可以有效降低成本。不過目前采用模塊化光引擎產(chǎn)品的初期成本較高，而且模塊化只是企業(yè)行為，并未在行業(yè)之間形成模塊之間的通用性和互換性，這些問題都需要進(jìn)一步解決，不過模塊化還是作為很重要的發(fā)展方向。

3)多用途。LED路燈節(jié)能、環(huán)保，又易與數(shù)字電路結(jié)合的特點，決定了其技術(shù)發(fā)展趨勢，必然更好地與現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)、數(shù)字技術(shù)結(jié)合，衍生出更多更好的產(chǎn)品，造福人類。例如：太陽能、風(fēng)能LED路燈，節(jié)能汽車充電樁結(jié)合的LED路燈，帶氣候探測、公共安全檢測功能的路燈等。

4)智能化。隨著人類社會的不斷發(fā)展，未來城市將承載越來越多的人口。為解決城市發(fā)展難題，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)今世界城市發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。

LED路燈是城市中具有重要地位公共設(shè)施，作為目前的新興產(chǎn)業(yè)LED照明產(chǎn)品，天然具備與數(shù)字化信息化技術(shù)很好兼容的優(yōu)勢，必將在智慧城市建設(shè)進(jìn)程中扮演重要角色。

智能化LED路燈[9-10]的優(yōu)勢特點：節(jié)能效率提升、有效延長路燈壽命、維護(hù)方便高效，成本大幅降低、照度按需調(diào)整、色溫按需調(diào)整、其他附加功能如防止路政設(shè)施破壞丟失，或追蹤不法的渣土隨意傾倒等。

2 LED路燈專利分析

2.1 檢索

采用總-分-總方式，分別查LED技術(shù)分支和路燈技術(shù)分支的全部專利，查得LED和路燈兩個獨立的技術(shù)專利集，將兩個專利集合相與，再對結(jié)果進(jìn)行補全、去噪、查全、查準(zhǔn)等操作，得目標(biāo)專利文獻(xiàn)。

2.2 專利分析

1)基本專利情況。LED路燈共申請專利8328件，其中排名前四位的國家—韓國、日本、美國和中國的專利總數(shù)量為913件。排名前四位國家在LED路燈上專利布局特點如下：

韓國和中國專利申請數(shù)量比較多，其中韓國專利申請總數(shù)445件，占專利申請總數(shù)的49%；中國專利申請總數(shù)為291件，占專利申請總數(shù)的32%；而日本專利申請數(shù)量次之，日本專利申請數(shù)量為118件，占專利申請總數(shù)的13%，接近只有韓國專利申請總數(shù)的四分之一；美國專利申請總數(shù)只有59件，占專利申請總數(shù)的6%，只有韓國專利申請總數(shù)的七分之一左右。出現(xiàn)這種情況的原因之一是韓國2006年制定了普及LED照明的“15/30(2015年之前達(dá)到30%的普及率)”目標(biāo)，并開始全面導(dǎo)入LED照明。率先將交通信號燈、戶外顯示器及廣告牌等更換成了LED產(chǎn)品，于是很多企業(yè)將其視為擴(kuò)大業(yè)務(wù)的良機(jī)，紛紛涉足了LED照明市場。而中國自2003年國家啟動“半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)工程”以來，LED戶外照明產(chǎn)業(yè)受到了國家和各級地方政府的高度重視，制定了一系列優(yōu)惠扶持政策，如從2009年初制定“十城萬盞”LED路燈照明示范應(yīng)用工程開始，國家對LED路燈的推廣應(yīng)用補貼力度越來越大，對LED路燈產(chǎn)業(yè)的扶持政策也越來越明晰。排名前四名國家在LED路燈上專利布局情況，見圖1。

圖1 專利布局圖Fig.1 Patent layout

2)申請趨勢分析。排名前四名在LED路燈方面的專利申請趨勢見圖2。

圖2 專利申請趨勢圖Fig.2 Trend of patent

由圖2可見，排名前四在LED路燈領(lǐng)域的申請趨勢整體呈波動狀態(tài)，第一件專利申請出現(xiàn)在1997年， 2005年到2006年又開始小幅度上漲，從2007開始直到2009年呈現(xiàn)快速增長趨勢，在2009年到達(dá)頂峰，造成這種情況發(fā)生的原因可能是2006年韓國開始重視LED路燈發(fā)展以及2009年中國的多種扶持政策導(dǎo)致。

到2010年申請量有所下降，導(dǎo)致這種情況產(chǎn)生的原因可能是韓國在發(fā)出重視LED路燈發(fā)展后，雖然初期有很多企業(yè)大力開始投入LED路燈的發(fā)展，但是因涉足企業(yè)較多，加上單價持續(xù)快速下滑，導(dǎo)致韓國LED業(yè)界現(xiàn)在進(jìn)入了艱難時期，為其雪上加霜的是韓國LED照明的普及步伐停滯不前，從而導(dǎo)致申請量的下降，到2011年以后直到2014年申請量一直處于下降趨勢，這可能是跟專利公開的延時性有關(guān)。

3)法律狀態(tài)。排名前四位國家在LED路燈的專利主要處于有效狀態(tài)，占62%，而在審中的數(shù)量占35%，失效的占3%(見圖3)，由于中國專利數(shù)量在四個國家中排名為第二，而中國專利中實用新型占大多數(shù)，而實用新型專利無需經(jīng)過實質(zhì)審查，從而實質(zhì)審核中專利數(shù)量較少，另外中國專利中最近幾年失效專利都是由于未繳納年費而過期的，這也可以看出技術(shù)的更新?lián)Q代速度以及企業(yè)在舊技術(shù)的舍棄，但是從有效專利占用整個專利數(shù)量的一半以上也可以看出，排名前四位國家對LED路燈領(lǐng)域?qū)＠闹匾暋?/p>

圖3 法律狀態(tài)分析Fig.3 Analysis of legal status

4)主要申請人。從 LED 路燈專利申請人進(jìn)行分析，得到申請量前五位的申請人統(tǒng)計圖如圖4所示。

圖4 申請人統(tǒng)計圖Fig.4 Statistical chart of applicant

5)主要發(fā)明人。專利的發(fā)明人一般代表該專利的研發(fā)團(tuán)隊，通過研究主要發(fā)明人，我們可以了解到排名前四名國家在LED路燈領(lǐng)域的主要研發(fā)團(tuán)體，圖5是對排名前五位的發(fā)明人統(tǒng)計圖。

圖5 發(fā)明人統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical chart of inventor

6)技術(shù)功效。通過技術(shù)功效分析可以找到排名前四位國家在LED路燈技術(shù)領(lǐng)域的布局情況，尋找技術(shù)密集點及技術(shù)空白點，技術(shù)密集點我們可以考慮是否參考，而針對技術(shù)空白點我們也可以考慮是否可以涉足布局。

圖6 技術(shù)功效圖Fig.6 Technology effort analysis

由圖6可以看出，排名前四名國家在LED路燈技術(shù)領(lǐng)域中起步于“提高光效”技術(shù)，該技術(shù)發(fā)展到中期有所放緩，但是后期又開始發(fā)展?jié)q大。而同

時進(jìn)行“節(jié)能”的技術(shù)在研發(fā)初期也有一個量的積累，而“提高散熱效率”從起步開始一直處于增長趨勢，到后期基本與“提高光效”達(dá)到一致，“減重”和“提高穩(wěn)定性”以及“增強(qiáng)安全性”都只是在后期才發(fā)展起來的，且數(shù)量也不多，另外“增加使用功能”和“便于測試”也是在后期才會離散地分布一些，“節(jié)省成本”和“便于安裝、拆卸”從中期起步到后期一直處于增長趨勢，“便于生產(chǎn)/使用”起步在早期，在中期停留了一段時間，后期又開始有所增長，“提高穩(wěn)定性”中期才起步，到后期也開始所有增長。

排名前四名國家在12個方面技術(shù)上從前期到后期都有增長的趨勢，而后期新引進(jìn)的技術(shù)主要集中在使用功能上的增加、成本的減少以及增強(qiáng)安全性，但是早期的“提高光效”以及“提高散熱效率”還是處于主流位置，企業(yè)可以從兩種技術(shù)方面的結(jié)合上進(jìn)行適當(dāng)布局；另外由于在“增加使用功能”以及“便于測試”上數(shù)量較少，企業(yè)可以在此方面進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟季帧?/p>

7)技術(shù)路線。通過技術(shù)路線圖分析，可以幫助我們摸清排在前四名的國家在LED路燈技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展情況，幫助我們理清技術(shù)的發(fā)展趨勢，預(yù)測未來技術(shù)的走向。

圖7 技術(shù)路線圖Fig.7 Technology route analysis

從圖7可知，排在前四名的國家首先在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行布設(shè)專利，其次在2000年在電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行布設(shè)專利，然后在2001年在結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行布設(shè)專利，而散熱技術(shù)領(lǐng)域上布設(shè)專利直到2004年才有，但是在之后的幾年里都呈現(xiàn)明顯而快速地增長，其他附件技術(shù)領(lǐng)域的專利布局直到2010年才有，且數(shù)量偏少，且之后幾年里面也沒有相關(guān)專利的布局，而電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的布局?jǐn)?shù)量一直呈現(xiàn)增長趨勢，導(dǎo)致這種情況發(fā)生的原因可能是近年來互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制LED路燈的開關(guān)以及根據(jù)路況或環(huán)境情況控制LED路燈的開關(guān)從而提供便利性已經(jīng)成為使用LED路燈的一種迫切需求，從而導(dǎo)致電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的控制方法上改進(jìn)的專利越來越多，而光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域上通過調(diào)光或配光實現(xiàn)提高光效一直是LED路燈專利所關(guān)注的對象。企業(yè)在進(jìn)行專利布局時可以考慮適量地在其他附件上進(jìn)行布設(shè)專利，同時可以考慮將其其他附件與電學(xué)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)以及散熱技術(shù)進(jìn)行有效地結(jié)合，從而通過其他附件在電學(xué)技術(shù)上的改進(jìn)為使用LED路燈提供便利性，同時可以通過其他附件實現(xiàn)光學(xué)技術(shù)上的調(diào)光與配光實現(xiàn)提高光學(xué)性能，或也可以從其他附件上著手提高LED路燈的散熱效果。

8)高價值專利篩選。評價專利價值的參考因素較多，通過技術(shù)的先進(jìn)性、技術(shù)的穩(wěn)定性和保護(hù)范圍、技術(shù)團(tuán)隊情況四個方面可篩選出價值度較高的專利，具體的專利基本情況以及選取的原因如表1所示。

表1 高價值專利列表Table 1 Patent list with high value

續(xù)表1

3 總結(jié)

本文研究了LED路燈技術(shù)發(fā)展以及專利分析，通過理論分析以及專利數(shù)據(jù)驗證，現(xiàn)有LED路燈早從2004年就開始起步，近年來隨著國家政策和LED照明的優(yōu)勢，LED路燈的市場需求快速以及專利數(shù)量快速增長，從專利數(shù)據(jù)分析上來說，建議企業(yè)可以從多技術(shù)領(lǐng)域的結(jié)合進(jìn)行布設(shè)專利，如散熱技術(shù)、光學(xué)技術(shù)以及其他附件進(jìn)行有效結(jié)合，從而通過其他附件在電學(xué)技術(shù)上的改進(jìn)為使用LED路燈提供便利性，同時可以通過其他附件實現(xiàn)光學(xué)技術(shù)上的調(diào)光與配光實現(xiàn)提高光學(xué)，或也可以從其他附件上著手提高LED路燈的散熱效果。

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LED Streetlight Technology Development and Patent Analysis

Lü Tiangang， HU Yan， WANG Yuefei

(Guangzhouhongliopto-electronicCO.,LTD.,Guangzhou510890,China)

This paper mainly studies LED streetlight industry technology development, and verifies the industry technology development from the patent analysis perspective. This paper conducts studies about current LED streetlight technology, including its key technology, technology development trend and etc. It analyzes existing patents in China, US, Japan and Korea, about the basic situation, main applicant and inventor, technology efforts, technology route and etc. Finally, it combines the analysis of industry chain technology and patent, to draw the conclusion on existing streetlight development trend, and the prospects about the later technology development.

LED streetlight; key technology; patent search; patent analysis

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題任務(wù)《城市快速路智能化半導(dǎo)體照明關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范》(課題編號：2013AA03A106)

TM923

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10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.026