从提高人行道路照明质量的角度探讨LED道路照明设计

王晓喜

(福州市规划设计研究院，福建福州 350001)

引言

随着城市道路中夜间行人流量的不断增长，为人行道路创造良好的夜间照明环境成为了迫切需要。CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》对人行道路的照明质量提出了更细化的要求：人行道路除了需提供必要的地面照明之外，还需要提供合适的空间照明。因此，照明标准在原来的“路面平均照度、路面最小照度、垂直照度”基础上增加了“半柱面照度”和“眩光限制”两个指标[1]。在实际LED道路照明工程设计时，笔者发现，人行道路的最小垂直照度(Evmin)、最小半柱面照度(Escmin)较难完全达到CJJ 45—2015要求，尤其是在单侧照明的情况下。

当前，市政管理部门对道路的绿化景观提出了很高的要求，许多主干道都设置了宽阔的中央景观绿化带，并在其中种植大量的高大树木，由于树冠对路灯光线的遮挡，中央绿化带两侧的机动车道照明只能按单侧照明来考虑；主干道的人流量较大，人行道照明的问题更突出。因此本文选取主干道为研究对象，以单侧照明为例，选取10款来自4个不同厂家的LED路灯分别应用于主干道场景，对比各种情况下的计算结果(采用照度系统与亮度系统相结合的评价指标[2])。为了便于研究，修正LED灯具的输出光通量，均按照系统光效120 lm/W计算，计算时忽略人行道上新种植行道树的影响。

1 工程案例分析

福州市站东路延伸段道路工程，为中心区城市主干道，周边多为住宅小区，行人流量较大(参照人行道照明标准值级别2)。根据CJJ 45—2015 表5.1.3 计算灯杆高度为12 m，臂长为1.8 m；灯杆间距为35 m(距高比为2.92)，采用300 W(36 000 lm)大功率LED光源。路灯布置标准横断面图如图1所示，10款LED路灯的配光曲线如图2所示。

采用DIALux软件对以上工程案例进行了数值模拟，计算结果如表1—表3所示。

图1 路灯布置标准横断面图Fig.1 Standard cross section map of street lamp arrangement

图2 LED路灯配光曲线Fig.2 Light distribution curve of LED street lamp

LED路灯款型机动车道(3车道,11.5 m)人行道(4 m)Lav/(cd·m-2)UoUlEhav/lxUeTI/%Ehav/lxEhmin/lxEvmin/lxEscmin/lx1#2.100.570.79360.6410199.051.071.902#1.730.540.71300.6692112.001.112.423#1.860.510.81360.5462312.002.953.374#2.230.550.85360.6410195.702.172.665#2.230.490.73380.69102311.000.922.186#2.200.420.74390.582912.001.432.707#2.000.500.81360.5572212.002.723.218#2.010.370.85340.4693320.003.534.419#1.910.580.78300.6712219.601.272.1210#2.010.530.62350.578105.401.521.44

表2 点垂直照度计算

表3 点半柱面照度计算

由表1—表3中数据可看出，1#—10#路灯在机动车道照明方面均取得了较好的效果，大部分指标均达到了CJJ 45—2015 表3.3.1的要求值。人行道的路面平均照度及路面最小照度也满足标准要求，但最小垂直照度计算结果与标准要求相去甚远，其中的1#，2#，5#，6#，9#路灯的计算结果均低于CJJ 45—2015 表3.5.1—1中的级别4的要求。人行道最小半柱面照度的情况则相对较好，仅1#，10#路灯计算值低于CJJ 45—2015 表3.5.1—1中的级别2的要求。总体来看，4#，5#，6#路灯的机动车道照明效果最好，但人行道指标不理想；8#路灯的人行道效果较好，但机动车道亮度均匀度未达标。

2 人行道路照明质量若干问题的探讨

1)标准对人行道路照明质量的要求。国际照明委员会(CIE)发布的技术报告(No.115—1995、No.136—2000)中对人行道路的照明的重要性作出了详细分析，在人行道路照明质量评价指标上认为在水平面和垂直面上的照明以及眩光控制是重要的[3]。特别是CIE补充文件No.136—2000中对人行道路的半柱面照度做了详细分析并给出了具体算法[4]。CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》重点参考了CIE、IESNA等标准及技术文件对人行道路的照明标准做出了更细化的要求，根据行人流量的大小逐级给出了标准，指标上包括路面平均照度、路面最小照度、最小垂直照度、最小半柱面照度以及眩光限制。为人行道路提供充分的垂直照度、半柱面照度有利于提升行人对环境的观察以及对面部的识别，这对于保障行人的安全十分重要。因此，研究垂直照度、半柱面照度指标是提高人行道路照明质量的重点。

2)半柱面照度及垂直照度的定义。半柱面照度是指光源在给定的空间一点上一个假想的很小的半个圆柱体的曲面上产生的照度[5]。垂直照度是指光源在给定的空间一点上在与光线垂直面的一个很小的平面上产生的照度的垂直分量[6]。

单个点光源情况下,某点半柱面照度公式如下[4，7]:

(1)

单个点光源情况下,某点垂直照度公式如下[6]:

(2)

式中I(c,r)为路灯灯具对人行道中心线上方1.5米处某一点照射方向的光强；c为方位角；r为高度角；α为光强矢量所在的垂直面和与半圆柱体的表面垂直的平面之间的夹角或投影在水平面上光的入射方向与观察方向之间的夹角；ε为入射光线与通过计算点的水平面法线间的角度或光的入射方向与光源垂直向下方向之间的夹角；H为灯具安装高度；d为灯具光源中心与计算点位的直线距离；Φ为LED路灯灯具总光通量(klm)；FM为维护系数。

计算半柱面照度、垂直照度所用的角度如图3、图4所示。

图3 计算半柱面照度时所用的角[4，7]Fig.3 The angle used to calculate the illuminance of half cylinder[4，7]

图4 计算垂直照度时所用的角[6]Fig.4 The angle used to calculate the vertical illumination[6]

3)单侧照明时半柱面照度及垂直照度最不利点位置。人行道中心线上半柱面照度、垂直照度计算点分布如图1、图5所示。

与路灯1、路灯2相邻的路灯光线到达点12的r角均超过80°，光强值很低，忽略不计。由点1—点12变化过程中，r不断增大(大于最大光强所对应的角度)，从配光曲线看，I(c,r) 急剧缩小；d增至最大；α减至最小,cosα增至最大；而仅有角ε有小幅度的增加；综上，点1—点12变化过程中Esc是逐步减小的趋势。由实验数据[7，8]可知，路灯2也提供了点1—点12的很小一部分的半柱面照度，且由点12至点1逐步减小，但由于西向半圆柱面背离路灯2，路灯2到达半圆柱面的光线极小，且随着半圆柱体体积的无限缩小而缩小，基于以上推论，半柱面照度的最不利点或为图5中的点10—点12。同理,点1—点12变化过程中Ev逐步减小，由于路灯2不能提供点1—点12的西向垂直照度，由此推断计算点12为西向垂直照度的最不利点。

图5 点照度计算分布平面Fig.5 Point illuminance calculation distribution plane

表2、表3的计算结果表明单侧照明情况下计算点12为垂直点照度的最不利点；计算点11为半柱面点照度的最不利点；该结果与以上的推论符合。

4)灯杆间距的影响以及如何取值。CJJ 45—2015 表5.1.3给出了单侧照明的情况下灯杆安装间距与安装高度的推荐关系, 即距高比L/h≤3(截光型)，L/h≤3.5(半截光型)。在给定灯杆高度的情况下，适当缩小灯杆间距(即适当减低距高比)，但保持机动车道的照明功率密度LPD不变，即采用更小的路灯功率如250 W(30 000 lm)LED路灯，灯1到达计算点的光线的高度角将降低，即光线更接近最大光强的方向，这时到达点12的光强将增大，显然将有助于提高最不利点的垂直照度和半柱面照度。缩小灯杆间距后的模拟计算结果如表4所示，由计算结果可明显看出，随着距高比的缩小,Evmin、Escmin明显增大。

什么样的灯杆间距是合适的呢？灯杆间距过小显然是不合理的，将影响道路整体的景观效果且造成浪费。笔者认为，为获得较高的Evmin、Escmin，在选定的灯杆高度情况下，适当缩小灯杆间距时应尽量使光源中心射向最不利点的光线获得足够的光强，高度角尽可能接近配光曲线中该方位角最大光强方向的高度角，这与所选用的灯具的配光曲线密切相关。

选取2016年11月～2017年11月在我院治疗的急性喉炎患儿40例作为研究对象。所有患儿家属均自愿加入本次研究，经过我院伦理委员会同意，并签定知情同意书。将其按照随机排列表法分为观察组与对照组，各20例，其中，观察组男11例，女9例，年龄2～4岁，平均年龄（3.3±0.25）岁，轻度症状6例，中度症状7例，重度症状7例；对照组男10例，女10例，年龄3～5岁，平均年龄（3.5±0.26）岁，轻度症状7例，中度症状7例，重度症状6例。排除合并其它严重疾病患儿，排除先天性呼吸功能障碍患儿。两组患儿年龄、性别、病情等一般资料对比，差异无统计学意义（P＞0.05）。

表4 照度、亮度计算(30 m间距)

如前所述,为获得较好的人行道Evmin、Escmin指标，应尽量使光源中心射向最不利点的光线获得足够的光强，这属于灯具横向配光设计的问题，不是工程设计单位研究的范畴。因此，笔者仅对如何平衡灯杆间距取值及灯具配光曲线选择方面做些探讨。以本案为例，由表1可知人行道Evmin较难达标,计算点12为最不利点,根据图1、图5所列的数据计算出路灯1射向计算点12的光线的方位角c及高度角r分别为354°、72.7°。分别考察表1中人行道指标最好的8#路灯与人行道指标最差的5#路灯,根据光强数据表,绘制c=354°的配光曲线如图6所示。r=72.7°时8#、5#路灯光强分别为91 cd、27 cd(klm),8#路灯最大光强的r角约为50°,5#路灯最大光强的r角约为35°,显然8#路灯计算点12的高度角r=72.7°更接近最大光强对应的r角，由此印证了前文所述的观点。

图6 路灯配光曲线图(c=354°)Fig.6 Light distribution curve diagram of street lamp(c=354°)

5)增设后臂矮灯是否可行。人行道指标不满足要求，通过增加后臂矮灯补充人行道照明看似理所当然，笔者认为存在一些问题：

(a)由表1数据容易看出，对于人行道的路面平均照度及路面最小照度已经取得了较好的结果，大部分灯具的计算结果已完全超过了CJJ 45—2015的要求。为了提高人行道的Evmin、Escmin而增加的后臂灯显然将增大人行道路面的平均照度及最小照度，其结果将大大超过标准的要求，造成人行道过度照明，不利于节能。

图7 路灯的配光类型Fig.7 Type of light distribution of street lamps

(b)受人行道宽度的限制，后臂灯的安装高度一般低于主车道侧路灯，因为装高后光源的光线将大部分落于路外，可能对道路周边的建筑物产生光污染影响。本案中4 m宽的人行道一般后臂灯装高约6 m，后臂灯光源中心射向Evmin最不利点的光线的高度角将达到83°。考察1#—10#灯具c为0°—180°配光曲线，高度角大于80°时的光强很小，由此足见，采用增设后臂灯的办法对于改善Evmin并无太大作用。

(c)通过旋转后臂矮灯横向角度可以降低最远点的高度角,但这时后臂灯的光线将对机动车道的眩光指标TI产生严重影响，因此不可行。

综上，通过增加后臂矮灯来提高人行道Evmin、Escmin作用有限。

北美照明工程学会(IESNA)根据沿道路纵向(即与道路中心线垂直方向)、沿道路横向(即平行中心线方向)及最大光强上方的光控制等方面分别定义了道路灯具的光发布类型，沿道路纵向分为极短、短、中、远三类，沿道路横向分为TypeI、TypeII、TypeIII、TypeIV、TypeV五类[10](如图7所示)。

从配光类型分类来看，在单侧照明的情况下，显然长配光TypeI类型(8#路灯类似配光)的配光对于人行道的照明最有利，因为在道路的纵向上看有更多的光线到达人行道，且长投射的配光可以提高灯具射向垂直照度最不利点的光线的光强，但TypeI型的配光显然不适用于机动车道的照明，因为机动车道的亮度随着垂直角度方向上(沿道路纵向)的流明输出增加而升高并变得均匀[10]，TypeI型的配光显然沿道路纵向的流明输出很小，将使机动车道亮度均匀度受到影响。对于本案来说，TypeII型(1#路灯类似配光)的配光对于机动车道的照明时合适的。灯杆的高度与路宽的比值基本在TypeII型主要的范围内。

目前越来越多的LED路灯采用了模块化的结构，即一个完整的LED路灯灯具由若干个具有相同配光曲线、功率的LED模组有序安装在同一灯具外壳中组装而成，灯具的配光类型与模组一致，模组的功率30—60 W不等。由前文的计算结果明显看出，8#路灯的配光有利于人行道的照明，而1#路灯则注重偏向了机动车道侧的照明。笔者设想，在采用模块化路灯的情况下，在同一灯具中同时安装以上两种不同类型的配光能否在机动车道照明与人行道照明之间寻得一个平衡点？以下仍以图1的案例作为研究对象，300 W LED采用10个模组的组合方式，每个模组约30 W，灯具中靠近人行道侧的8个模组采用8#路灯的配光，靠近车行道侧的2个模组采用1#路灯的配光，通过模拟计算，结果如表5所示。

表5 照度、亮度计算(混合配光)

结果表明，采用混合配光的LED灯具为实现机动车道照明与人行道照明之间的平衡提供了一种可能。同时，以上方案也为LED产品研发中的光学设计提供了参考，希望不久的将来会有更先进的LED路灯配光的问世。

7)对最小垂直照度取值标准的困惑。表1、表4中的计算结果均显示，在单侧照明的情况下,Evmin均普遍低于Escmin，而CJJ 45—2015 表3.5.1—1中规定的Evmin却远高于Escmin。实际工程设计中也遇到了该类问题,单侧照明时Evmin较难达标,尤其难以满足CJJ 45—2015 表3.5.1—1中级别1和2的要求。事实上,在满足行人面部识别要求及保障行人的人身安全方面,半柱面照度是更适合的评价指标,该观点已得到行业界的一致认可，国内的专家学者还做过专门的模拟实验来论证该观点[8]。

国内相关标准中已经对最小半柱面照度做出了要求，为何对最小垂直照度提出了更高的要求？而实际工程中又难以达标？CJJ 45—2006的3.5.1条中也仅对行人与非机动车道混合使用的商业区、居住区人行道路提出了最小垂直照度的要求，而且取值低于CJJ 45—2015的要求。CJJ 45—2015的3.5.1条文说明对于垂直照度的解释是：“考虑到垂直照度涉及行人的人身安全和环境观察的需要,我们国家的城市道路行人流量比较大,交通构成又比较复杂”[5]。从近年来的新建道路工程设计来看，市政道路设计更加人性化，人行道、非机动车道、车行道基本上都是分设，新建市政道路已经能够很好地实现人车分流，对于新建的城市道路，交通构成应该较为清晰。因此，笔者建议对于人行道最小垂直照度的要求宜综合考虑城市道路的交通复杂程度、人流量、所处地理位置等因素，采用更细分的标准。

3 结束语

如何在满足机动车道照明需求的情况下为人行道路营造良好的照明环境成为了城市道路照明工程设计领域研究的新课题。笔者结合典型工程案例，分析探讨了关于人行道路照明质量的若干问题，提出了改善照明质量的新思路，希望能对今后市政道路照明的设计提供参考。