一种中灯位多维道路照明方式

摘要

本发明提出一种中灯位多维道路照明方式，由多个维数的照明分量构成，包括：低灯位逆向照明分量、中灯位同向照明分量、中灯位横向照明分量、竖向照明分量和显示照明分量。分别承担路面照明、空间照明、复杂天气照明、指示/景观照明和实时图文显示照明多项任务。各照明分量在照明功能、光色范围、照射方向、照射空间上各自独立、可单独调整。本发明克服了现行主流高灯位照明方式存在的弊端，使上述不同用途光源与灯具各司其职，有效解决了眩光、无效照明和纵向均匀度差等问题，并能够适应智能交通的需求，提高了照明效率。本发明是基于小功率高光效光源自身特点进行的自主型应用研发，根本上摆脱了传统投光灯的照明方式，也跳出了用LED灯简单替换HPS灯的模式。

说明书

技术领域

本发明是发明人系列发明——“多维道路照明体系”的第五部分，涉及一种新型道路照 明方式，具体是一种中灯位多维道路照明方式。

背景技术

市政道路的特点之一是不完全封闭，部分路段人车混行、时有拥堵。目前，市政道路普 遍采用的照明方式是高灯位路灯，光源为HPS或MH，安装高度10m左右，安装间距30m左右， 单灯功率250W左右，这构成了目前主流照明方式。这种照明方式技术成熟，但是由于灯位高， 单灯功率大，存在以下问题：

1、眩光问题

道路照明设计规范要求采用截光、半截光型路灯来减少眩光。这一措施，可以限制眩光 但无法消除眩光。产生眩光的原因是：以截光型灯具(包括HPS、MH灯和LED灯)为例，其 光路主要照射部分并不投射到机动车驾驶员眼中，从这个意义上说，截光型灯具基本避免了 直接眩光。但是，该型灯具总是存在一个亮度很高的发光面，由于该发光面与驾驶员之间存 在高度差H，则总存在视角α使得驾驶员可直视该发光面，感觉到来自前上方的路灯发光面 的眩光(见附图1)。这一眩光不是传统意义上的直接眩光，但仍然属于失能眩光。

该眩光存在的充分条件是：α＞0。

要改变α大于0，有两种措施。其一是把灯具倾斜放置，使灯具的发光面与驾驶员向前 上方的视线平行(见附图2)，从而使α角为0。但机动车在运动时α角的大小在时刻变化， 故这种方法无法消除本行车方向但不同位置的车辆的眩光；同时，这一倾斜的“发光面”会 照射到对面行车方向，反而加强了对面行车方向的眩光，因此不可取。

另一种措施是降低路灯高度，当路灯高度与驾驶员眼高相同时，使α角为0。但这会带 来配光等一系列问题，特别是将现有的250W-400W的HPS、MH路灯高度降至驾驶员眼部高度 显然是不可行的。

因此，采用主流照明方式的道路都存在来自行车方向前上方的失能眩光。

另外，主流照明方式下的高灯位路灯不也都不可避免地存对于临近住宅的光污染。

2、无效照明问题

为提高照度均匀度，高灯位照明方式将光源以下空间尽可能均匀照亮，形成如附图3所 示的光幕区。

对于封闭的快速道路，机动车驾驶员仅需观察路面及道路前方情况而不需要同时观察道 路内外的目标情况。因此，道路照明并不需要路面上方接近10m高的光幕空间，其光幕空间 可降低至一半甚至更低，驾驶员识别道路路面和前方障碍物主要依靠这一光幕空间内的照明， 我们将这一高度内的光幕空间称为有效光幕区域，只有有效光幕区内的照明才有意义。显然， 现行高灯位照明方式存在大比例的无效光幕区。

同时，根据余弦定律，可以证明，即使在有效光幕区域内，现行高灯位照明方式也存在 大比例的无效照明分量。

事实上，只有有效光幕区域内的有效照明分量是有效照明。无效照明包括无效光幕区的 照明及有效光幕区域内的无效照明分量。

另一方面，根据平方反比定律，现行高灯位照明的照度垂直分布规律是上亮下暗。这使 得处于上部的无效光幕区的照度会高于位于下部的有效光幕区的照度。这显然与驾驶员观察 所需要的上暗下亮的照明基本需求相悖。

因此，高灯位照明方式都存在大比例无效照明及违背照明基本需求的问题。

3、可见度低下问题

高灯位路灯的安装间距30m左右，这使得机动车行进方向的垂直照度难以均匀(此非水 平照度意义上的“斑马线”)。有研究指出，在部分区域的垂直照度非常弱，甚至接近于零。

我们知道，前方目标物表面亮度与垂直照度存在准线性正相关关系，而亮度与前方目标 可见度在中间视觉范围亦分段的呈现正相关关系，见附图4。

从图4中可以看出，当平均亮度降到0.1至0.5cd/m²时，可见度将降至20％以下。

这表明高灯位路灯照明方式下，存在可见度特别低的区域。

垂直照度不均匀还将导致行车方向前方空间亮度不均匀(忽明忽暗)，亦会降低前方目标 的可见度RP值，如附图5所示。垂直照度的不均匀，一方面将导致部分暗区可见度较低，同 时也引起整体可见度的降低。

4、树木遮挡问题

目前，市政道路普遍采用的高灯位照明方式，布灯形式多为围合式，该围合式路灯与行 道树空间上共同占有。修路初期，行道树较小，远低于路灯，对路灯照明几无影响；几年后， 行道树长大，枝叶将路灯包围，导致路灯到达路面的投射光部分甚至大部分被树木遮挡，路 灯形同虚设。目前的解决办法唯有砍树或不停地修剪树木，砍树固然不可取，修剪也很难及 时并阻碍交通，面对大量人力与能源的浪费，有关部门一直期望能够通过技术手段从根本上 解决行道树与路灯的矛盾。

上述分析表明，现行主流道路照明方式(高灯位照明方式)是存在这4个问题的根本原 因，该方式不可能解决眩光、无效照明、可见度低下和树木遮挡问题。

高灯位照明方式是随着高电压气体放电(包括HPS、MH)光源的应用而诞生的，并已暴 露出明显的弊端；随着LED等新型光源的发明也必然会产生新的更为先进的照明方式。

LED光源的出现，的确为解决上述问题提供了契机。

LED具有亮度高、体积小、显色性高、低压安全和可分散安装等特点，这为从另一途径 解决4个问题提供了合适的光源。

但是，目前LED应用与研发主要是用LED与传统光源进行简单的替换，几乎所有LED厂 家统统沿用传统路灯的设计思路，追求几十瓦、上百瓦的大功率LED路灯以求与目前的HPS、 MH灯造型、安装方式完全相同或兼容，导致当前LED路灯及安装方式几乎全部以适用于HPS、 MH光源的“蛇头(平板蛇头)灯”为标准进行设计和制造，而非以LED自身发光规律为出发 点进行研发。

我们知道，小功率的LED光源适宜分散安装，也没有突出的散热问题。但大功率LED路 灯的集中、高灯位照明则带来了散热不良、耐久性不好和维修不便等本不该出现的问题，由 此引发了一系列的功能与质量问题，反而导致LED路灯在照明工程界受到质疑。

事实上，以LED光源替换HPS、MH光源并不是照明方式的改变，也不可能解决高灯位照 明方式存在的上述4个问题。

以简单替换为特征的上百瓦、高灯位的LED路灯照明不但没有解决传统HPS、MH路灯存 在的问题，反而增加了散热等新问题，这表明目前LED路灯照明需要走出简单替代的模式， 进行以体现LED自身特点、发挥LED优点为目的的自主型研发。

近期，低灯位路灯照明方式开始出现。低灯位路灯照明中，灯具直接安装在道路护栏、 隔离带上，向路面投光，以满足路面必要的照明需求。

专利CN201110175282.5中公布了一种双向低位LED道路灯，该灯采用LED作为光源，实 际上只是普通护栏灯，主要差别是普通护栏灯单侧照明，而该灯可向两侧照明。实践已证明， 护栏灯不能满足市政道路要求的照明指标。

专利(ZL200720095548.4)CN201014304Y则公开了一种低安装高度路灯，采用MH灯 作为光源，安装间距为8m至11m，安装高度在1.2m以内。该低灯位照明部分克服了高灯位 照明方式存在的较大的无效光幕区问题；如采用LED光源，可部分解决大功率LED光源的散 热问题等。但仍存在以下问题：

1、照明效率低下

该低灯位照明方式，虽然一定程度上克服了高灯位照明存在较大的无效的照明空间的问 题，但由于光源之间的间距变小，其结果是横向照明分量加大，逆向、正向照明分量很小。 分析表明，横向照明分量主要对于提高在非正常天气情况下路面上物体的可见度水平有效， 横向照明对于正常天气情况下驾驶员观察前方道路及障碍物所要求的提供路面基本亮度、形 成前方物体表面亮度以及提高前方物体与路面背景之间的亮度对比贡献很小，并非路面照明 的有效方式。

事实上，CN201014304Y公开的照明方式在照明节能的主要指标——功率密度上并不比 现行高灯位照明方式有明显优势。

2、可见度水平低下

该低灯位照明方式，逆向、同向照明分量采用同一光源与灯具，色度相同、照射空间不 独立，在路面背景与前方物体之间无法形成较高的亮度对比与色度对比，并且路面的亮度均 匀度较低，导致前方物体的可见度水平较低。

3、该低灯位照明方式，全部光照集中于路面1.5m高度以下，不能为驾驶员提供观察前 方障碍物所必须的空间照度，完全不适合市政道路。

4、该低灯位照明方式，并不能真正消除眩光，在驾驶员视域范围内，仍能感到来自于前 侧方灯具“发光面”的眩光(因安装高度在1.2m)。

5、该低灯位照明方式，存在“频闪”问题，易造成驾驶员视觉疲劳。

综上所述，上述高灯位照明与低灯位照明两种照明方式，在本质上仍然是一个灯同时承 担了市政道路照明的多重任务，它们在空间上、时间上相互制约，不可能均达到最佳；在逻 辑上，只有将上述任务分解，由各自独立的小功率、高效能光源、灯具和照明控制系统来完 成，分别控制，独立运行，才可能满足市政道路照明的多重需求，提高照明效率和可见度水 平。

发明内容

本发明综合了市政道路照明的多重需求11项，特殊问题8项。在此基础上，发明人提出 以下相关对策，见下表。

照明需求：

特殊问题：

本发明提出一种新型道路照明方式——一种中灯位多维道路照明方式。该照明方式由多 个维数的照明分量构成，包括一维逆向照明分量、一维同向照明分量、一维横向照明分量、 一维竖向照明分量和一维显示照明分量，各分量均拥有自己的光源和灯具；各照明分量的光 源与灯具，均独立运行；在道路中央及两侧安装，高度1.2m至4.0m，灯具可单独设置或集 成一体。

所述多个维数的照明分量在照明功能、光色范围、照射方向、照射空间上各自独立、可 单独调整；在控制方式上，各照明分量可单独运行或组合运行；在运行模式上，可采用通常 模式或节能模式；将不同控制方式与运行模式优化组合，能发挥出更高的综合效能；

所述低灯位逆向照明依据的基本原理为：路面是驾驶员观察前方障碍物的主要背景，提 供必要的路面亮度是隧道照明的基本要求，减少眩光及提高亮度均匀度是隧道照明的重要任 务。当路灯位于道路两侧，以与车行方向相反的照射方向朝机动车前方路面投光，并规则反 射，若不计光线空气传输中的能量损失，则光源在驾驶员眼视轴方向的照度分量为(见附图 6)：

E_r：光源在路面上的反射照度矢量；

E_e：路面反射照度在驾驶员眼视轴方向的分量；

α：光源的入射角，即路面法线与光源投光方向之间的夹角；

机动车驾驶员视线方向与路面之间的夹角，取

θ：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。

当α→87°时，E_e→E_r·cosθ，即光源高度降低时，路面反射在观察视线上的光辐 射量将增大；在道路照明中，高位安装的光源的α角远小于低位安装的光源的α角，故高灯 位照明时路面反射亮度在驾驶员眼视轴方向的分量亦远小于低灯位照明。

当θ→90°时，光源照射方向与车道垂直(横向照明)，此时，E_e→0，照明效率极低。

光源在路面上的真实反射为非规则反射，非规则反射是规则反射和漫反射的叠加，遵从 朗伯定律。

上述分析表明，当光源以投光角度接近平行于路面(低灯位)、照射方向与车行方向相反 (逆向照明)照射前方路面时，驾驶员视线方向上可获得较高的路面反射亮度、较高的亮度 均匀度且能够控制眩光在较小值；本发明中，逆向照明分量的功能是提供必要的路面亮度、 较高的亮度均匀度且控制眩光在较小值；用于逆向照明的光源，色温不高于4000K，高度低 于机动车驾驶员视平线，照射方向与所在车道车行方向相反，水平方向180°至270°(见附 图7，以中线布灯为例)，垂直方向180°至220°(见附图8)，照射空间为灯高位置下方空 间及路面，无仰角散射；运行模式为通常模式(在正常开灯时间内常全开)或节能模式(通 常模式基础上调光)。

所述低灯位同向照明基本原理为(见附图9)：

E_e＝E_r·cosα·cosβ

E_r：光源在障碍物表面的反射照度矢量；

E_e：障碍物表面的反射照度在驾驶员眼视轴方向的分量；

α：光源的入射角，即路面与光源投光方向之间的夹角；

β：反射照度矢量与驾驶员眼视轴之间的夹角。

当α→0°时及β→0°时，E_e→E_r，即观察视线上的光辐射量E_e将取得最大值；上 述分析表明，当光源以照射方向与车行方向相同(同向照明)、投光角度接近平行于路面(低 灯位)照射前方空间时，驾驶员视线方向上可获得较高的障碍物反射亮度；本发明中，同向 照明分量的功能是以较高显色性的光源，为机动车驾驶员提供道路前方的空间照明，在与低 灯位逆向照明分量共同使用时，通过加强路面背景与前方障碍物之间的亮度差、色度差来提 高障碍物的可见度水平；用于同向照明的光源，色温高于逆向照明分量，显色指数大于70， 高度在机动车驾驶员视平线附近，照射方向与所在车道的车行方向相同，水平方向-90°至 0°(见附图10，以中线布灯为例)，垂直方向0°至40°(见附图11)，照射空间为灯高位 置上方空间，与逆向照明分量无交集；运行模式为通常模式(在正常开灯时间内分时段全开) 或节能模式(通常模式基础上调光)。

所述横向照明依据的基本原理为：在雨、雾、霾、烟等天气情况下，机动车远光灯的效 率显著变低的原因是在机动车前方的空气中聚集了大量悬浮状的气溶胶分子团。这导致一方 面部分射向机动车前方物体的入射光还未到达物体便被光路上的水分子团所吸收和散射，其 散射部分形成白雾幕，即“白(雾)墙效应”，致使驾驶员看不清道路前方的障碍物；另一方 面是到达机动车前方物体的入射光经反射后的光为悬浮在空气中的气溶胶分子团所吸收和散 射，减弱了反射光的亮度与对比度，致使机动车前方障碍物的可见度大大降低。研究表明， 当入射光和驾驶员视线之间的夹角接近垂直时，可有效克服“白(雾)墙”现象，是解决雾 天道路照明的有效方法；本发明中，横向照明分量的功能是提供照射方向与驾驶员的视线方 向近于垂直的空间照明，提高复杂天气情况下前方障碍物的可见度水平；用于横向照明的光 源与灯具，具较高穿透力之光谱，其照射方向与所在车道的车行方向垂直，水平方向180° 至0°，(见附图12，以中线布灯为例)，与路面平行，照射空间为灯高位置上、下方空间及 路面，与逆向照明、同向照明分量有交集；运行模式为通常模式(正常天气下不开，仅在雨、 雾、烟、霾天气时全开)或节能模式(通常模式基础上调光)。

所述竖向照明的基本原理为：穿透力强的竖直光可在照射地点形成局部地标并指示方位； 本发明中，竖向照明分量的功能有两项：1是提供指示照明，当发生事故需要救援时，在空 中明确的标示出事故方位；2是提供景观功能，构成城市景观照明元素，在节日塑造氛围且 不会影响行车安全；用于竖向照明的光源与灯具，其照射方向与路面垂直，垂直方向87°至 93°(见附图13)，照射空间为道路上方，与其它照明分量无交集，光源光色为单色或多个 光色相间按时序变换；运行模式为平时不开，仅在需要情况下手动或遥控开启。

所述显示照明的基本原理为：智能交通需要及时向驾驶员提供道路交通信息，发布交通 指挥部门对驾驶员的指令；本发明中，显示照明分量的功能是实时显示图文信息，引导车辆 有序行驶；用于显示照明的光源与灯具为LED/OLED屏幕或点阵，照射方向斜对所在车道行 车方向；由交通指挥部门采用遥控方式启动、控制运行。

所述的中灯位多维道路照明方式，对于较窄路段，采用“道路中线单排布灯”(见附图 14)，对于较宽道路，采用“道路中线布灯+边侧布灯”布灯方式(见附图15)，对于中线设 置隔离墙的道路，布灯于墙上(见附图16)；对于非水平路段，由于可视距离变短，功率密 度较水平路段功率密度加大；对于非直线路段，由于可视距离变短，功率密度较直线路段功 率密度加大；对于特殊路段，如交汇区、斑马线等，功率密度加大并加强路面水平照度；对 于人车混行路段，功率密度加大并加强垂直照度。

所述的中灯位多维道路照明方式，其关键技术在于限制眩光；限制用于逆向照明的光源 对于本行车方向构成的眩光的措施，是灯具上设置水平上截光遮光板及合理配光；限制同向 照明光源对于对面行车方向构成的眩光的措施，是灯具上设置垂直截光板及合理配光；限制 同向照明光源、横向照明光源对邻近住宅的光污染的措施，是灯具上设置上截光板及合理配 光。

所述的中灯位多维道路照明方式，具有开放性，上述多个维数的照明分量构成基础照明， 进一步完善照明功能的措施是加入更多维照明分量。

本发明的有益效果在于：将传统的道路照明方式加以分解为多维照明，构成低灯位逆向 照明分量、中灯位同向照明分量、中灯位横向照明分量、竖向照明分量和显示照明分量。分 别承担路面照明、空间照明、复杂天气照明、指示/景观照明和实时图文显示照明6项任务。 根据任务性质，设置专用的光源与灯具，以提高驾驶员辨识力为目标，以功率密度(大大低 于现行HID灯及LED灯高灯位照明方式的功率密度)及无路灯照明眩光为两个约束条件，在 每一项任务中，不同用途光源与灯具各司其职，独立控制，使其效能最大化，从而使总体照 明达到综合最优化。

基于中灯位多维道路照明方式消除眩光的机理是，传统高灯位照明只在灯具设计上做文 章，中灯位多维照明体系消除眩光关键是采用综合措施，设置遮光型截光板，遮挡住对驾驶 员以及对临近住宅的眩光。

本发明具有以下比较优势：

1、与高灯位照明方式比较

1)节能

高灯位照明方式存在较大的无效的照明空间，在有效照明的空间内，也存在较大的无效 照明分量，从而导致高灯位照明方式的照明效率低下，其本质是照射空间过大，照到非必须 的区域，照射方向也不合理；本发明提出的中灯位多维照明方式中，提高照明效率的途径一 是大大缩小了照明区域，并使照度分布合理；对于路面照明，低灯位逆向照射方式的效率远 高于现行的主流照明方式，对于前方障碍物照明，低灯位同向照射方式的效率远高于现行的 主流照明方式。上述两种方式结合，光源与灯具各司其职，功率密度将比现行高灯位照明方 式大为降低。

2)降低眩光

高灯位照明方式下，逆向投光分量会导致本行车方向上车行前上方的直接眩光，同向投 光分量则导致对面行车方向上车行前上方的直接眩光。其根本原因是光源位于驾驶员视平线 之上并向下投光，因而直接暴露于驾驶员前方视域内。本发明提出的中灯位多维照明方式中， 逆向照明之光源位于驾驶员视平线之下，向下投光并采取上截光措施；同向照明之光源位于 驾驶员视平线之上，向前投光并采取垂直截光措施，限制中灯位同向照明光源、横向照明光 源对邻近住宅的光污染的措施，是灯具上设置上截光板。上述截光措施可避免光源直接暴露， 比现行高灯位照明方式显著降低眩光指数。

3)提高可见度

由于中灯位多维照明方式分离了逆向照明分量、同向照明分量的照射空间并单独调光， 可形成较强的路面背景与前方物体之间的亮度对比；另外，通过对于逆向照明分量、同向照 明分量的色度单独控制来加强色度对比；上述两种措施都将比现行高灯位照明方式提高前方 物体的可见度水平。

4)本发明与传统高灯位相比无需高灯杆，现场装配简单，同时便于日常维护，不必为了 更换灯具而封闭车道，无论从一次投资还是从运行成本上衡量，都比目前主流的道路照明体 系大为降低。

2、与现有低灯位照明方式比较

本发明与在CN201014304Y公开的低安装高度路灯发明相比，首先，在照明原理、主要 功能、照射方向、照射空间和运行方式几个基本特征完全不同。本发明中逆向照明分量的功 能是提供前方道路的路面照明，用于逆向照明的光源与灯具，其照射方向与所在车道的车行 方向相反，照射空间为灯高位置下方空间及路面；同向照明分量的功能是为机动车驾驶员提 供道路前方的空间照明，用于同向照明的光源与灯具，其照射方向与所在车道的车行方向相 同，照射空间为灯高位置上方空间。

不难看出，在CN201014304Y公开的低安装高度路灯发明的照明方式仅与本发明的一维 分量——横向照明分量相近，而本发明中的横向照明分量不参与正常天气条件下道路照明而 仅作为辅助的照明分量，功能是提高复杂天气情况下的可见度水平。在运行方式上，横向照 明在正常天气下不开灯，仅在雨、雾、烟、霾天气时开；由于本发明中承担正常天气条件下 路面照明的逆向照明分量的照射方式是逆向无仰角散射，使得驾驶员视线方向的路面亮度大 大提高，眩光大大降低，纵向均匀度亦有显著提高。而同向照明分量在与逆向照明共同使用 时，照射方向、照射空间与逆向照明分量无交集，因此可通过加强与路面背景的亮度对比和 色度对比来提高前方物体的可见度水平；这是在CN201014304Y公开的低安装高度路灯发明 中无法做到的。

综上所述，本发明是基于小功率高光效光源自身特点进行的自主型应用研发，克服了传 统高灯位照明方式和已有的低灯位照明方式存在的弊端，在解决眩光、无效照明和纵向均匀 度差等问题、显著提高照明效率、大幅度降低能耗的同时具有良好的路面亮度、纵向均匀度 和诱导性，并且不存在“频闪”问题。

附图说明

图1是现行高灯位照明方式存在眩光示意图；；

图2是无法消除眩光的示意图；

图3是高灯位照明光幕示意图；

图4是路面平均亮度与可见度RP的关系；

图5是亮度均匀与与可见度RP的关系；

图6是本发明逆向照明原理示意图；

图7是本发明逆向照明水平示意图；

图8是本发明逆向照明垂直示意图；

图9是本发明同向照明原理示意图；

图10是本发明同向照明水平示意图；

图11是本发明同向照明垂直示意图；

图12是本发明横向照明水平示意图；

图13是本发明竖向照明垂直示意图；

图14是本发明道路中线单排布灯示意图；

图15是本发明道路中线布灯+边侧布灯示意图；

图16是本发明道路中线骑墙布灯示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，实施例仅用于例证的目的，绝 不限制本发明的保护范围。

应用中灯位多维照明方式进行道路照明优化设计过程如下：

1、在一段市政道路上，根据设计规范确定该类型道路的功率密度上限值，按中灯位多维 照明方式布灯，按经验选取灯高、灯距、单灯功率以及配光曲线等光源、灯具参数；

2、根据上述参数计算出路面亮度、均匀度、空间照度、均匀度、眩光指数、可见度指数 等照明参数；

3、将上述照明参数与设计规范的参数进行比较。若全面满足，则进入4；不满足，调整 灯高、灯距、单灯功率以及配光曲线等光源、灯具参数，返回2；

4、得到与满足规范的照明参数所对应的光源、灯具参数，作为下一步电气设计的基础；

5、电气设计：包括供电与控制；各照明分量在运行方式上既可采用通常模式或节能模式 独立运行，也可将不同模式进行组合运行；

6、在中间隔离带上加装防眩光格栅，将光源与灯具通过金属支架安装中线或两侧边线之 上并调试。

以上所述对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发 明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改，甚至等效，但都将在本发明 的保护范围内。