專利名稱：一種低燈位多維道路照明方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是發(fā)明人系列發(fā)明一“多維道路照明體系”的第一部分，涉及一種新型道路照明方式，具體是一種低燈位多維道路照明方式。
背景技術(shù)：
目前，快速道路及高速公路照明普遍照明方式是采用高燈位路燈，光源為HPS，安裝高度IOm左右，安裝間距30m左右，單燈功率250W左右，這種照明方式構(gòu)成目前主流照明方式。該照明方式技術(shù)成熟，但是由于燈位高，單燈功率大，存在以下問題 I、眩光問題道路照明設(shè)計規(guī)范要求采用截光、半截光型路燈來減少眩光。這一措施，可以限制眩光但無法消除眩光。產(chǎn)生眩光的原因是以截光型燈具(包括HPS燈和LED燈)為例，其光路主要照射部分并不投射到機動車駕駛員眼中，從這個意義上說，截光型燈具基本避免了直接眩光。但是，該型燈具總是存在一個亮度很高的發(fā)光面，由于該發(fā)光面與駕駛員之間存在高度差H，則總存在視角α使得駕駛員可直視該發(fā)光面，感覺到來自前上方的路燈發(fā)光面的眩光(見附圖
I)。這一眩光不是傳統(tǒng)意義上的直接眩光，但仍然屬于失能眩光。該眩光存在的充分條件是α >0。要改變α大于0，有兩種措施。其一是把燈具傾斜放置，使燈具的發(fā)光面與駕駛員向前上方的視線平行(見附圖2)，從而使α角為O。但機動車在運動時α角的大小在時刻變化，故這種方法無法消除本行車方向但不同位置的車輛的眩光；同時，這一傾斜的“發(fā)光面”會照射到對面行車方向，反而加強了對面行車方向的眩光，因此不可取。另一種措施是降低路燈高度，當路燈高度與駕駛員眼高相同時，使α角為O。但這會帶來配光等一系列問題，特別是將現(xiàn)有的250W-400W HPS路燈高度降至駕駛員眼部高度顯然是不可行的。因此，采用高燈位照明方式的道路都存在來自行車方向前上方的失能眩光。(2)無效照明問題為提高照度均勻度，高燈位照明方式將光源以下空間盡可能均勻照亮，形成如附圖3所示的光幕區(qū)。對于封閉的快速道路，機動車駕駛員僅需觀察路面及道路前方情況而不需要同時觀察道路內(nèi)外的目標情況。因此，道路照明并不需要路面上方接近IOm高的光幕空間，其光幕空間可降低至一半甚至更低，駕駛員識別道路路面和前方障礙物主要依靠這一光幕空間內(nèi)的照明，我們將這一高度內(nèi)的光幕空間稱為有效光幕區(qū)域，只有有效光幕區(qū)內(nèi)的照明才有意義。顯然，現(xiàn)行高燈位照明方式存在大比例的無效光幕區(qū)。同時，根據(jù)余弦定律，可以證明，即使在有效光幕區(qū)域內(nèi)，現(xiàn)行高燈位照明方式也存在大比例的無效照明分量。事實上，只有有效光幕區(qū)域內(nèi)的有效照明分量是有效照明。無效照明包括無效光幕區(qū)的照明及有效光幕區(qū)域內(nèi)的無效照明分量。
另一方面，根據(jù)平方反比定律，現(xiàn)行高燈位照明的照度垂直分布規(guī)律是上亮下暗。這使得處于上部的無效光幕區(qū)的照度會高于位于下部的有效光幕區(qū)的照度。這顯然與駕駛員觀察所需要的上暗下亮的照明基本需求相悖。因此，現(xiàn)行主流照明方式都存在大比例無效照明及違背照明基本需求的問題。(3)可見度低下問題高燈位路燈的安裝間距30m左右，這 使得機動車行進方向的垂直照度難以均勻(此非水平照度意義上的“斑馬線”)。有研究指出，在部分區(qū)域的垂直照度非常弱，甚至接近于零。我們知道，前方目標物表面亮度與空間垂直照度存在準線性正相關(guān)關(guān)系，而亮度與前方目標可見度在中間視覺范圍亦分段的呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，見附圖4。從圖4中可以看出，當平均亮度降至O. 1-0. 5cd/m2時，可見度將降至20%以下。這表明高燈位路燈照明方式下，存在可見度特別低的區(qū)域。垂直照度不均勻還將導(dǎo)致行車方向前方空間亮度不均勻(忽明忽暗)，亦會降低前方目標的可見度RP值，如附圖5所示。垂直照度的不均勻，一方面將導(dǎo)致部分暗區(qū)可見度較低，同時也引起整體可見度的降低。上述分析表明，現(xiàn)行普遍道路照明方式(高燈位照明方式)是存在這3個問題的根本原因，該方式不可能解決眩光、無效照明和可見度低下問題。高燈位照明方式是隨著高電壓氣體放電(包括HPS)光源的應(yīng)用而誕生的，并已暴露出明顯的弊端；隨著LED等新型光源的發(fā)明也必然會產(chǎn)生新的更為先進的照明方式。LED光源的出現(xiàn)，的確為解決上述問題提供了契機。LED具有亮度高、體積小、顯色性高、低壓安全和可分散安裝等特點，這為從另一途徑解決三個問題提供了合適的光源。但是，目前LED應(yīng)用與研發(fā)主要是用LED與傳統(tǒng)光源進行簡單的替換，幾乎所有LED廠家統(tǒng)統(tǒng)沿用傳統(tǒng)路燈的設(shè)計思路，追求幾十瓦、上百瓦的大功率LED路燈以求與目前的HPS燈造型、安裝方式完全相同或兼容，導(dǎo)致當前LED路燈及安裝方式幾乎全部以適用于HPS光源的“蛇頭(平板蛇頭)燈”為標準進行設(shè)計和制造，而非以LED發(fā)光規(guī)律為出發(fā)點進行研發(fā)。我們知道，小功率的LED光源適宜分散安裝，也沒有突出的散熱問題。但大功率LED路燈的集中、高燈位照明則帶來了散熱不良、耐久性不好和維修不便等本不該出現(xiàn)的問題，由此引發(fā)了一系列的功能與質(zhì)量問題，反而導(dǎo)致LED路燈在照明工程界受到質(zhì)疑。事實上，以LED光源替換HPS光源并不是照明方式的改變，也不可能解決高燈位照明方式存在的上述3個問題。以簡單替換為特征的上百瓦、高燈位的LED路燈照明不但沒有解決傳統(tǒng)HPS路燈存在的問題，反而增加了散熱等新問題，這表明目前LED路燈照明需要走出簡單替代的模式，進行以體現(xiàn)LED自身特點、發(fā)揮LED優(yōu)點為目的的自主型研發(fā)。近期，低燈位路燈照明方式開始出現(xiàn)。低燈位路燈照明中，燈具直接安裝在道路護欄、隔離帶上，向路面投光，以滿足路面必要的照明需求。專利CN201110175282. 5中公布了一種雙向低位LED道路燈，該燈采用LED作為光源，實際上只是普通護欄燈，主要差別是普通護欄燈單側(cè)照明，而該燈可向兩側(cè)照明。實踐已證明，護欄燈不能滿足快速道路照明規(guī)范所規(guī)定的指標。專利(ZL 200720095548. 4)CN201014304Y則公開了一種低安裝高度路燈，采用MH燈作為光源，安裝間距為8m至11m，安裝高度在I. 2m以內(nèi)。該低燈位照明部分克服了高燈位照明方式存在的較大的無效光幕區(qū)問題；如采用LED光源，可部分解決大功率LED光源的散熱問題等。但仍存在以下問題I、照明效率低下該低燈位照明方式，雖然一定程度上克服了高燈位照明存在較大的無效的照明空間的問題，但由于光源之間的間距變小，其結(jié)果是橫向照明分量加大，逆向、正向照明分量很小。分析表明，橫向照明分量主要對于提高在非正常天氣情況下路面上物體的可見度水平有效，橫向照明對于正常天氣情況下駕駛員觀察前方道路及障礙物所要求的提供路面基本亮度、形成前方物體表面亮度以及提高前方物體與路面背景之間的亮度對比貢獻很小， 并非路面照明的有效方式。事實上，CN 201014304Y公開的照明方式在照明節(jié)能的主要指標——功率密度上并不比現(xiàn)行高燈位照明方式有明顯優(yōu)勢。2、可見度水平低下該低燈位照明方式，逆向、同向照明分量采用同一光源與燈具，色度相同、照射空間不獨立，在路面背景與前方物體之間無法形成較高的亮度對比與色度對比，并且路面的亮度均勻度較低，導(dǎo)致前方物體的可見度水平較低。3、該低燈位照明方式，全部光照集中于路面I. 5m高度以下，不能為駕駛員提供觀察前方障礙物所必須的空間照度。4、該低燈位照明方式，并不能真正消除眩光，在駕駛員視域范圍內(nèi)，仍能感到來自于前側(cè)方燈具“發(fā)光面”的眩光(因安裝高度在I. 2m)。5、該低燈位照明方式，存在“頻閃”問題，易造成駕駛員視覺疲勞。綜上所述，上述高燈位照明與低燈位照明兩種照明方式，在本質(zhì)上仍然是一個燈同時承擔了路面照明、空間照明、復(fù)雜天氣照明三重任務(wù)，它們在空間上、時間上相互制約，不可能均達到最佳；在邏輯上，只有將上述任務(wù)分解，由各自獨立的小功率、高效能光源、燈具和照明控制系統(tǒng)來完成，分別控制，獨立運行，才可能在路面照明、空間照明、復(fù)雜天氣照明方面分別做到最佳，從而達到總體最佳，從而大大提高照明效率，提高可見度水平，節(jié)約能源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明綜合了快速道路照明的多重需求7項，特殊問題2項。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人提出以下相關(guān)對策，見下表。照明需求
權(quán)利要求
1.一種低燈位多維道路照明方式，其特征在于該照明方式由多個維數(shù)的照明分量構(gòu)成，包括一維逆向照明分量、一維同向照明分量、ー維橫向照明分量和一維豎向照明分量，各分量均擁有自己的光源和燈具。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其特征在于所述多個維數(shù)的照明分量在照明功能、光色范圍、照射方向、照射空間上各自獨立、可單獨調(diào)整；在控制方式上，各照明分量可單獨運行或組合運行；在運行模式上，可采用通常模式或節(jié)能模式；將不同控制方式與運行模式優(yōu)化組合，能發(fā)揮出更高效能。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其特征在于所述各照明分量的光源與燈具，均獨立運行；燈具在快速路兩側(cè)安裝，高度不高于I. 5m，單獨設(shè)置或集成一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其特征在于所述逆向照明的基本原理為路面是駕駛員觀察前方障礙物的主要背景，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勻度是道路照明的重要任務(wù)；發(fā)明人的研究表明當光源以投光角度接近平行于路面(低燈位)、照射方向與車行方向相反(逆向照明)照射前方路面時，駕駛員視線方向上可獲得較高的路面反射亮度、較高的亮度均勻度且能夠控制眩光在較小值；本發(fā)明中，逆向照明分量的功能是提供必要的路面亮度、較高的亮度均勻度且控制眩光在較小值；用于逆向照明的光源，色溫不高于4000K，高度低于機動車駕駛員視平線，照射方向與所在車道車行方向相反，照射范圍水平方向分別為90°至180°及180°至270°，垂直方向180°至220°，照射空間為燈高位置下方空間及路面，無仰角散射；運行模式為通常模式(在正常開燈時間內(nèi)常全開)或節(jié)能模式(通常模式基礎(chǔ)上調(diào)光)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其特征在于所述同向照明的基本原理為提高路面背景與前方障礙物之間的亮度對比、色度對比和光源顯色性有利于提高障礙物的可見度水平；發(fā)明人的研究表明當光源以投光角度接近平行于路面(低燈位)、照射方向與車行方向相同(同向照明)照射前方空間時，駕駛員視線方向上可獲得較高的障礙物反射亮度；本發(fā)明中，同向照明分量的功能是以較高顯色性的光源，為機動車駕駛員提供道路前方的空間照明，在與低燈位逆向照明分量共同使用時，通過加強路面背景與前方障礙物之間的亮度對比、色度對比來提高障礙物的可見度水平；用于同向照明的光源，高度在機動車駕駛員視平線附近，色溫高于逆向照明分量，顯色指數(shù)大于70，照射方向與所在車道的車行方向相同，照射范圍水平方向分別為0°至90°及270°至0°，垂直方向0°至40°，照射空間為燈高位置上方空間，與逆向照明分量無交集；運行模式為通常模式(在正常開燈時間內(nèi)分時段全開)或節(jié)能模式(通常模式基礎(chǔ)上調(diào)光)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其特征在于所述橫向照明的基本原理為在雨、霧、霾、煙等天氣情況下，光源射向機動車前方空間的入射光會形成“白(霧)墻”現(xiàn)象，同時，部分反射光為懸浮在空氣中的氣溶膠分子團所吸收和散射，致使機動車前方障礙物的可見度降低；當入射光和駕駛員視線之間的夾角接近垂直時，可有效克服“白(霧)墻”現(xiàn)象，是解決霧天道路照明的有效方法；本發(fā)明中，橫向照明分量的功能是提供照射方向與駕駛員的視線方向近于垂直的空間照明，提高復(fù)雜天氣情況下前方障礙物的可見度水平；用于橫向照明的光源與燈具，具較高穿透力之光譜，其照射方向與所在車道的車行方向垂直，照射范圍水平方向分別為0°至180°及180°至0°，與路面平行，照射空間為燈高位置上、下方空間及路面，與逆向照明、同向照明分量有交集；運行模式為通常模式(正常天氣下不開，僅在雨、霧、畑、霾天氣時全開)或節(jié)能模式(通常模式基礎(chǔ)上調(diào)光)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其特征在于所述豎向照明的基本原理為路面發(fā)生事故，需要指示方位吋，一束穿透力強的豎直光可在照射地點形成局部地標；本發(fā)明中，豎向照明分量的功能是提供指示照明，當發(fā)生事故需要救援時，在空中明確的標示出事故方位；用于豎向照明的光源與燈具，其照射方向與路面垂直，照射范圍87°至93°，照射空間為道路上方，與其它照明分量無交集，光源光色為單色或多個光色相間；運行模式為平時不開，僅在特殊需要情況下手動開啟。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其特征在于對于非水平路段，由于可視距離變短，功率密度較水平路段功率密度加大；對于非直線路段，由于可視距離變短，功率密度較直線路段功率密度加大。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其關(guān)鍵技術(shù)在于限制眩光；限制用于逆向照明的光源對于本行車方向構(gòu)成的眩光的措施，是燈具上采用上截光遮光板及合理配光；限制用于同向照明、橫向照明的光源對于對面行車方向構(gòu)成的眩光的措施，是在中間隔離帶上加裝百葉式防眩光格柵。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種低燈位多維道路照明方式，其特征在于所述該照明方式具有開放性，上述多個維數(shù)的照明分量構(gòu)成基礎(chǔ)照明，進ー步完善照明功能的措施是加入更多維照明分量。
全文摘要
本發(fā)明提出一種低燈位多維道路照明方式，由多個維數(shù)的照明分量構(gòu)成，包括逆向照明分量、同向照明分量、橫向照明分量和豎向照明分量。各照明分量在照明功能、光色范圍、照射方向、照射空間上各自獨立、可單獨調(diào)整；根據(jù)任務(wù)性質(zhì)，各分量均擁有低位安裝的、獨立運行的專用光源與燈具。分別承擔路面照明、空間照明和復(fù)雜天氣照明和指示照明任務(wù)。在每一項任務(wù)中，使其效能最大化，從而使總體照明達到綜合最優(yōu)化。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)高燈位照明方式和現(xiàn)有低燈位照明方式存在的弊端，使上述不同用途光源與燈具各司其職，有效解決了眩光、無效照明和縱向均勻度差等問題，大大提高了照明效率。本發(fā)明是基于小功率高光效光源自身特點進行的自主型應(yīng)用研發(fā)，根本上擺脫了傳統(tǒng)投光燈的照明方式，也跳出了用LED燈簡單替換HPS燈的模式。
文檔編號F21S8/08GK102798065SQ20121033428
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者趙海天 申請人:深圳大學(xué)