路灯需要的空间光强分布

时间：2016-09-21     作者：章海骢      来源：上海市照明学会      访问量：

　　一.概述
　　道路照明的目的是要在晚上的道路上营造一个适合于机动车驾驶员驾驶车辆(快速运动)时或另一个适合于行人/非机动车在路面行走(慢速运动)时的一个均匀的和足够明亮的路面照明效果和适合这类活动的视觉光环境.让活动进行得更加轻松和方便.为了达到这个目的,国际上个主要发达国家和地区都制订了相应的道路照明标准,在创造和评价这两种作业的环境照明要求时,我国采用的照明标准是CJJ45-2006”城市道路照明设计标准”,其中有两个表与之对应,即表3.3.1和表3.5.1[1].该两个表中的数据说明了按照不同道路等级和交通情况以及作业者的视看状态和条件,道路照明分为按路面照度及其分布为设计基础的行人/非机动车交通的照明环境和按路面亮度及其分布为设计基础的机动车驾驶员的交通车辆为主的照明环境两大类.
　　这两个照明环境的服务对象不同,作业者的视觉状态和运动状态也不同,关心的视看对象所要达到的目的也不同,因此需要的照明指标也不同,需要路灯的配光也不相同,设计时考虑的内容自然也就不同了.
　　在行人/非机动车的路面上,行人的眼睛关注的是路面上的障碍物和对面来的行人的面貌﹑特征和衣著,有需要垂直面的光线,也有需要水平面上的光线,也就是说这是一片靠近观察者附近的空间区域和地面,见图1.鉴于此时的主体---行人和非机动车驾驶员需要观察的对象分别处于两个平面,该两个平面内分别提供行人的衣著﹑脸形等社交需要的信息和相关的地面上障碍物的信息,为了保证行人视觉功能的实现和人员的活动,这类道路上需要多方向的的光线,才能获取多方面的信息.在这样情况下,路灯的照明作用的评价指标理应是路面的照度.
　　在机动车的路面上,驾驶员的眼睛必须关注离汽车前方一定远距离(随速度的不同而异)的路面,使得一旦出现情况---障碍物尽早做出相应的措施,保证行车安全.此时,驾驶员没有必要观察汽车附近的路面,只要关心和观看离车一定距离外路面(往往是离汽车60m开外的路面)上的信息,诸如有没有障碍物﹑需要拐弯吗﹑路面表面上的情况等等.驾驶员的眼睛主要观看和关心这一片路面上亮暗的情况---路面亮度和它们的均匀性,一片亮度比较均匀的路面,让任何障碍物都在一片均匀亮度的路面背景中呈现出来,因此,这类道路上路灯的照明作用的评价指标是路面的亮度.见图2.

　　路灯在这些道路上发挥的作用与路灯的配光分布十分相关,本文说明的就是得到用于行人和非机动车为主道路上的以照度均匀性为主的配光分布和用于机动车为主的道路上以亮度均匀性为主的配光分布的考虑方法和计算.
　　二.道路灯具配光曲线的表述
　　灯具光线在空间的光强分布的表述由使用的坐标系统决定,坐标系统就是
　　空间三坐标轴(X,Y,Z轴)系统和灯具的三坐标轴系统之间的关系.两个系统之间的设置关系没有强制性的规定,需要的仅仅是为了表述方便﹑照明计算的方便和认识上的方便,由此可见,一个灯具往往有三个坐标系统的配光曲线可以表达.这就是目前在灯具光度学中常用的三个光度坐标系统::A-α,B-β,C-γ三种[2].
　　对某类灯具究竟选择那一个系统来表述它的光强分布,出发点就是方便,要做到方便测量﹑方便计算和方便认识(联想).倘若没有办法用一个坐标系统同时满足上面各种需要的话,就只能先用一种方法,在得到一种系统的空间光分布后,再转换成另一种需要的系统的光分布,而后进行研究和计算.
　　鉴于目前使用C-γ系统进行灯具配光曲线的测量是比较普遍的现实(C-γ的测量系统较多),所以目前绝大多数的路灯都用这个系统表述的空间光强分布.但在道路照明实际的认识和使用中,采用C-γ系统会带来一些理解上﹑计算上和联想上的困难,特别是在照明计算和判断灯具光分布质量时是十分不方便,而B-β系统的数据表述是一种好的方式,一种计算和联想都方便的坐标系统,这就产生了坐标系统之间的转换---C-γ系统转换到B-β系统的需要,亏得现在用电脑可以快速进行这方面的转换,非常容易得到需要使用的配光数据和曲线形状.当然,采用B-β系统的测量方法就能得到最接近需要的结果.

　　在路灯照明情况下,路面上的每一条车行道(3.5m宽)的中线是重要的标志线,道路上的照度和亮度的计算和测量都在它上面进行,道路上的纵向均匀度也是指这条线上测量或计算得到的数值.而这条线与灯具构成的平面恰恰就是B-β系统中的一个B平面.由此看来它带来的方便.
　　不仅如此,使用B-β系统后,在路面照明计算中也带来了方便:调节路灯的安装的仰角就是改变B-β系统中的B角,计算自然十分简单,见图3,[2].本文中就使用B-β系统中的不同B平面上的光分布要求来计算路灯需要的配光分布.
　　三.路面得到等照度配光分布的计算
　　路面上一点的照度来自多灯的贡献,但究竟取决于几个灯呢?可以参阅[3][4]中的描述,也就是说与该点相邻的两个灯.图4就是路面上一点来自左右两个灯的例子.

　　为了在路上得到均匀的照度分布,在考虑两个灯贡献的情况下,每个灯在地面上的照度分布可以有许多的形状,得到许多种的分布.但考虑灯具光学系统设计的可行性和方便后,选择一种递减分布是比较现实的和可行的,见图5.

　　在B=0º的平面中:
　　递减的照度分布可写为:
　　1(x=0)
　　E=Eo(1-x/S)(x=x)
　　0(x=S)
　　式中:E:路面上离灯下点为x距离
　　上的照度;
　　Eo:灯下点的照度值;
　　s:两灯间的安装距离;
　　x:路面上的流动坐标.
　　根据照度与光强的关系:
　　E=Iβ·cos3β/h2,(1)
　　式中,β:路灯某个B平面上的角度,见图3;
　　Iβ:射向路面上x坐标点的光强;
　　h:路灯的安装高度.
　　从(1)式得:
　　Iβ:=E·h2/cos3β=Eo(1-x/S)h2/cos3β……(2)
　　取归一时的表式,(2)式改为:
　　Iβ:=(1-x/S)/cos3β……(3)
　　在S/H=3.0的情况下:
　　x/S=x/H·H/S=(tanβ)/3
　　代入(3)式得
　　Iβ:=(1-(tanβ)/3)/cos3β……(4)
　　对(4)式求极值后即得峰值位置在β=64.9º.
　　由此按照(4)式得到的配光曲线如图6所示:

　　在上述条件下,将有该配光的两个灯具置于x=S的条件话,得到1/2照度的点一定在β=56.3º的位置上,见图7.

　　对其它B平面(不同的车行道中线)的配光也可类似处理,但要考虑B角带来的照度的减少(与cosB有关).
　　结论:对行人和非机动车道路上要得到照度均匀分布的路灯的空间光强分布曲线是一些具有蝙蝠翼形状的曲线组成.即在不同B平面上的β=0º方向上的光强是这个平面中的最小光强,随β角的增加不断增大,然后再减小下来.
　　四,路面得到等亮度配光分布的计算
　　CJJ45-2006的表3.5.1中规定了机动车道路路面亮度为主要衡量指标(表中的照度只是为了测量的方便而设置的,在平均照度换算成平均亮度时可近似使用亮度-照度换算系数).道路亮度的计算显得十分重要.作为道路上某一点亮度的贡献路灯数和光线的角度是可以查找道路路面材料的r系数表(亮度系数)中有关的角度的范围中得到,见参考资料[3]中的表2和图13.这些数据在空间的角度位置表示了被计算点需要考虑该点前后四个灯的贡献,见图8.图8上计算路面下的每一点下面的数字就是不同路灯的贡献,数值来自具有单位光强(I=1)分布的情况下的路面相对亮度.,

　　从图8上看出,在亮度计算时远距离路灯来的光线产生的亮度十分可观.
　　为了得到路灯的光分布,在考虑四个路灯作用的前提下,可以采用迭加方法获得路灯的配光曲线,计算在一个有道路中线的B平面上进行,见图9.图中在两灯之间的取点是4个的例子.

　　实际计算时,路面上的取点要略多,用列表方式计算之.

　　将上面得到数个B平面上的配光曲线画在一个图中见图12

　　等照度配光的路灯在路上的照明效果就是人站在路面上远视路面后看到的效果,在S/H较大时,会看到明显的斑马线现象,见图13.而等亮度配光的路灯,因为灯下点有来自另一些灯的大角度光线的补充,不会产生这个问题,见图14.

　　结论:得到路面等亮度分布的配光曲线随不同车行道有不同的分布,不都是需要蝙蝠翼配光的.特别是灯下车行道B平面上的配光,不具有蝙蝠翼配光的基本特征.
　　参考资料
　　[1]章海骢,”从标准内容看道路分类”.低碳照明.No.2.2010.P.6.
　　[2]章海骢,”路灯空间光强分布的表述:低碳照明.No.1.2012.P.22.
　　[3]章海骢,”照度和亮度的认识和计算”:低碳照明.No.4.2010.P.6.