行车道路照明包括全封闭的高速公路、快速市政道路及公路隧道的照明,这些道路照明系统基本按CJJ 45—2015标准设计.高速公路及市政道路路灯一般采用高压气体放电(high intensity discharge, HID)灯或发光二极管(light-emitting diode, LED),安装高度为10～14 m,间距为30～40 m,单灯功率为120～400 W,按蝙蝠型配光,特点是单灯功率大、灯位高和灯距远^[1-2].LED照明体系经过了上百年的发展,技术已趋于成熟.目前实际应用中最为完善的技术是使用非成像光学对LED进行二次配光^[3],特点是可以将光辐射按需分配,但仍存在眩光强烈、能耗高和照明质量差等问题.高眩光、高能耗和低均匀性的根本原因在于传统路灯采用高灯位、大间距和自上而下照射的照明方式^[4].对于驾驶员而言,只有经路面或者障碍物反射后进入人眼的光线为有效光线.在高位照明中,路灯自上往下照射,路面可以认为是平坦光滑的,大部分地面反射光射向天空,实际光通量的有效占比很低.从空间上看,驾驶员视线位于路灯发光面与路面之间,所以无论采取什么措施都无法消除高位路灯眩光,只能做到消减^[5].

近年来,低灯位道路照明开始出现,大多应用在桥梁^[6]、匝道与高架桥等方面.目前,低位照明体系还处于起步阶段,大多数低位路灯仅仅是将高位路灯高度降低、功率变小、间距变小,然后将其改为横向照明.陈神飞等^[7-9]研究发现现有低位照明均存在眩光强烈及频闪严重等问题,会降低驾驶员主观视觉亮度,降低驾驶员的分辨能力,甚至引发癫痫等疾病.

本研究针对驾驶员的视觉需求建立道路照明模型,得到了路灯有效辐射效率与照射角度的关系,然后根据不同路面的粗糙程度将传统高位路灯分解为多个方向的低位路灯,解决了现行道路照明体系下高眩光和高能耗等问题,在完全满足道路照明的各项需求的条件下,提高照明效率和可见度水平,为道路照明技术的改造提供了依据.

行车道路的路面是驾驶员观察前方障碍物的主要背景^[10].要提升行驶的安全性与舒适性,除了需满足路面的均匀度外,还需要关注空间亮度的分布^[11].本研究综合CJJ 45—2015标准规定及道路照明实践,总结出高速公路照明的多重需求,主要包括:① 路面照明质量,判断指标包括路面亮度与均匀度.一级道路要求路面的总均匀度达到0.4以上,纵向均匀度达到0.7以上,亮度不低于1.5 cd/m^2[12]; ② 空间照明,目的是为路面上的障碍物提供足够的对比度,以提升驾驶员的辨别能力; ③ 限制眩光,判断指标为阈值增量,要保证驾驶员在各个方向上直射眩光与反射眩光的阈值增量均在10%以下.

多维照明系统是指将传统道路照明体系里单个光源负责所有照明功能,改为多个光源负责不同照明功能.多维度是指多个光源在多个方向上进行照射,对路灯的出光进行精细化管理.多维照明系统的设计思路是:根据驾驶员在道路照明中的视觉需求,将传统的集中式照明改为分布式照明,设置多个维度照明的光源,高灯位安装改为低灯位安装,大功率光源改为小功率光源,使不同用途光源与灯具以达到能效最大化,从而使总体照明达到综合最优.

道路照明模型是建立在视轴方向φ角(观察角)不变的情况下, 光源照射方向与视网膜照度的关系. 图1给出了有效照明和无效照明的分量分析图.其中, E_r为光源在路面上的反射照度值; E_re为路面反射照度在驾驶员视轴方向的分量; E_rt为路面反射照度在道路对面方向的无效分量; E_rv为路面反射照度在竖直方向的无效分量; α为光源的入射角,即路面法线与光源投光方向之间的夹角; φ为机动车驾驶员视线方向与路面之间的夹角; θ为光源投光方向所在平面与驾驶员视线方向所在平面的夹角.

图1 有效照明与无效照明的分量分析
Fig.1 Analysis diagram of effective lighting and ineffective lighting components

通常,机动车驾驶员的观察高度距离路面(工作面)1.2 m(小车)～1.6 m(大车),观察距离为60～160 m, φ取值为1.5°～0.5°^[13],本研究取φ=1°.在道路照明中,以E_re作为路灯有效辐射效率的衡量标准.

当路灯灯具处于路边,路面规则反射且不计光线在空气传输中的能量损失时,竖向反射分量为

E_rv=E_rcos α(1)

横向反射分量为

E_rt=E_rsin(α+φ)sin θ(2)

光源在驾驶员视轴方向的照度分量为视网膜分量,可表达为

E_re=E_rsin(α+φ)cos θ(3)

可见,减小θ会降低射向道路对侧的光损失; 增大α会降低射向天空的光损失.因此,在较光滑的道路照明中,可以采用低位安装的窄光束光源模块逆向照射路面,照射角度趋近于驾驶员的观察角度,此时在驾驶员视网膜上形成的E_re可取得最大值,无效辐射分量降至最低.在粗糙道路上则照明方向与驾驶员视线方向相同,近似于车灯的照射角度,则采用正向照明.

光展既可以表示光源的发光能力,衡量光学器件的传输能力,也可以体现接收器的接收能力(图6).对于理想光学系统来说光展是一个守恒量,而对于非理想光学系统的光展只增不减,光展守恒为非成像光学设计带来了极大的方便.

图6 光展
Fig.6 Etendue

全内反射(total internal reflection, TIR)透镜可通过透镜折射率、透镜出光面面积和光束立体角的乘积表示光展,光展微元dU定义为

dU=n²dAcos θ d Ω(4)

其中, n为透镜折射率; A为透镜出光面面积; θ是面积微元法矢量与中心光线的夹角; dΩ是光束的立体角元^[16].

图7 TIR透镜的光展守恒
Fig.7 Etendue conservation of total internal reflection lens

TIR透镜的光展守恒见图7.此时光展为

U=∫n²Scos θ d Ω(5)

其中, S为光源面积.TIR透镜出光面的光展U_A为

U_A=∫n²Acos θ d Ω(6)

假设透镜出光面的出光为完全准直,则式(6)中dΩ=0, 出光面的光展U_A=0, 根据光展守恒原理,LED芯片出光也为0.但只有当芯片面积为0时才会使得光展为0,而实际上芯片是有一定面积的,所以无论经过什么样的准直配光都无法在保持光线无损失的情况下做到完全准直出光,这就意味着透镜出光面每个微元都存在非光轴方向的溢散光.由此,正逆向照明出光面的每一个微元都会产生眩光,眩光消除的关键技术在于出光面的隐藏.

已知驾驶员视线与路面的夹角φ≈1°, 所以设定正逆向照明的垂直角度θ也为1°,准直出光透镜的直径为d; 配光角为α; 透镜出光面距离截光板为l(图8).由于θ=1°, 可以认为出光面高度h与透镜直径尺寸d相同.

图8 无眩光灯具简化结构
Fig.8 Simplified structure of glare-free lamps

透镜出光面直径d、 透镜垂直角θ与出光面和截光板距离l之间的关系为

sin θ=d/l(7)

实际应用中θ≈1°, 为了达到较高的准直性(透镜配光角约为4.5°),设d=70 mm,即出光面高度为70 mm,根据式(4),截光板与透镜出光面的距离需要达到约4 m才能达到较高的出光效率,但这个尺寸从成本、加工、运输和安装等方面考虑都不现实,所以成品将l限制在400 mm,此限制值下透镜出光面高度为7 mm时光线可以基本从灯具射出,可见优化的关键在于降低透镜出光面高度.本研究根据实际的道路应用要求将θ调整为1.2°,降低了照射距离,增加了出光效率.

调整后的灯具经过光学软件Tracepro进行仿真模拟,并使用分布式光度计进行测试后得到灯具出光效率约为20%,比原灯具结构的16.8%出光效率提升了约24%.表1为实测数据与城市道路照明设计标准对比.由表1可见,本研究测试的亮度、均匀度、能耗和眩光都远优于GBT 24969—2010设计标准.但实验路面为水泥路面,亮度较柏油路面偏高,实际柏油路面的应用中亮度应为2～3 cd/m².从视觉效果上看整个照明空间的亮度从下往上逐渐降低,灯具出射光线完全投射在地面上,空间照明由路面反射光线提供,由路边参照物可知照明空间高度在5 m以上,完全满足空间照明的要求.所以,从测量参数与视觉效果上看,多维度照明体系均优于高位路灯.

表1 武汉长江大桥试灯测试数据
Table 1 Light test data on Wuhan Yangtze River Bridge

1)低灯位、分布式和正逆向的照明方式在照明路面的亮度值、亮度均匀度、阈值增量和能耗都优于国家标准,在生理的视觉效果上也优于传统道路照明效果.这证明了此照明系统可行,可为道路照明提出了新的理论依据与设计思路,使路灯走向精细化、节能化和智能化,为道路照明设计体系开辟了新的发展道路.

2)虽然此照明方式解决了高位照明与低位照明所存在的诸多问题,但由于结构因素导致出光效率仍比较低.在目前的实验研究中,功率密度为国家标准的40%,理论上当透镜配光角约为4.5°,垂直角约为1°时灯具极限照明效率可达67%,此时能耗可以降为国家标准的12%.再结合眩光影响人眼视觉的理论,亮度标准还可以进一步降低,最终此照明方式可以在提升照明环境的条件下为我国道路照明降低约90%的电力消耗.