道路照明设计标准参数标准及目的-Led电源大师-搜狐博客

    摘要:道路照明灯具的空间光分布测试是道路灯 具设计和照明设计工程的基础,文章从道路照明 的光度要求出发,分析了道路灯具的光度分布特 点,以及国内外相关标准对道路灯具的光度测试 要求,并对各种分布光度测试系统进行了分析对 比,{zh1}对分布光度数据在照明设计等领域的应 用进行了详细的介绍。

道路照明的主要目 的是为了使各种机动车辆的驾驶者以及行人在自 然光照不理想的情况下能辨认出道路上的各种情 况;在保证交通安全的前提下,尽量采用高效、 节能的照明灯具和控制电器,并创造一个舒适、 美观的照明环境。道路照明灯具的空间光分布是 决定道路照明效果的关键性指标,路面和空间中 某一点的照度、亮度及眩光等方面光度信息都是 由它计算所得到的。而且,合适的配光分布是提 高照明效率的重要手段。

在道路照明中,国内普遍对光源和电器的效率比 较关注,而对灯具的空间配光要求、灯具的反射 器设计、道路照明的科学计算还不够重视。因此 在未来的道路照明中,加强对空间光分布的要求 ,科学地选择照明灯具,是提高照明质量、节约 能源、保证交通安全的重要途径。

1 道路照明的光度要求

作为道路照明的质量评价指标,IES,CIE以及我 国的国家标准对道路照明均有明确的光度要求规 范,其中包括以下几点:

1.1 路面的平均亮度水平

道路表面的平均亮度水平影响着驾驶员的对比敏 感度,因而也影响着知觉的可靠性。在道路照明 中,驾驶员观察路面障碍物的背景主要是驾驶员 前方的路面。因此,障碍物本身的表面和路面之 间至少要有一定的、{zd1}限度的亮度差(对比) 才能察觉到障碍物。所需的对比值取决于视角及 观察者视场中的亮度分布,后者决定观察者眼睛 的适应条件。视角越大(当观察者至障碍物的距 离不变时,障碍物越大),路面亮度越高,眼睛 的对比灵敏度越高,觉察障碍物的机会也就越大 。因此,提高路面平均亮度(或照度)值将有利 于提高驾驶员觉察(障碍物)的可靠性。平均亮 度水平也直接影响到驾驶员的视觉舒适程度。平 均亮度越高(但需保持在产生眩光的亮度水平以 下),驾驶员就越舒适。

1.2 路面的亮度均匀性

为使路面亮度均匀,道路照明设施,虽然能为路 面提供良好的平均亮度,但也有可能在路面上某 些区域产生很低的亮度,因而在这些区域里对比 值低、阈值对比高。同时,视场中大的亮度差, 也会导致眼睛的对比灵敏度下降和引起所谓瞬时 适应问题,以致不易觉察出在这些较暗区域里的 障碍物。因此,为了使路面上各个区域里的各点 都有足够觉察率,就必须确定路面上最小亮度和 平均亮度之间的允许差值,即亮度总均匀度,它 定义为路面上最小亮度和平均亮度之比。在保证 亮度总均匀度的情况下,路面仍有可能出现部分 亮、部分暗的不舒适感觉。所以从舒适性考虑, 应限制沿车道中心线上最亮区和最暗区的亮度差 ,即纵向均匀度。

1.3 眩光

在道路照明中,眩光限制也是一项重要的评价指 标。眩光可分成2类:
(1)失能眩光,它会损害观察物体的能力,直 接影响到驾驶员觉察物体的可靠性。
(2)不舒适眩光,通常引起不舒适感觉和疲劳 ,直接影响到驾驶员的舒适程度。

1.4 视觉诱导

视觉诱导性不能用光度参数来表示,但它也是道 路照明质量评价的一个重要因素。照明设施应能 提供良好的诱导性,使驾驶员在一定距离外能够 立刻辨认这条道路的方向,它对交通安全和舒适 所起的作用犹如亮度水平或眩光控制一样重要, 它与驾驶员的视功能和视舒适两者都有关系。

表1、表2分别列出了IES和CIE对道路照明灯具的 光度要求的推荐值:


   * CIE标准推荐值




2 道路照明灯具的光度分布特点

道路照明灯具不同于室内灯具等其他灯具,由于 其应用场合的不同,具有其本身的特殊性,在灯 具设计和照明设计过程中就需考虑到它的各种特 点。

2.1 IES道路照明灯具光分 布的分类

IES根据纵向光分布和水平光分布定义了灯具的 光分布类型,其中纵向分布(Vertical Light Distributions)分为Short(近)、Medium(中 等)、Long(远)三类;水平光按沿道路横向分 布(Lateral Light Distribution)远近分为5 类:TYPE Ⅰ、TYPE Ⅱ、TYPE Ⅲ、TYPE IV、 TYPE V(如图1所示)。




2.2 CIE灯具分类

CIE按截光类型将道路灯具按其配光分成截光型 、半截光型和非截光型灯具。
(1)截光型灯具Full cut-off luminaire
{zd0}光强方向在0°~65°,其90°和80°角度 方向上的光强{zd0}允许值分别为10cd/1000lm和 30cd/1000lm的灯具。
(2)半截光型灯具Semi-cut-off luminaire
{zd0}光强方向在0°~75°,其90°和80°角度方 向上的光强{zd0}允许值分别为50cd/1000lm和 100cd/1000lm的灯具。
(3)非截光型灯具Non-cut-off luminaire
其在90°角方向上的光强{zd0}允许值为1000cd的 灯具。

2.3 空间光强分布数据的各 种表示形式

道路灯具与室内灯具,泛光灯具等不同,由于其 光分布与使用的特殊性,其空间光强分布数据的 表示形式也不同于其他灯具。(如图2,图3,图 4所示)均为道路灯具常见的光度图形。



图2 等英尺-烛光曲线   






图4 等光强圆形网图

图3 利用系数曲线
   
3 国内外相关标准对测试的要求

针对道路灯具的光度测试及照明计算,国际标准 与国内标准分别制定了相应的标准用于规范。

3.1 灯具坐标系统的确定

在CIE 34号文件中,对道路灯具的坐标系统进行 规定,推荐采用C-γ的测试系统,并指出道路 灯具安装于分布光度计上测试时,道路两边方向 与C-γ角度的对应关系(如图5所示)。即将 平行路边纵轴的半平面定义为C=0°和C=180°, 将垂直于路轴线的半平面上C=90°定义为路边, C=270°定义为屋边。其位置安装的正确与否直 接影响到后续的各类光度计算与照明设计。




图5 灯具坐标系统的确定

3.2 光强数据表格

在CIE 30号文件中,CIE推荐了路灯的测量光强 数据表格,即在每52个方位角半平面(C),测 量36个不同的角度(γ)。其具体分布如下表所 示。



一般来说,光强值均以每1000lm的数据给出。

3.3 闪亮面积

闪亮面积用于计算道路照明不舒适眩光指数G, 在CIE 34号文件中,对γ=76°方向上的闪亮面 积特别给出了测试方法(在GB 9468-88《道路照 明灯具光度测试》中也有相关内容提到)。

将一个大于灯具发光部分尺寸,四周可以滑动的 矩形封闭框置于灯前(尽量靠尽灯具)。首先读 取无任何遮挡物时灯具在C=0°,γ=76°方 向的光强读数,然后分别将矩形框的每一边慢慢 向闪亮的发光区移动,移动距离以每一次移动后 的光强值为移动前的98%为据,此时矩形框内的 面积即为闪亮面积值。

4 空间光分布xx测试方法的实施

空间光分布的xx测试是所有灯具设计与照明设 计的基础,无论灯具中所用灯泡的选择、反光罩 的设计,还是实际应用中的照度分布计算、眩光 控制以及灯具的安装,都必须严格测量灯具的空 间分布光度数据。

4.1 分布光度测量平面

分布光度的测量平面有以下三种:
(1)A-平面
A-平面是由一组平面组成,这一组平面的相交线 经过光度测量中心,平行于反光面,并垂直于光 源的假设轴线,如图6所示。



图6 A-平面   

(2)B-平面
A-平面是由一组平面组成,这一组平面的相交线 经过光度测量中心,而且平行于光源的假设轴线 ,垂直于A-平面的交叉线,如图7所示。




  图7 B-平面

A-平面组和B-平面组都要求它们与光源的状态一 致,如果光源倾斜,整个系统也要倾斜。
(3)C—平面。
C-平面组也是由一组平面组成,平面的相交线垂 直于光度测量的垂直中心线。C-平面通常在空间 固定方向,不随光源的倾斜而变化。C-平面的交 线仅在光源的倾斜度为0时(δ=0),垂直于A- 平面和B-平面的交线,如图8所示



图8 C-平面   


对于某些分布光度计而言,在一个锥面上测量和 表示某个固定的极坐标角各方向上的光强分布是 非常方便的,圆锥的轴线对应于C-平面的相交线 ,如图9所示。



图9 圆锥面


上述提到,CIE标准中推荐道路灯具采用C-γ的 坐标系统,因此路灯的光度测量中一般均采用C- 平面作为测量平面。

4.2 分布光度计的选择

在分布光度测量中,一般光源位于测量中心,光 度测量探测器处于离开测量中心一定距离的位置 上。如上所述,要测量光源或灯具在空间各方向 上的光强分布,必须有一套在两个方向可运动的 变角测量装置。通常有下列几种方式:
(1)探测器固定,测量灯具可分别绕着垂直轴 或水平轴旋转,垂直轴和水平轴的交点即为光度 测量中心;
(2)光源固定不动,探测器可分别围绕垂直轴 和水平轴作圆周运动;
(3)光源绕某一轴线旋转,而探测器则可绕另 一轴线作圆周运动,且两轴线互相垂直;
(4)通过反射镜或者是相互运动装置实现前面 (1)~(4)的等效运动。

4.2.1 旋转灯具式分布光度 计

该系统的探测器固定在离灯具一定距离的位置上 ,灯具装在可在两个方向旋转的转台上。该转台 的垂直主轴线是固定的,水平轴线可以移动,如 图10所示。在计算机控制下,电机驱动垂直主轴 旋转时,光度探头测量灯具在水平面上各方向的 发光强度值。当一个平面测量完毕后,水平轴电 机驱动灯具转过某一角度,然后光度探头再测量 另一平面上的光强分布。如此反复,垂直主轴连 续旋转,水平轴间断运动,实现灯具在空间各个 方向上的光强分布数据的测量。这种分布光度计 通常也称作卧式分布光度计。



图 10

在旋转灯具式分布光度计中,水平轴由双立柱支 撑,灯具可以在A-平面和B-平面上测量。若移去 水平轴的一端立柱,则测量系统成为如图10所示 的结构。在这种结构中,灯具可以方便地在C-平 面和锥面上测量。如图11为浙大三色仪器有限公 司研制的GMS1800分布光度计,仪器具有高精度 垂直轴旋转和水平轴旋转运动轴系,光度探头通 常安装在离开旋转工作台10~30m的距离上,以适 应不同光束角和中心光强灯具的测量要求。



图11 GMS-1800分布光度计



4.2.2 运动反光镜式分布光 度计

在这种分布光度计中,光度探头固定,并位于光 视轴线上。灯具绕垂直轴线旋转光源的燃点方向 保持不变,反光镜绕着测量灯具运动,并将光信 号反射到探测器上。在这种结构中,测量光线以 与光度探头的法线成一定圆锥角入射,光度探头 的角度响应一致性要求高,而且探头离开灯具的 距离(测量臂长)固定。在光源与探测器之间需 要使用挡板,使光源发出的光线不直接到达光度 探头。灯具可在C-平面或锥面系统中测量,图14 中是这种结构的原理图。浙大三色研制的GMS- 1900运用反光镜式分布光度计如图13所示。




图13 GMS-1900




图14 运动反光镜式分布光度计


4.2.3 旋转反光镜式分布光 度计

该系统中有三个旋转轴。主轴驱动反光镜绕其中 心点旋转,将灯具的光反射到探测器上。与此同 时,灯臂调整轴同步逆向旋转始终保持灯架处于 垂直位置,从而实现灯具在γ方向的测量。探测 器与旋转主轴处于同一直线上,根据测试灯具的 类型及功率,探测器离开反光镜的距离可以自由 调节。C-γ轴旋转实际等效于探测器围绕以灯具 为中心的垂直球面旋转主轴(水平轴)的旋转, 实现灯具在γ方向的测量,它的运动轨迹相当于 地球的纬线方向。探测器测量各经纬线交叉点上 的照度值。这种结构中的灯具可在C-平面或锥面 系统中测量。若要在A-平面或B-平面中测量,则 灯具必须转过90°安装,发光面处于垂直位置, 如图15所示。



图15 GMS-2000旋转反光镜式分布光度计

如图15是浙大三色研制的GMS-2000旋转反光镜式 分布光度计的仪器结构,它包含:
(1)带反光镜的大型旋转控制台,在计算机控 制下反光镜可绕水平轴旋转,灯具可绕垂直轴旋 转;
(2)智能光度探头,准确测量光强值;
(3)测量控制机柜,其中有双通道光度计、两 路精密测角仪、双通道测温仪、高精度数字电参 数测试仪以及大功率精密变频测试电源,测量光 强、角度、温度及电参数等;
(4)计算机系统;
(5)灯具激光对中装置、现场控制器、红外线 摇控器等等。该系统的性能xx满足IES及CIE的 要求,是一种适用于测量投光灯具、道路照明灯 具、室内照明灯具的空间光强分布及灯具的多种 光度参数的大型测试设备。
对于路灯的光度测试而言,由于路灯多采用高压 气体放电灯,灯具的工作状态变化会直接影响灯 具的光电参数,因此旋转灯具式分布光度计是不 适合的。运动反光镜式分布光度计与旋转反光镜 式分布光度计均可用于路灯的光度测试,但由于 运动反光镜式分布光度计其测量光从圆锥各方向 斜入射到光度探头,因此对光度探头的余弦修正 要求较高。且由于运动反光镜式分布光度计的测 光臂长不可调,探测器位置固定,其测试灯具的 规格有一定的限制。而对于旋转反光镜式分布光 度计,由于入射至探头的光线是垂直入射,且只 需改变探头的测试距离即可方便地实现对不同规 格灯具的测试,因此相对而言,道路灯具采用旋 转反光镜式分布光度计是较为合适的。

5 光分布数据的应用

光度数据对于照明设计和照明计算而言,是非常 重要的。当今的照明设计软件无论是反射器和折 射器的设计,还是照明环境的真实模拟,无一不 是以灯具的光度数据为基础。道路灯具经过分布 光度计或成像光度计等测试设备可以获得其空间 光度分布数据,根据CIE、IESNA、 CIBSE等标准 ,可以将光度数据分别按各自不同的文件格式进 行存储。现在国际上较为通用的几种光度数据文 件为:*.IES(IESNA北美标准)、 *.LDT (EULUMDAT欧洲标准)、*.TM4/*CIB(CIBSE英 国标准)、*.CIE(CIE标准)。光度数据文件可 以方便地用于灯具设计,照明设计及各类光度计 算中,为设计人员提供灯具xxx的光度数据。

光度数据文件中一般均包含灯具的光通量、光源 数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率, 光度测试时采用的测试角度,及其对应的光度数 据值等信息。利用这些数据,我们可以针对不同 的需要对灯具进行多种光度计算,并以形象的图 表形式表示计算结果。

对于道路灯具而言,其光度数据的应用主要有以 下几个方面。

5.1 照明计算

随着软件技术的飞速发展,原本复杂的手工计算 ,已逐渐被照明设计软件所取代(如图16所示) 。光度参数的计算内容主要是:照度计算、亮度 计算、均匀度计算、眩光计算等。不少运算速度 快、准确性好、操作方便和效果直观的软件已得 到采用。目前应用比较广泛的软件有 Simply lighting、Lumen micro 2000、Autolux v7和 Photometric pro等等。



图16 道路灯具的配光曲线   


5.2 灯具反射器和折射器的 设计

灯具光学设计主要是反射器和折射器的设计,属 几何光学中的非成像光学系统的设计,设计软件 中都有光源和材料的数据库,供设计时选择和使 用,这类软件的计算步骤大同小异,大致如下( 如图17所示):



图17 灯具反射器设计

(1)在光源数据库中选择一个需要的光源;
(2)用三维软件画上一个自认为满意的反射器 或折射器,并将光源放在适当的位置上;
(3)利用软件进行计算;
(4)完成后检查一下灯具配光中的各项参数是 否满足预定要求;
(5)如没有达到设计要求,针对计算出的配光 曲线中尚未满足的部分,调整反射器或折射器中 相关部分,再次进行计算,如此反复修改,直至 计算出的配光曲线中xx满足预定的要求。
行业较为流行的反射器设计软件有Photopia, Reflector CAD,SPEOS,Tracepro以及 LightTools等。如图18 即为用Photopia 设计的 路灯反光罩及其光线追踪效果图。



  图18 灯具照明模拟

5.3 照明环境的设计及照明 效果的仿真和渲染

在照明领域中,照明设计软件已经广泛运用,它 们的使用减少了繁重的手工劳动,完成了原来无 法进行或只有极少数人能够做的工作。较常见的 照明设计软件有:Dialux, Lumen Designer, Lightscape, AGI32, Calculux等。

不少照明设计软件计算后都用等照度或等亮度曲 线来表示它的数值分布,同时还用照明效果的仿 真(如图19),形象化地表示场所内的光照效果 ,如工作面上或道路上不同地方的明暗情况,用 不同的灰度表示数值的高低。



图19 模拟照明效果图


城市道路的夜景照明越来越重视美化与装饰,它 们既需要有不同的颜色,光线还需要有不同的强 弱和阴影,因此对照明效果的仿真模拟已成为照 明工程中越来越重要的一个环节。

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