基于多維度低位路燈的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

張 兵，崔朋杰，趙海天

(深圳大學(xué)，廣東 深圳 518060)

引言

道路照明的作用在于夜間為駕駛員提供適宜的光環(huán)境，保證駕駛員的環(huán)境辨別能力與視覺舒適度。人體對于外界信息的接收80%以上都是通過視覺獲得，所以駕駛員對于道路照明的路面亮度有著較高的要求[1]，而高標準的亮度要求則意味著大量的電力消耗，目前我國各類路燈有3000萬盞以上，并且還在以每年約6.75%的速度增加，經(jīng)統(tǒng)計道路照明每年的耗電量約占全社會耗電總量的3%，并且此比例還在持續(xù)上升。為了降低照明能耗，人們從光源、光學(xué)配光[2]、智能控制[3]、照明方式[4]以及視覺上[5]進行了研究。從節(jié)能優(yōu)化空間上來看光源優(yōu)化[6]、光學(xué)配光與智能控制短時間內(nèi)不會有太大突破，而道路照明方式與視覺亮度的研究目前還不夠充分。

本文的研究基于多維度照明體系，涉及到一種新的照明方式，多維度低位路燈的優(yōu)勢在于根據(jù)駕駛員的視覺需求設(shè)計了正逆向的低位照明方式，提高了路燈的照明效率，在武漢市青山大橋五車道20 m路寬的測試實驗中使用亮度成像計對光度數(shù)據(jù)進行了測試，在能耗低于國家標準47%的情況下，亮度達到了國家標準3倍[7]，測試數(shù)據(jù)與國家標準對比如表1所示。但實驗路面為水泥混凝土路面，亮度較柏油路面偏高，實際柏油路面的應(yīng)用中亮度應(yīng)為3～4 cd/m2，意味著在實際應(yīng)用中功率密度可以降低至0.275 W/m2。

雖然此照明方式相比傳統(tǒng)路燈可以極大地降低能耗，但多維度低位路燈為了提升路面亮度均勻度、消除眩光，燈具本身仍存在著出光效率較低的問題，經(jīng)過測試其出光效率約為15%，經(jīng)全空間分布式光度計測試后整燈能效僅為23.28 lm/W。這意味著如果可以從根本上提高燈具出光效率，那么道路照明的能耗可以降低至國家標準的1/10以下。

表1 多維度低位路燈與國家標準參數(shù)對比

1 多維度照明體系分析

1.1 道路照明效率模型分析

路燈的照明效率實際上是指經(jīng)過路面反射射向駕駛員方向的光線與燈具發(fā)出的光線總數(shù)的比值，即路面反射效率，其涉及到了觀察者的位置、觀察者觀察的位置、觀察點的光線入射角度以及路面反射情況[8]。

在道路照明模型中，可以認為駕駛員的位置與觀察點的位置是相對不變的，即視軸方向φ角(觀察角)不變，而路面狀況也是恒定的，則影響路面反射效率的唯一變量為光線入射角度。作為機動車駕駛員的觀察者，其觀察高度通常距離路面1.2～1.6 m；與觀察點的距離為60～160 m；觀察角φ的取值為0.5°～1.5°[9]，本文觀察角取中間值為φ=1°。在道路照明中應(yīng)以Er·e的分量作為路燈有效輻射效率的衡量標準，如圖1所示。

圖1 有效照明與無效照明分量分析圖Fig.1 Analytical diagram of effective lighting and ineffective lighting components

圖中Er為光源在路面上的反射照度矢量；Er·e為路面反射照度在駕駛員視軸方向的分量；α為光源的入射角，即路面法線與光源投光方向之間的夾角；φ為機動車駕駛員視線方向與路面之間的夾角，取φ=1°；θ為光源投光方向所在平面與駕駛員視線方向所在平面的夾角。

當路燈位于道路兩側(cè)，路面規(guī)則反射且不計光線空氣傳輸中的能量損失時，豎向反射分量表達式為

Er·v=Er·cosα

(1)

橫向反射分量表達式為

Er·t=Er·sin(α+φ)·sinθ

(2)

光源在駕駛員視軸方向的照度分量為視網(wǎng)膜分量，可表達為

Er·e=Er·sin(α+φ)·cosθ

(3)

根據(jù)前文關(guān)于路面反射效率的分析，可知對于駕駛員來講Er·e是駕駛員分辨障礙物和觀察路面的有效輻射分量[10]，而Er·v和Er·t則分別射向天空與路旁，屬于無效分量，這一結(jié)果說明了現(xiàn)有高桿燈與低位路燈高能耗的原因[11]。

根據(jù)以上分析，當路面粗糙度較低的時候，應(yīng)該將光源置于低位并采用逆向照射，如圖 2所示，并使光源垂直角可以趨近于1°，這時道路照明模型中Er·e分量可取得最大值；在粗糙道路上則照明方向與駛員視線方向相同,即采用正向照明，如圖 3所示。但在當前的應(yīng)用中無法判斷對于低位道路照明來講路面是粗糙還是光滑，并且柏油路面還會經(jīng)歷一個從粗糙到光滑的過程，所以采用了正逆向結(jié)合的照明方式。

圖2 正向照明Fig.2 Forward lighting

圖3 逆向照明Fig.3 Reverse lighting

1.2 光學(xué)配光分析

正逆向的照明理論要求路燈的照射方向與道路方向相反或相同，而低位路燈安裝于道路兩側(cè)1 m高度以下，這就要求出光必須與路邊存在一水平角將光線投射到路中央，如圖 2、圖 3所示，而這個水平角越小則意味著照明效率越高，所以需要增加路燈的距高比，增加照射距離。本文中的距高比是指光斑最亮點與燈具的距離和燈具安裝高度的比值，低位路燈高度較低，所以為了保證路面亮度均勻性就必須提升距高比。

多維度路燈為了提升距高比采用了大尺寸的TIR透鏡(全內(nèi)反射透鏡)[12]，可以將LED光源發(fā)出的朗伯體分布的光線轉(zhuǎn)化為近似準直的出光，讓光線射得更遠，為了增加光斑的覆蓋面積在透鏡出光面設(shè)計了波紋鏡將準直出光橫向擴散，既提升了距高比，又增加了照明范圍，如圖4所示。經(jīng)過分布式光度計測試得到透鏡出光水平方向配光角約為7.5°，豎直方向配光角約為5.7°。

圖4 TIR透鏡剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of TIR lens cross-sectional structure

1.3 結(jié)構(gòu)配光分析

多維度路燈簡化結(jié)構(gòu)如圖 5所示，燈具結(jié)構(gòu)主要由TIR透鏡和截光板兩個部分組成。透鏡作用是將LED光源的朗伯體出光轉(zhuǎn)化為近似準直出光并將其投射到地面上，根據(jù)駕駛員在行駛過程中的視野范圍可以確定駕駛員視線在0.5°～1.5°之間，所以此燈具設(shè)置垂直角為1°。由于透鏡出光面為準直出光，所以有很高的能量密度，在正逆向的照明方式下出光面會不可避免地進入駕駛員的視野造成非常強烈的眩光。為了消除眩光便加入了截光板，低位路燈的發(fā)光面高度位于駕駛員眼睛(1.2 m)以下，所以截光板的作用是將透鏡出光面發(fā)出的水平以上可以進入駕駛員眼睛的光線遮擋，如圖5所示，保證燈具的出光只能為路面提供照明。結(jié)構(gòu)中為了保證完全消除眩光，要求透鏡出光面的底部要與截光板的底部平齊，這就使得整個燈具的出光效率很低。

觀察圖 5，假設(shè)透鏡出光完全準直，則透鏡出光面在豎直方向上只有一定高度h的光線可以射出，若透鏡垂直角為θ，透鏡出光面與截光板距離為d，則有效出光面高度h的表達式為：

(4)

圖5 多維度低位路燈簡化圖Fig.5 Simplified diagram of multi-dimensional low-level street lights

假設(shè)θ=1°，d=350 mm，計算可得h≈6.1 mm，此值遠小于透鏡的直徑70 mm。但實際上的透鏡出光為近似準直，所以實際上的h值大于6.1 mm，但可以確定h值一定是遠小于70 mm，可以得出優(yōu)化的途徑為降低透鏡的出光面高度。

2 燈具出光效率優(yōu)化實驗

切割透鏡使H變?yōu)閔，此做法與上述結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于需要在H中選擇某一部分h，由于透鏡出光面的能量分布是非均勻的，所以在透鏡出光面上必然可以選擇出一個h得到最大的出光效率，這種方式是目前多維度路燈使用的方式。

2.1 透鏡出光面能量分析

透鏡出光表面的能量密度曲線無法測量，所以由軟件模擬獲得，模擬思路為將透鏡在豎直方向上分割為數(shù)十個寬度為2 mm的部分，再對其能量值一一測量得出光通量數(shù)據(jù)，然后計算每一部分的面積，最后相除得到每一部分的能量密度，最后畫出能量密度曲線。

2.1.1 透鏡出光面能量分析

透鏡出光表面的能量分布曲線無法通過儀器測量，所以需要通過軟件模擬獲得，將透鏡出光面在豎直方向上進行分割，每一部分高度為2 mm，然后以每一部分為出光口，其余部分遮擋，測試每2 mm的出光光通量。將獲得的數(shù)據(jù)制成分布曲線如圖6所示。

圖6 透鏡出光面豎直方向能量分布圖Fig.6 Vertical energy distribution diagram of the light-emitting surface of the lens

2.1.2 能量密度分布

實驗中所采用TIR透鏡的出光面直徑為70 mm，實際使用的透鏡區(qū)域長度為56 mm，如圖7所示。

圖7 透鏡面積計算示意圖Fig.7 Schematic diagram of lens area calculation

沿透鏡56 mm長的方向?qū)⒊龉饷娴乳L分割，透鏡不同位置的面積滿足公式：

(5)

實驗中，r=35 mm，x∈[7，63]， Δx=2 mm，將模擬所得各個位置光通量除以對應(yīng)面積，得到透鏡的能量密度分布。將得到的能量密度數(shù)據(jù)進行曲線插值和擬合，得到出光面豎直方向的能量密度曲線，如圖 8所示，由圖8可知透鏡出光面的大部分能量集中在透鏡中部25～45 mm，寬度約為20 mm的區(qū)域，若要在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下提升出光效率，則需要得出具體透鏡出光高度，然后選取出光面中部相應(yīng)高度作為出光面。

圖8 能量密度曲線Fig.8 Energy density curve

2.2 透鏡出光高度測試實驗

根據(jù)燈具的結(jié)構(gòu)分析可知透鏡出光面只有一部分高度的光線可以照射到地面，所以需要模擬實驗獲得此出光高度，模擬步驟是將透鏡出光面的有效出光高度h分別設(shè)置為2 mm、4 mm、6 mm……，出光高度h以外的出光面設(shè)置遮光板遮擋，如圖9所示。然后進行光線追跡獲得不同狹縫寬度的能量利用效率，能量利用效率會隨著狹縫寬度h值的增大而增大，而在h增大到某一值時，總能量值停止增加，此時便為出光面的有效出光高度，測得數(shù)據(jù)如表2所示，制成二者關(guān)系圖如圖10所示。

圖9 出光高度測試示意圖Fig.9 Schematic diagram of light emission height test

表2 燈具出光光通量與出光高度關(guān)系

圖10 燈具出光光通量與出光高度關(guān)系圖Fig.10 The relationship between the luminous flux and the height of the luminaire

由表2可知，狹縫寬度在24 mm之后能量的使用效率便不再增加，這表明透鏡的折射部分的極限狹縫寬度為24 mm；但觀察圖10可知光通量在15 mm之后幾乎就沒有增加，因此可以以15 mm作為此結(jié)構(gòu)的有效出光高度。在透鏡出光面能量分布圖中找到能量分布最多的15 mm，即27.5～42.5 mm,再次進行軟件模擬，結(jié)果表明燈具出光效率提升至為19%，相比原燈具的15%提升了27%。

3 透鏡優(yōu)化設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

根據(jù)優(yōu)化目標改變透鏡形態(tài)，設(shè)計透鏡出光口趨于長方形，即減小垂直方向的尺寸，增大水平方向的尺寸。由于設(shè)計存在一定的復(fù)雜性，垂直方向高度受到限制，所以透鏡出光面初始目標尺寸設(shè)定為20 mm×80 mm。

設(shè)計采用了不同直徑的TIR透鏡拼接的形式，首先先設(shè)計直徑分別為20、30、40、50、60、70、80 mm的透鏡，然后將直徑20 mm的透鏡切割為55°，將直徑30～70 mm的透鏡切割為10°，將直徑為80 mm的透鏡切割為25°，最終將所有透鏡進行拼合，得到的模型如圖11所示，此模型出光口高度為20 mm，寬度為80 mm。

圖11 異形透鏡模型圖Fig.11 Special-shaped lens model diagram

3.2 軟件模擬對比分析

將異形透鏡替換原TIR透鏡進行光線追跡，得到照度圖顯示燈具的出光效率達到了約32%。相比原燈具效率提升了113%。

為了驗證異形透鏡的均勻性，使用軟件Tracepro導(dǎo)出燈具的ies文件，然后將文件導(dǎo)入軟件DIALux進行路段模擬。路面寬度為20 m，布燈方式與武漢市青山大橋測試相同，為雙側(cè)布燈，路燈間距3 m，高度為0.85 m，單燈功率為16 W。原燈具模擬結(jié)果如圖12所示，異形透鏡燈具模擬結(jié)果如圖13所示。對于多維度低位照明，由于亮度計算公式中所涉及到的簡化亮度系數(shù)與高位路燈完全不同，軟件無法給出較為準確的亮度參數(shù)，因此采用了照度參數(shù)，各項照明參數(shù)如表3所示。

圖12 原始燈具路段模擬圖Fig.12 Simulated map of the original lighting section

圖13 異形透鏡燈具路段模擬圖Fig.13 Simulated map of special-shaped lens lamp road section

表3 優(yōu)化前后照明參數(shù)對比

觀察圖12與圖13可知，路面縱向均勻度極高，但可以明顯看到異形透鏡的路段中間照度高于原始燈具，即橫向均勻度與總均勻度優(yōu)于原燈具。觀察表3可知，燈具優(yōu)化后在相同的功率密度下平均照度值提升了127%，總照度均勻度提升了約55.6%，因此可以認為異性透鏡的出光效率與照明質(zhì)量均有所提升。

4 結(jié)論

1)通過對多維度照明體系的照明方式進行分析得到了多維度照明體系相比傳統(tǒng)路燈節(jié)能的原因，在于其從駕駛員視覺角度設(shè)計了燈具光束的照射方向，正向與逆向的照明方式極大的增加了駕駛員視角的路面反射效率。

2)通過對多維度低位路燈的光學(xué)配光和結(jié)構(gòu)配光進行分析，指出了此照明方式高均勻性的原因在于采用了大直徑的TIR透鏡增大路燈距高比。但同時TIR透鏡結(jié)合截光板造成了燈具出光效率極低，初始出光高度僅為15%，分析得到影響燈具出光效率的因素是透鏡出光面高度。

3)透鏡出光高度測試得到透鏡出光面大約只有15 mm的出光高度，根據(jù)實驗測試得到透鏡出光面能量分布中間高兩側(cè)低，所以選取透鏡中部15 mm作為出光面，最終將燈具出光效率提升至19%，相比原結(jié)構(gòu)提升了27%。

4)分析得到增加燈具出光效率的途徑為降低透鏡出光面高度，所以設(shè)計了出光口約為20 mm×80 mm的異形透鏡進行試驗，實驗結(jié)果表明異形透鏡將燈具出光效率提升至32%，相比原結(jié)構(gòu)提升了113%。