一种中灯位多维道路照明方式的制作方法

专利名称：一种中灯位多维道路照明方式的制作方法
技术领域：
本发明是发明人系列发明一“多维道路照明体系”的第五部分，涉及ー种新型道路照明方式，具体是ー种中灯位多维道路照明方式。
背景技术：
市政道路的特点之ー是不完全封闭，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IOm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
I、眩光问题道路照明设计规范要求采用截光、半截光型路灯来減少眩光。这ー措施，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，该型灯具总是存在ー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
I)。这ー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O。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，这ー倾斜的“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。另ー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O。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況。因此，道路照明并不需要路面上方接近IOm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。另ー方面，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O. I至O. 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I. 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I、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I. 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I. 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，在本质上仍然是ー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
权利要求
1.一种中灯位多维道路照明方式，其特征在于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、ー维横向照明分量、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；安装高度I. 2m至4. Om，灯具可单独设置或集成一体。
2.根据权利要求I所述的ー种中灯位多维道路照明方式，其特征在于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。
3.根据权利要求I所述的ー种中灯位多维道路照明方式，其特征在于所述逆向照明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道路照明的基本要求，減少眩光及提高亮度均匀度是道路照明的重要任务；发明人的研究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°，垂直方向180°至220° )，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)。
4.根据权利要求I所述的ー种中灯位多维道路照明方式，其特征在于所述同向照明的基本原理为提高路面背景与前方障碍物之间的亮度对比、色度对比和光源显色性有利于提高障碍物的可见度水平；发明人的研究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对比、色度对比来提高障碍物的可见度水平；用于同向照明的光源，高度在机动车驾驶员视平线以上，色温高于逆向照明分量，显色指数大于70，照射方向与所在车道的车行方向相同(水平方向-90°至0°，垂直方向0°至40° )，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)。
5.根据权利要求I所述的ー种中灯位多维道路照明方式，其特征在于所述横向照明的基本原理为在雨、雾、霾、烟等天气情况下，光源射向机动车前方空间的入射光会形成“白(雾)墙”现象，同时，部分反射光为悬浮在空气中的气溶胶分子团所吸收和散射，致使机动车前方障碍物的可见度降低；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° )，与路面平行，照射空间为灯高位置上、下方空间及路面；运行模式为通常模式(正常天气下不开，仅在雨、雾、畑、霾天气时全开)或节能模式(通常模式基础上调光)。
6.根据权利要求I所述的ー种中灯位多维道路照明方式，其特征在于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顶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° )，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。
7.根据权利要求I所述的ー种中灯位多维道路照明方式，其特征在于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。
8.根据权利要求I所述的ー种中灯位多维道路照明方式，其特征在于对于较窄路段，采用“道路中线单排布灯”，对于较宽道路，采用“道路中线布灯+边侧布灯”布灯方式，对于中线设置隔离墙的道路，布灯于墙上；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。
9.根据权利要求I所述的ー种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。
10.根据权利要求I所述的ー种中灯位多维道路照明方式，其特征在于所述该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，进ー步完善照明功能的措施是加入更多维照明分量。
全文摘要
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。
文档编号F21Y101/02GK102865509SQ20121033421
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者赵海天 申请人:深圳大学