道路照明的國際現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

　　復(fù)旦大學(xué)電光源研究所 林燕丹 姚其 孫耀杰

　　1 前言

　　道路照明的目的是使駕駛員很好地識別前方路面的情況，保證夜間行車安全，以及舒適駕駛。而同時(shí)道路照明的成本以及能耗是十分巨大的，如何在保證道路照明質(zhì)量以及安全的情況下，能夠更加的節(jié)能，是人們關(guān)注的主要問題。

　　目前，人們主要研究的方向有智能道路照明的研究，通過智能控制，滿足不同條件下的照明需求，不僅能保證更好的照明需求，同時(shí)對于節(jié)能具有良好的效果;道路照明的可視度設(shè)計(jì)，以人的視覺需求出發(fā)，研究滿足安全、舒適的照明環(huán)境設(shè)計(jì);城市道路照明白光化，以新型的金鹵燈以及LED等白光光源為代表的研究，對于其用于城市道路照明的安全、舒適進(jìn)行研究，同時(shí)以中間視覺發(fā)展為理論基礎(chǔ)之一;惡劣天氣下道路照明光譜的研究，如雨雪天氣下道路照明要求，以及霧天氣下，照明光源的透霧性研究等。

　　本文針對國際上道路照明發(fā)展的幾個(gè)方面進(jìn)行了探討，對于中國道路照明的發(fā)展具有—定的借鑒意義。

　　2 道路照明的設(shè)計(jì)要求

　　道路照明必須考慮駕駛員的視覺要求，以便駕駛員能迅速、準(zhǔn)確地獲得有關(guān)的道路交通信息，使之在夜間駕駛汽車時(shí)也能有良好的安全感和舒適感。同時(shí)良好的照明應(yīng)該能夠提高區(qū)域的可視度，同時(shí)，能為城市帶來經(jīng)濟(jì)及社會效益。安全舒適的道路照明主要有以下幾個(gè)方面要求[1]

　　(1)降低夜間事故;

　　(2)便利及擴(kuò)大交通流量;

　　(3)增強(qiáng)夜間商業(yè)及工業(yè)發(fā)展;

　　(4)增強(qiáng)社會文化氣息。

　　基于道路照明的功能要求，主要從照明的燈具選擇、路面照度、眩光、均勻度、光污染以及陰影等方面慮。根據(jù)國際照明標(biāo)準(zhǔn)，道路照明的要求如表1所示，不同道路照明等級，其亮度、均勻度等要求不也各不相同。中國城市道路按快速路、主干路、次干路、支路區(qū)分，其道路照明標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。從表1、表2可以看出，我國的道路照明標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)除了在道路分類等級方面略有不同外，其它的要求基本一致。值得注意的是，與舊的道路照明標(biāo)準(zhǔn)相比，新道路照明標(biāo)準(zhǔn)提出了環(huán)境比(SR)的概念，這對道路燈具的配光提出了更高的要求。

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　　3 道路照明的發(fā)展和趨勢

　　3.1 智能道路照明

　　一般來說，道路照明都是基于相應(yīng)的國際照明標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)的，通常對于某一類型的道路有一個(gè)靜態(tài)的照明要求，如2.0cd/m2，1.5cd/m2，l.0cd/m2，0.5cd/m2.而對于實(shí)際情況，道路照明的要求應(yīng)該是—個(gè)動態(tài)的，并且過程不穩(wěn)定，由眾多因素所決定，如環(huán)境亮度、天氣條件以及亮燈時(shí)段等。由此，人們提出了智能道路照明[3-4]的概念，即在保證道路照明的安全性和質(zhì)量的同時(shí)，能夠盡可能地節(jié)省電力。

　　在挪威位于Asker-Oslo之間的一段高速公路進(jìn)行了智能照明控制，節(jié)能可達(dá)30% .圖1為智能照明道路能源價(jià)格和年花費(fèi)成本比較。從圖1可以看出，隨著能源價(jià)格的增高，智能照明系統(tǒng)對于道路照明節(jié)能以及成本的降低，意義非常重大。

　　挪威智能道路照明原理如圖2所示，在2003～2004年間，采用高壓鈉燈替換原有的高壓汞燈，其節(jié)能達(dá)到70%.其原有燈具使用電量，替換燈具后使用電量以及進(jìn)行調(diào)光后用電量如圖3所示。主要節(jié)能包括兩個(gè)方面，在冬季下雪天氣時(shí)的調(diào)光，以及夏天深：夜車流量減少情況下的調(diào)光。

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　　2005年秋季，赫爾辛基在4km道路上和4個(gè)交匯區(qū)安裝了492盞路燈。系統(tǒng)控制信息包括交通、天氣、亮度信息和道路照明信息等。同時(shí)將用戶在不同條件下視功效研究結(jié)果以及中間視覺照明應(yīng)用于其中。經(jīng)測試，道路照明各相關(guān)光源功率、交通流量和亮度水平關(guān)于時(shí)間的函數(shù)關(guān)系如圖4所示。隨著交通流量的降低，時(shí)間段不同，相應(yīng)亮度也有改變。2006年1～2月間環(huán)路照明系統(tǒng)平均功率變化如圖5所示。從圖5可以看出，有些天數(shù)的能量消耗差異較大，最小的40%，最大的80%.這也表明，智能照明系統(tǒng)一方面可以減少能源的耗費(fèi)，另一方面在實(shí)際有需求時(shí)，可以提供更好的照明效果，以達(dá)到交通安全的目的。

　　由此可以看出，智能道路照明控制系統(tǒng)一方面對實(shí)際的天氣情況以及交通流量作了充分的考慮，另外一方面，一些國際新發(fā)展的理論以及視覺功效結(jié)果，可以實(shí)際地通過智能系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)良好的照明效果和節(jié)能效果。

　　3.2 道路照明的可視度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及發(fā)展

　　駕駛員視覺狀態(tài)與道路照明安全、舒適息息相關(guān)。照明環(huán)境應(yīng)能夠保證使用者足夠清晰地辨清路面上的物體。具體評價(jià)道路照明設(shè)計(jì)是通過道路可視度定義的，這個(gè)概念最早由Adrian提出。一個(gè)物體能否被道路使用者看清楚，決定于道路照明對比度。而可視度水平考慮了物體所處背景的亮度、觀察者年齡、物體視角大小、光幕亮度及觀察時(shí)間等因素。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了小物體的可視度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[1]。

　　小物體的可視度通過定義路面上小目標(biāo)物的可視閾值來衡量道路照明好壞，當(dāng)小物體可以辨識時(shí)，相對大一些的物體就會有更好的辨識效果。物體的可視度越高，對于道路照明駕駛者就越安全，因此在很長一段時(shí)間內(nèi)成為道路照明設(shè)計(jì)的重要準(zhǔn)則。根據(jù)法國Anais Mayeur的最近一項(xiàng)研究表明[5]，由于小物體可視度模型是建立在實(shí)驗(yàn)室對位于視場中央物體探測實(shí)驗(yàn)的簡化模擬結(jié)果，當(dāng)物體所處環(huán)境更加復(fù)雜時(shí)，或觀測者具有更多的視覺任務(wù)時(shí)，受測者對周邊物體的探測受到更多因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)道路的實(shí)際情況對可視度模型進(jìn)行修正。這一結(jié)果也表明國際上越來越重視道路照明中視覺工效的研究，并用于實(shí)際指導(dǎo)道路照明的設(shè)計(jì)和評估。

　　3.3 城市道路照明白光化和中間視覺

　　20世紀(jì)50年代，美國人發(fā)明了高壓鈉燈。由于其光效高、成本低，很快大面積應(yīng)用于道路照明。目前，世界上85%以上的道路照明光源都采用高壓鈉燈。近年來，一些新的金鹵燈光源被開發(fā)出來，色溫相對偏高，為暖白色，顯色性也更加好。由此引發(fā)了黃光與白光的研究，對于道路照明用燈也引起了很大的爭議。隨著LED科技的發(fā)展，高色溫的白光光源再次受到人們的重視，城市道路照明白光化的研究也進(jìn)一步提上了議程。關(guān)于城市道路照明白光化的焦點(diǎn)問題主要集中在幾個(gè)方面：首先中間視覺狀態(tài)下白光是否具有更高的效率;二是使用白光是否更有利于視覺目標(biāo)的辨別和提高視覺舒適度;三是白光的使用是否降低了霧天的可見度。前兩個(gè)問題的探討，國際照明學(xué)會前主席Wout van Bommel專門撰文解答[6]過。

　　從目前的研究結(jié)果看，中間視覺對于光源光譜在道路照明中使用的分析具有特定的條件：在較低適應(yīng)亮度水平下(常不高于0.3cd/m2)的視線外視覺區(qū)域[6]。利用MOVE模型比較高壓鈉燈(S/P值為0.65)與暖白光LED光源(S/P值為1.35)及藍(lán)光豐富的白光ED光源(S/P值為2.15)，可以發(fā)現(xiàn)在適應(yīng)亮度為0.3cd/m2時(shí)暖白光LED光源的照明水平的有效性比高壓鈉燈高19%(=10%+9%)，藍(lán)光豐富的白光LED光源則比高壓鈉燈高38%(=10%+28%)。但應(yīng)注意，這些百分比差別僅適用于線外視覺。而在更高的亮度水平下，即使仍然處于中間視覺狀態(tài)，在光效有效性方面，白光的優(yōu)勢很小。

　　另一個(gè)應(yīng)該值得考慮的問題是光源的顯色指數(shù)。在中間視覺的情況下能產(chǎn)生彩色視覺的錐狀細(xì)胞還能部分地被激活，因而可以認(rèn)為在道路照明中色彩分辨能力對視覺功能還有貢獻(xiàn)。事實(shí)上近來的研究表明：采用顯色指數(shù)大于50的白光比用顯色指數(shù)只有25的高壓鈉燈更容易識別人的面孔。要獲得同樣的辨認(rèn)機(jī)會，所需白光的照明水平僅約為黃光的一半。這里要特別強(qiáng)調(diào)的是：起決定性因素的是顯色指數(shù)，而不是色溫。藍(lán)光豐富的白光和暖白光都有這樣的優(yōu)。英國的標(biāo)準(zhǔn)BS5489規(guī)定當(dāng)采用顯色指數(shù)大于60的光源時(shí)，道路照明的平均照度可以降低[6]

　　關(guān)于城市道路照明白光化的問題，應(yīng)該根據(jù)道路特點(diǎn)、光源和燈具特點(diǎn)全面地進(jìn)行分析，而不是片面地、偷換概念地直接得出某種光色光源更為“節(jié)能”、“高效”的結(jié)論。[NT:PAGE]

　　3.4 惡劣天氣下道路照明研究

　　可見光在下雪、下雨和有霧時(shí)的透過能力會下降，因此，這樣的惡劣天氣對交通安全造成了很大威脅?？梢姽庠谘┗ā⒂甑魏挽F滴中傳播時(shí)，由于散射和吸收等作用，使其可見性受到很大影響。一些研究機(jī)構(gòu)曾做過相關(guān)研究，并給出了一些可見光在這些嚴(yán)峻天氣條件下傳播的特性和結(jié)論。但關(guān)于道路照明光源的透霧性研究方面，國際上可參考的文獻(xiàn)極少。

　　作為對可見光在惡劣天氣條件下傳播特性的初步研究。我們對于LED光譜透霧性進(jìn)行了研究，采用四種單色LED光譜，依次為：紅色LED(λp=625nm，F(xiàn)WHM = 50nm )、黃色LED (λp = 594nm , FWHM= 13nm)、綠色LED(λp=514nm，F(xiàn)WHM =45nm)、藍(lán)色LED(λp=459nm，F(xiàn)WHM=22nm)見圖6。實(shí)驗(yàn)所用裝置如圖6所示。

　　注：1為光源，四只單色LED均為IW;2為霧氣箱，長30cm，寬37cm，高32cm，內(nèi)表面涂黑;3為加濕器，通過22個(gè)檔住產(chǎn)生不同濃度的霧;4為連通管，將加濕器產(chǎn)生的霧通入霧氣箱;5為探頭，正對著光源;6為照度計(jì)，用來采集照度值

　　實(shí)驗(yàn)采用加濕器產(chǎn)生霧，測量四種單色LED在不同霧濃度下的照度衰減。霧的濃度由一個(gè)白色LED在相應(yīng)濃度下的照度衰減值來描述。通過照度衰減曲線得到了具有最佳透霧能力的單色可見光。本實(shí)驗(yàn)測量了四種單色LED在不同霧濃度下的穿透情況，得出了隨著霧濃度的上升，單色LED的透霧性能也下降，但下降程度不盡相同。四種單色光在任意濃度下，黃光的透霧性能最好，其次是紅光，之后是綠光和藍(lán)光見圖7。

　　實(shí)驗(yàn)從量化的角度分析了單色可見光對霧的穿透特性。盡管通過加濕器造出的霧，在成分和霧滴大小以及空間分布上與自然中的霧不相同，但仍能在一定程度上反映出單色光在大量水汽凝結(jié)環(huán)境中的透過情況，如下雨或濕度很大的環(huán)境，實(shí)驗(yàn)結(jié)論對道路照明設(shè)備的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。但實(shí)驗(yàn)僅是對可見光在惡劣天氣條件下透過情況的初步研究。[NT:PAGE]

　　3.5 LED道路照明的前景

　　美國能源部在《固態(tài)照明產(chǎn)品在小眾市場應(yīng)用的節(jié)能評估-2008.10》中提到，如果美國的道路和區(qū)域照明全部改用為LED照明，每年可以節(jié)省44.7TWh的電能，相當(dāng)于7個(gè)1000MW的電站，或者相當(dāng)于每年370萬戶家庭用電。2007年2月在美國北卡羅來納州等地相繼進(jìn)行了LED路燈替換傳統(tǒng)路燈的試用測試。相關(guān)的LED制造商也開始實(shí)施LED城市計(jì)劃以加速LED技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用。此外，美國能源部實(shí)施了Gateway示范項(xiàng)目來追蹤LED產(chǎn)品的應(yīng)用。表3為2007年LED的節(jié)能性能，是基于相同的流明數(shù)來比較傳統(tǒng)光源和LED的瓦特?cái)?shù)。

　　在CIE2009年布達(dá)佩斯的中期會議上，意大利的Iacomussi和Rossi認(rèn)為[7]，LED用于道路照明具有相當(dāng)大的潛力，表現(xiàn)在幾個(gè)方面：LED的白光具有更高的顯色性，有利于在中間視覺下對周邊障礙物的探測;白光具有更好的視覺舒適度;光線更為可控，可提高利用效率;其長壽命有利于降低維護(hù)費(fèi)用;隨著技術(shù)的不斷革新，LED的光效正在以驚人的速度持續(xù)增長;由于可輕松實(shí)現(xiàn)0~100%的調(diào)光，滿足實(shí)際交通的需要而進(jìn)行的調(diào)節(jié)使其具有更大的節(jié)能空間。

　　當(dāng)然，也有對此并不贊同的。例如土耳其的Sermin Onaygil[8] LED道路照明應(yīng)用情況作了分析計(jì)算，結(jié)果表明LED照明在照度、亮度、均勻度、環(huán)境比等參數(shù)上能夠達(dá)到相應(yīng)的照明標(biāo)準(zhǔn)。但是相比于高壓鈉燈，LED耗能要高約40%，因此，她認(rèn)為目前LED道路照明技術(shù)還不能與像高壓鈉燈一樣。

　　關(guān)于LED在道路照明上的應(yīng)用，雖然有各種不同的聲音，但已有很多跡象表明，人們多數(shù)對于LED的應(yīng)用前景均表現(xiàn)出較為樂觀態(tài)度。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，相信LED在道路照明會給人們帶來更多的驚喜。

　　4 結(jié)束語

　　本文探討了目前國內(nèi)外道路照明的發(fā)展情況以及發(fā)展趨勢。對于智能道路照明發(fā)展、城市道路照明白光化研究、惡劣天氣情況下道路照明光譜選用以及傳統(tǒng)光源和LED光源應(yīng)用于道路照明進(jìn)行了分析、比較，綜合考慮了與道路照明設(shè)計(jì)相關(guān)的因素。智能道路照明對于城市道路照明安全、節(jié)能具有重要的意義，代表了道路照明的一個(gè)發(fā)展方向;而白光化研究關(guān)注于道路照明質(zhì)量提升以及舒適性，對于道路照明光源選擇具有重要指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)光源在道路照明中的應(yīng)用仍占主導(dǎo)地位，而LED近年內(nèi)發(fā)展迅速，在光效、燈具設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面都有極快地提升，已經(jīng)有示范性道路建設(shè)，未來必將會帶來新的沖擊。

　　參考文獻(xiàn)

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　　5 Van Bommel W.光源的光譜與低照明水平.中間視覺的基礎(chǔ)[j].《照明工程學(xué)報(bào)》2009

　　6 P. Iacomussi, Giuseppe Rossi and P. Soardo. 2009.ENVIRONMENTAL COMPATIBILITY OF LED LUMINAIRES IN ROAD LIGHTINGPp. Pages in CIE, Light and Lighting Conference with Special Emphasis on LEDs and Solid State Lighting.Budapest, Hungary.

　　7 Sermin Onaygil. 2009. “LED TECHNOLOGIES IN ROAD LIGHTING.” Pp. Pages in CIE, Light and Lighting Conference with Special Emphasis on LEDs and Solid State Lighting. Budapest, Hungary.

　　相關(guān)鏈接：

　　林燕丹，副教授，復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系物理電子學(xué)專業(yè)和德國達(dá)姆斯塔特技術(shù)大學(xué)照明研究所聯(lián)合培養(yǎng)的博士，任國際照明委員會第四分部(交通照明與信號)中國代表;中國照明學(xué)會教育培訓(xùn)工作委員會副主任委員等多職。主要從事照明人體功效學(xué)、新光源在室內(nèi)外照明的應(yīng)用研究和評估及照明視覺基礎(chǔ)等方向的教學(xué)和科研工作，在國內(nèi)外重要期刊雜志上發(fā)表論文五十余篇。目前主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、上海教委近視眼專項(xiàng)研究和中國商用飛機(jī)照明系統(tǒng)等多項(xiàng)重大課題項(xiàng)目。