道路照明的國際現狀和發展趨勢

　　復旦大學電光源研究所 林燕丹 姚其 孫耀杰

　　1 前言

　　道路照明的目的是使駕駛員很好地識別前方路面的情況，保證夜間行車安全，以及舒適駕駛。而同時道路照明的成本以及能耗是十分巨大的，如何在保證道路照明質量以及安全的情況下，能夠更加的節能，是人們關注的主要問題。

　　目前，人們主要研究的方向有智能道路照明的研究，通過智能控制，滿足不同條件下的照明需求，不僅能保證更好的照明需求，同時對于節能具有良好的效果;道路照明的可視度設計，以人的視覺需求出發，研究滿足安全、舒適的照明環境設計;城市道路照明白光化，以新型的金鹵燈以及LED等白光光源為代表的研究，對于其用于城市道路照明的安全、舒適進行研究，同時以中間視覺發展為理論基礎之一;惡劣天氣下道路照明光譜的研究，如雨雪天氣下道路照明要求，以及霧天氣下，照明光源的透霧性研究等。

　　本文針對國際上道路照明發展的幾個方面進行了探討，對于中國道路照明的發展具有—定的借鑒意義。

　　2 道路照明的設計要求

　　道路照明必須考慮駕駛員的視覺要求，以便駕駛員能迅速、準確地獲得有關的道路交通信息，使之在夜間駕駛汽車時也能有良好的安全感和舒適感。同時良好的照明應該能夠提高區域的可視度，同時，能為城市帶來經濟及社會效益。安全舒適的道路照明主要有以下幾個方面要求[1]

　　(1)降低夜間事故;

　　(2)便利及擴大交通流量;

　　(3)增強夜間商業及工業發展;

　　(4)增強社會文化氣息。

　　基于道路照明的功能要求，主要從照明的燈具選擇、路面照度、眩光、均勻度、光污染以及陰影等方面慮。根據國際照明標準，道路照明的要求如表1所示，不同道路照明等級，其亮度、均勻度等要求不也各不相同。中國城市道路按快速路、主干路、次干路、支路區分，其道路照明標準如表2所示。從表1、表2可以看出，我國的道路照明標準與國際標準除了在道路分類等級方面略有不同外，其它的要求基本一致。值得注意的是，與舊的道路照明標準相比，新道路照明標準提出了環境比(SR)的概念，這對道路燈具的配光提出了更高的要求。

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　　3 道路照明的發展和趨勢

　　3.1 智能道路照明

　　一般來說，道路照明都是基于相應的國際照明標準和國家標準來設計的，通常對于某一類型的道路有一個靜態的照明要求，如2.0cd/m2，1.5cd/m2，l.0cd/m2，0.5cd/m2.而對于實際情況，道路照明的要求應該是—個動態的，并且過程不穩定，由眾多因素所決定，如環境亮度、天氣條件以及亮燈時段等。由此，人們提出了智能道路照明[3-4]的概念，即在保證道路照明的安全性和質量的同時，能夠盡可能地節省電力。

　　在挪威位于Asker-Oslo之間的一段高速公路進行了智能照明控制，節能可達30% .圖1為智能照明道路能源價格和年花費成本比較。從圖1可以看出，隨著能源價格的增高，智能照明系統對于道路照明節能以及成本的降低，意義非常重大。

　　挪威智能道路照明原理如圖2所示，在2003～2004年間，采用高壓鈉燈替換原有的高壓汞燈，其節能達到70%.其原有燈具使用電量，替換燈具后使用電量以及進行調光后用電量如圖3所示。主要節能包括兩個方面，在冬季下雪天氣時的調光，以及夏天深：夜車流量減少情況下的調光。

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　　2005年秋季，赫爾辛基在4km道路上和4個交匯區安裝了492盞路燈。系統控制信息包括交通、天氣、亮度信息和道路照明信息等。同時將用戶在不同條件下視功效研究結果以及中間視覺照明應用于其中。經測試，道路照明各相關光源功率、交通流量和亮度水平關于時間的函數關系如圖4所示。隨著交通流量的降低，時間段不同，相應亮度也有改變。2006年1～2月間環路照明系統平均功率變化如圖5所示。從圖5可以看出，有些天數的能量消耗差異較大，最小的40%，最大的80%.這也表明，智能照明系統一方面可以減少能源的耗費，另一方面在實際有需求時，可以提供更好的照明效果，以達到交通安全的目的。

　　由此可以看出，智能道路照明控制系統一方面對實際的天氣情況以及交通流量作了充分的考慮，另外一方面，一些國際新發展的理論以及視覺功效結果，可以實際地通過智能系統控制，實現良好的照明效果和節能效果。

　　3.2 道路照明的可視度設計準則及發展

　　駕駛員視覺狀態與道路照明安全、舒適息息相關。照明環境應能夠保證使用者足夠清晰地辨清路面上的物體。具體評價道路照明設計是通過道路可視度定義的，這個概念最早由Adrian提出。一個物體能否被道路使用者看清楚，決定于道路照明對比度。而可視度水平考慮了物體所處背景的亮度、觀察者年齡、物體視角大小、光幕亮度及觀察時間等因素。在此基礎上，發展了小物體的可視度設計準則[1]。

　　小物體的可視度通過定義路面上小目標物的可視閾值來衡量道路照明好壞，當小物體可以辨識時，相對大一些的物體就會有更好的辨識效果。物體的可視度越高，對于道路照明駕駛者就越安全，因此在很長一段時間內成為道路照明設計的重要準則。根據法國Anais Mayeur的最近一項研究表明[5]，由于小物體可視度模型是建立在實驗室對位于視場中央物體探測實驗的簡化模擬結果，當物體所處環境更加復雜時，或觀測者具有更多的視覺任務時，受測者對周邊物體的探測受到更多因素的影響，在實際應用中需要根據道路的實際情況對可視度模型進行修正。這一結果也表明國際上越來越重視道路照明中視覺工效的研究，并用于實際指導道路照明的設計和評估。

　　3.3 城市道路照明白光化和中間視覺

　　20世紀50年代，美國人發明了高壓鈉燈。由于其光效高、成本低，很快大面積應用于道路照明。目前，世界上85%以上的道路照明光源都采用高壓鈉燈。近年來，一些新的金鹵燈光源被開發出來，色溫相對偏高，為暖白色，顯色性也更加好。由此引發了黃光與白光的研究，對于道路照明用燈也引起了很大的爭議。隨著LED科技的發展，高色溫的白光光源再次受到人們的重視，城市道路照明白光化的研究也進一步提上了議程。關于城市道路照明白光化的焦點問題主要集中在幾個方面：首先中間視覺狀態下白光是否具有更高的效率;二是使用白光是否更有利于視覺目標的辨別和提高視覺舒適度;三是白光的使用是否降低了霧天的可見度。前兩個問題的探討，國際照明學會前主席Wout van Bommel專門撰文解答[6]過。

　　從目前的研究結果看，中間視覺對于光源光譜在道路照明中使用的分析具有特定的條件：在較低適應亮度水平下(常不高于0.3cd/m2)的視線外視覺區域[6]。利用MOVE模型比較高壓鈉燈(S/P值為0.65)與暖白光LED光源(S/P值為1.35)及藍光豐富的白光ED光源(S/P值為2.15)，可以發現在適應亮度為0.3cd/m2時暖白光LED光源的照明水平的有效性比高壓鈉燈高19%(=10%+9%)，藍光豐富的白光LED光源則比高壓鈉燈高38%(=10%+28%)。但應注意，這些百分比差別僅適用于線外視覺。而在更高的亮度水平下，即使仍然處于中間視覺狀態，在光效有效性方面，白光的優勢很小。

　　另一個應該值得考慮的問題是光源的顯色指數。在中間視覺的情況下能產生彩色視覺的錐狀細胞還能部分地被激活，因而可以認為在道路照明中色彩分辨能力對視覺功能還有貢獻。事實上近來的研究表明：采用顯色指數大于50的白光比用顯色指數只有25的高壓鈉燈更容易識別人的面孔。要獲得同樣的辨認機會，所需白光的照明水平僅約為黃光的一半。這里要特別強調的是：起決定性因素的是顯色指數，而不是色溫。藍光豐富的白光和暖白光都有這樣的優。英國的標準BS5489規定當采用顯色指數大于60的光源時，道路照明的平均照度可以降低[6]

　　關于城市道路照明白光化的問題，應該根據道路特點、光源和燈具特點全面地進行分析，而不是片面地、偷換概念地直接得出某種光色光源更為“節能”、“高效”的結論。[NT:PAGE]

　　3.4 惡劣天氣下道路照明研究

　　可見光在下雪、下雨和有霧時的透過能力會下降，因此，這樣的惡劣天氣對交通安全造成了很大威脅。可見光在雪花、雨滴和霧滴中傳播時，由于散射和吸收等作用，使其可見性受到很大影響。一些研究機構曾做過相關研究，并給出了一些可見光在這些嚴峻天氣條件下傳播的特性和結論。但關于道路照明光源的透霧性研究方面，國際上可參考的文獻極少。

　　作為對可見光在惡劣天氣條件下傳播特性的初步研究。我們對于LED光譜透霧性進行了研究，采用四種單色LED光譜，依次為：紅色LED(λp=625nm，FWHM = 50nm )、黃色LED (λp = 594nm , FWHM= 13nm)、綠色LED(λp=514nm，FWHM =45nm)、藍色LED(λp=459nm，FWHM=22nm)見圖6。實驗所用裝置如圖6所示。

　　注：1為光源，四只單色LED均為IW;2為霧氣箱，長30cm，寬37cm，高32cm，內表面涂黑;3為加濕器，通過22個檔住產生不同濃度的霧;4為連通管，將加濕器產生的霧通入霧氣箱;5為探頭，正對著光源;6為照度計，用來采集照度值

　　實驗采用加濕器產生霧，測量四種單色LED在不同霧濃度下的照度衰減。霧的濃度由一個白色LED在相應濃度下的照度衰減值來描述。通過照度衰減曲線得到了具有最佳透霧能力的單色可見光。本實驗測量了四種單色LED在不同霧濃度下的穿透情況，得出了隨著霧濃度的上升，單色LED的透霧性能也下降，但下降程度不盡相同。四種單色光在任意濃度下，黃光的透霧性能最好，其次是紅光，之后是綠光和藍光見圖7。

　　實驗從量化的角度分析了單色可見光對霧的穿透特性。盡管通過加濕器造出的霧，在成分和霧滴大小以及空間分布上與自然中的霧不相同，但仍能在一定程度上反映出單色光在大量水汽凝結環境中的透過情況，如下雨或濕度很大的環境，實驗結論對道路照明設備的選擇具有一定的指導意義。但實驗僅是對可見光在惡劣天氣條件下透過情況的初步研究。[NT:PAGE]

　　3.5 LED道路照明的前景

　　美國能源部在《固態照明產品在小眾市場應用的節能評估-2008.10》中提到，如果美國的道路和區域照明全部改用為LED照明，每年可以節省44.7TWh的電能，相當于7個1000MW的電站，或者相當于每年370萬戶家庭用電。2007年2月在美國北卡羅來納州等地相繼進行了LED路燈替換傳統路燈的試用測試。相關的LED制造商也開始實施LED城市計劃以加速LED技術發展及其應用。此外，美國能源部實施了Gateway示范項目來追蹤LED產品的應用。表3為2007年LED的節能性能，是基于相同的流明數來比較傳統光源和LED的瓦特數。

　　在CIE2009年布達佩斯的中期會議上，意大利的Iacomussi和Rossi認為[7]，LED用于道路照明具有相當大的潛力，表現在幾個方面：LED的白光具有更高的顯色性，有利于在中間視覺下對周邊障礙物的探測;白光具有更好的視覺舒適度;光線更為可控，可提高利用效率;其長壽命有利于降低維護費用;隨著技術的不斷革新，LED的光效正在以驚人的速度持續增長;由于可輕松實現0~100%的調光，滿足實際交通的需要而進行的調節使其具有更大的節能空間。

　　當然，也有對此并不贊同的。例如土耳其的Sermin Onaygil[8] LED道路照明應用情況作了分析計算，結果表明LED照明在照度、亮度、均勻度、環境比等參數上能夠達到相應的照明標準。但是相比于高壓鈉燈，LED耗能要高約40%，因此，她認為目前LED道路照明技術還不能與像高壓鈉燈一樣。

　　關于LED在道路照明上的應用，雖然有各種不同的聲音，但已有很多跡象表明，人們多數對于LED的應用前景均表現出較為樂觀態度。隨著LED技術的發展，相信LED在道路照明會給人們帶來更多的驚喜。

　　4 結束語

　　本文探討了目前國內外道路照明的發展情況以及發展趨勢。對于智能道路照明發展、城市道路照明白光化研究、惡劣天氣情況下道路照明光譜選用以及傳統光源和LED光源應用于道路照明進行了分析、比較，綜合考慮了與道路照明設計相關的因素。智能道路照明對于城市道路照明安全、節能具有重要的意義，代表了道路照明的一個發展方向;而白光化研究關注于道路照明質量提升以及舒適性，對于道路照明光源選擇具有重要指導意義。傳統光源在道路照明中的應用仍占主導地位，而LED近年內發展迅速，在光效、燈具設計、系統設計方面都有極快地提升，已經有示范性道路建設，未來必將會帶來新的沖擊。

　　參考文獻

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　　2 《城市道路照明設計標準》( CJJ 45-2006)

　　3 Aleksandr Ekrias. 2007. “Intelligent Road Lighting And Effects of Weather Conditions on Road Luminances.,‘’Pp. Pages in Proceedings of the 26th Session of the CIE. Beijing.

　　4 2007.”Intelligent Road and Street Lighting in Europe.” Pp. Pages: 1-20.Sofia: Black Sea Regional Energy Centre.

　　5 Ana? “ s Mayeur etc. Effects of the viewing context on target detection. Implications for road lighting designApplied Ergonomics xxx (2009)1-8

　　5 Van Bommel W.光源的光譜與低照明水平.中間視覺的基礎[j].《照明工程學報》2009

　　6 P. Iacomussi, Giuseppe Rossi and P. Soardo. 2009.ENVIRONMENTAL COMPATIBILITY OF LED LUMINAIRES IN ROAD LIGHTINGPp. Pages in CIE, Light and Lighting Conference with Special Emphasis on LEDs and Solid State Lighting.Budapest, Hungary.

　　7 Sermin Onaygil. 2009. “LED TECHNOLOGIES IN ROAD LIGHTING.” Pp. Pages in CIE, Light and Lighting Conference with Special Emphasis on LEDs and Solid State Lighting. Budapest, Hungary.

　　相關鏈接：

　　林燕丹，副教授，復旦大學光源與照明工程系物理電子學專業和德國達姆斯塔特技術大學照明研究所聯合培養的博士，任國際照明委員會第四分部(交通照明與信號)中國代表;中國照明學會教育培訓工作委員會副主任委員等多職。主要從事照明人體功效學、新光源在室內外照明的應用研究和評估及照明視覺基礎等方向的教學和科研工作，在國內外重要期刊雜志上發表論文五十余篇。目前主持承擔國家自然科學基金、上海教委近視眼專項研究和中國商用飛機照明系統等多項重大課題項目。