CN102840519A - 一种多灯位多维隧道照明方式 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多灯位多维隧道照明方式，由多个维数的照明分量构成，包括：低灯位逆向照明分量、同向照明分量、横向照明分量和高灯位逆向照明分量。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；根据任务性质，各分量均拥有低位安装的、独立运行的专用光源与灯具，分别满足路面照明、空间照明和隧道照明的特殊需求。在每一项任务中，使其效能最大化，从而使总体照明达到综合最优化。本发明克服了传统隧道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，有效解决了隧道照明的一系列问题，大大提高了照明效率。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，根本上摆脱了传统隧道灯的照明方式，也跳出了用LED灯简单替换HPS、MH灯的模式。

Description

一种多灯位多维隧道照明方式

技术领域

本发明是发明人系列发明——“多维道路照明体系”的第三部分，涉及一种新型照明方式，具体是一种多灯位多维隧道照明方式。

背景技术

目前，隧道照明普遍采用传统的高灯位隧道灯(安装高度在隧道顶部，安装间距2m左右，单灯功率80W以上)。这种照明方式技术成熟，但是由于灯位高，存在以下问题：

1、眩光问题

道路照明设计规范要求快速路采用截光、半截光型隧道灯来减少眩光。这一措施，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，该型灯具总是存在一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隧道灯发光面的眩光(见附图1)。这一眩光不是传统意义上的直接眩光，但仍然属于失能眩光。

显然，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0。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。

另一种措施是降低隧道灯高度，当隧道灯高度与驾驶员眼高相同时，使α角为0。但这会带来配光等一系列问题，特别是将现有的250W-400W HPS隧道灯高度降至驾驶员眼部高度显然是不可行的。

目前，采用高灯位隧道灯照明的道路都存在来自行车方向前上方的失能眩光。

隧道照明中，传统的高灯位逆向照明方式也存在显著的眩光问题。

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，形成光幕区。

根据余弦定律，可以证明，现行高灯位照明方式在光幕区内存在大比例的无效照明分量。

事实上，只有有效照明分量是有效照明。

另一方面，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。

目前，采用高灯位隧道灯照明的隧道不可避免的都存在无效照明区域及违背照明基本需求的问题。

高灯位照明方式是随着高电压气体放电(包括HPS)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三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厂家统统沿用传统隧道灯的设计思路，追求几十瓦、上百瓦的大功率LED隧道灯以求与目前的HPS灯造型、安装方式完全相同或兼容，导致当前LED隧道灯及安装方式几乎全部以适用于HPS光源的“投光灯”为标准进行设计和制造，而非以LED发光规律为出发点进行研发。

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隧道灯的集中、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隧道灯在照明工程界受到质疑。

事实上，以简单替换为特征的大功率、高灯位的LED隧道灯照明不但没有解决传统HPS隧道灯存在的问题，反而增加了散热等新问题，这表明目前LED隧道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。

上述照明方式，在本质上任然是一个灯同时承担了路面照明、空间照明、墙壁照明三重任务，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，才可能在路面照明、空间照明、复杂天气照明方面分别做到最佳，从而达到总体最佳，从而大大提高照明效率，提高可见度水平，节约能源。

发明内容

隧道照明中必须考虑某些特殊的视觉现象：在白天，由于白天隧道外的亮度相对于隧道内的高很多，驾驶员进入隧道时会看到黑乎乎的洞，即“黑洞”现象；进入隧道后由明亮的外部进入较暗的隧道，需要适应时间，即“适应的滞后”现象；在隧道中间段，在车流量大、尾气污染严重或雾天情况下，汽车的废气集聚形成烟雾，空气中聚集了大量悬浮状的气溶胶分子团，这导致一方面部分射向机动车前方物体的入射光还未到达物体便被光路上的烟雾和水分子团所吸收和散射，其散射部分形成白雾幕，即“白(雾)墙”现象，另一方面是到达机动车前方物体的入射光经反射后的反射光为悬浮在空气中的气溶胶分子团所吸收和散射，减弱了反射光的亮度与对比度，致使机动车前方障碍物的可见度大大降低；在隧道出口处会出现一个很亮的洞，会产生强烈的眩光，即“黑洞”现象。下表列举了隧道照明中必须考虑的特殊视觉现象(时间序列为自左至右)：

在夜晚，这一过程恰好相反。

本发明综合了市政道路照明的多重需求10项，总结了市政道路照明的特殊问题2项。在此基础上，发明人提出以下相关对策，见下表。

照明需求：

特殊问题：

本发明提出一种新型照明方式——多灯位多维隧道照明方式，该照明方式由多个维数的照明分量构成，包括一维低灯位逆向照明分量、一维低灯位同向照明分量、一维横向照明分量和一维高灯位逆向照明分量，各分量均拥有自己的光源和灯具。

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，能发挥出更高效能。

所述各照明分量的光源与灯具，均独立运行；灯具安装在隧道不同高度的多个位置，单独设置或集成一体。

所述低灯位逆向照明基本原理为：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隧道照明的基本要求，减少眩光及提高亮度均匀度是隧道照明的重要任务。当隧道灯位于道路两侧，以与车行方向相反的照射方向向机动车前方路面投光，并规则反射，若不计光线空气传输中的能量损失，则光源在驾驶员眼视轴方向的照度分量为(见附图3)：

E_r：光源在路面上的反射照度矢量；

E_e：路面反射照度在驾驶员眼视轴方向的分量；

α：光源的入射角，即路面法线与光源投光方向之间的夹角；

机动车驾驶员视线方向与路面之间的夹角，取

θ：光源投光方向所在平面与驾驶员视线方向所在平面的夹角。

当α→89°时，E_e→E_r，即光源高度接近地面时，路面反射在观察视线上的光辐射量达到最大；在道路照明中，高位安装的光源的α角远小于低位安装的光源的α角，故高灯位照明时路面反射照度在驾驶员眼视轴方向的分量亦远小于低灯位照明。

当θ→0°时，光源照射方向与车道平行，此时，观察视线上的光辐射量E_e为最大值。当θ→90°时，光源照射方向与车道垂直，此时，E_e→0。

光源在路面上的真实反射为非规则反射，非规则反射是规则反射和漫反射的叠加，遵从朗伯定律。

上述分析表明，当光源高度低于机动车驾驶员视平线、并以与车行方向相反的照射方向来照射路面时，驾驶员观察视线上可获得较高的路面反射亮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隧道内路面亮度、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与灯具，其高度低于机动车驾驶员视平线，照射方向与所在车道的车行方向相反，照射空间为灯高位置下方空间及路面，无仰角散射，光源色温不高于4000K；运行方式为通常模式(在正常开灯时间内常全开)和节能模式(通常模式基础上调光)两种。

所述低灯位同向照明基本原理为(见附图4)：

E_e＝E_r·cosα·cosβ

E_r：光源在障碍物表面的反射照度矢量；

E_e：障碍物表面的反射照度在驾驶员眼视轴方向的分量；

α：光源的入射角，即路面与光源投光方向之间的夹角；

β：反射照度矢量与驾驶员眼视轴之间的夹角。

当α→0°时及β→0°时，E_e→E_r，即观察视线上的光辐射量E_e将取得最大值；上述分析表明，当光源高度接近机动车驾驶员视平线、照射方向与车行方向相同并照射前方空间时，驾驶员观察视线上可获得较高的障碍物的反射亮度；提高路面背景与前方障碍物之间的亮度差、色度差和光源显色性有利于提高障碍物的可见度水平；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隧道内的空间照明，在与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差、色度差来提高障碍物的可见度水平；用于同向照明的光源与灯具，其高度在机动车驾驶员视平线附近，照射方向与所在车道的车行方向相同，照射空间为灯高位置上方空间，与逆向照明分量无交集，光源色温高于逆向照明分量，显色指数大于70；运行方式为通常模式(在正常开灯时间内分时段全开)和节能模式(通常模式基础上调光)两种。

所述横向照明和高灯位逆向照明依据的基本原理为：研究表明，当入射光和驾驶员视线之间的夹角接近垂直时，能够有效的克服“白(雾)墙”现象，而横向照明分量的入射光主要照射方向与车行方向垂直，驾驶员的视线方向沿着车行方向，两者可形成近于90。夹角，所以进行横向照明是解决照明的有效方法；当光源以照射方向与车行方向相反、投光角度接近垂直于墙面法线照射前方墙面时，驾驶员视线方向上可获得较高的墙面反射亮度、较高的亮度均匀度且能够控制眩光在较小值。

本发明中，为解决上述隧道照明特殊视觉现象，在隧道阈值区间，克服“黑洞(白洞)”现象的措施是，使墙壁亮度与隧道外部亮度接近；在过渡区间，改善“暗(明)适应”现象的措施是，使墙壁亮度在阈值区亮度与隧道内部区间亮度之间形成逐步渐变；在内部区间，克服“白(雾)墙”现象的措施是，使入射光和驾驶员视线之间的夹角接近垂直。

本发明中，横向照明分量的功能是在内部照明区间提供与驾驶员视线之间的夹角接近垂直的投射光，用于克服“白(雾)墙”现象。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，照射空间为灯高位置上、下方空间及路面，与逆向照明、同向照明分量有交集，；运行方式为通常模式(在尾气污染严重、雾天时全开)和节能模式(通常模式基础上调光)两种。

本发明中，高灯位逆向照明分量的功能是在隧道阈值区间和过渡区间，提供合理的、逐步渐变的墙壁亮度，提高隧道内障碍物的可见度水平和驾驶员视觉舒适度且控制眩光在较小值；用于高灯位逆向照明的光源，其高度高于机动车驾驶员视平线，照射方向与所在车道的车行方向相反，照射空间为灯高位置上方空间及墙面，无俯角散射，光源色温接近天空光；依据隧道外光环境自动开启，控制联动；运行方式为通常模式(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)。

所述多灯位多维隧道照明方式，对于非水平隧道，由于可视距离变短，功率密度较水平隧道功率密度加大；对于非直线隧道，由于可视距离变短，功率密度较直线隧道功率密度加大。

所述多灯位多维隧道照明方式，其关键技术在于限制眩光和控制墙壁亮度；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，是灯具上采用上截光遮光板及合理配光；为有效控制墙壁亮度，要求隧道墙壁采取增加反射系数的措施，如采用反射率高的涂料并/或将隧道墙壁涂成浅颜色。

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，进一步完善照明功能的措施是加入更多维照明分量。

本发明的有益效果在于：

1)节能

目前主流高灯位照明方式照射方向不合理，存在较大的无效的照明空间，在有效照明的空间内，也存在较大的无效照明分量，从而导致高灯位照明方式的照明效率低下；本发明提出的多维照明方式中，提高照明效率的途径是使照射方向、照度分布合理；对于路面照明，低灯位逆向照射方式的效率远高于现行的主流照明方式，对于前方障碍物照明，低灯位同向照射方式的效率远高于现行的主流照明方式，对于隧道墙壁照明，高灯位逆向照射方式的效率远高于现行的主流照明方式。上述方式结合，光源与灯具各司其职，功率密度将比现行高灯位照明方式大大降低。

2)降低眩光

高灯位照明方式下，光源位于驾驶员视平线之上并向下投光，因而直接暴露于驾驶员前方视域内，会导致本行车方向上车行前上方的直接眩光；本发明提出的多维照明方式中，光源位于驾驶员视平线之下时向下投光，并采取上截光措施，光源位于驾驶员视平线之上则向上投光，并采取下截光措施，可避免光源直接暴露于驾驶员前方视域内，比现行高灯位照明方式显著降低眩光指数。

隧道照明中，传统的高灯位逆向照明方式也存在显著的眩光问题，根本原因是驾驶员视轴方向在灯具的配光范围之内，本发明的低灯位逆向照明方式中，驾驶员视轴方向在灯具的配光范围之外，因而克服了传统的高灯位逆向照明方式存在显著的眩光问题。

3)提高可见度

由于多维照明方式分离了低灯位逆向照明分量、同向照明分量的照射空间并单独调光，可形成较强的路面背景与前方物体之间的亮度对比；另外，通过对于低灯位逆向照明分量、同向照明分量的色度单独控制来加强色度对比；上述两种措施都将比现行高灯位照明方式提高前方物体的可见度水平。

4)本发明与传统隧道灯相比现场装配简单，同时便于日常维护，无论从一次投资还是从运行成本上衡量，都比目前主流的道路照明体系大大降低。

综上所述，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，克服了现行普遍采用的高灯位照明方式存在的弊端，解决了隧道照明的一系列问题、显著提高了照明效率、在大幅度降低能耗的同时具有良好的路面亮度、纵向均匀度和诱导性，并且不存在“频闪”问题。

附图说明

图1是现行高灯位照明方式存在眩光示意图；

图2是无法消除眩光的示意图；

图3是本发明低灯位逆向照明原理示意图；

图4是本发明同向照明原理示意图；

图5是本发明多灯位多维照明示意图。

图6是本发明多灯位照明正视图；

图7是本发明多灯位照明剖面图；

图8是本发明多灯位照明俯视图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，实施例仅用于例证的目的，绝不限制本发明的保护范围。

应用多灯位多维隧道照明方式进行隧道照明优化设计过程如下：

1、调查隧道基本情况，根据设计规范确定该隧道的功率密度上限值，按多灯位多维隧道照明方式布灯，按经验选取灯高、灯距、单灯功率以及配光曲线等光源、灯具参数；

2、根据上述参数计算出路面亮度、均匀度、空间照度、均匀度、眩光指数、可见度指数等照明参数；

3、将上述照明参数与设计规范的参数进行比较。若全面满足，则进入4；不满足，调整灯高、灯距、排列方式、单灯功率以及配光曲线等光源、灯具参数，返回2；

4、得到与满足规范的照明参数所对应的光源、灯具参数，作为下一步电气设计的基础；

5、电气设计：包括供电与控制；各照明分量在运行方式上既可采用通常模式或节能模式独立运行，也可将不同模式进行组合运行；

6、将隧道墙体刷白，将光源与灯具通过金属支架安装在隧道墙体及台阶之上并调试。

以上所述对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改，甚至等效，但都将在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多灯位多维隧道照明方式，其特征在于：该照明方式由多个维数的照明分量构成，包括一维低灯位逆向照明分量、一维低灯位同向照明分量、一维横向照明分量和一维高灯位逆向照明分量，各分量均拥有自己的光源和灯具。

2.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，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；各照明分量的光源与灯具，均独立运行；灯具安装在隧道不同高度的多个位置，单独设置或集成一体；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，能发挥出更高效能。

3.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，其特征在于：隧道照明中必须考虑某些特殊的视觉现象，例如在隧道两端的阈值区间，会存在“黑洞(白洞)”现象；在隧道两测的过渡区间，会存在“暗(明)适应”现象；在隧道内部区间，会存在“白(雾)墙”现象；本发明解决上述隧道照明特殊视觉现象的方法是：在阈值区间，使墙壁亮度与隧道外部亮度接近，以克服“黑洞(白洞)”效应；在过渡区间，使墙壁亮度在阈值区亮度与隧道内部区间亮度之间形成逐步渐变，以改善“暗(明)适应”；在内部区间，加强与驾驶员视线之间的夹角接近垂直的灯光，以克服“白(雾)墙”效应。

4.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，其特征在于：所述低灯位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隧道照明的基本要求，减少眩光及提高亮度均匀度是隧道照明的重要任务；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，低灯位逆向照明分量的功能是提供必要的隧道内路面亮度、较高的亮度均匀度且控制眩光在较小值，用于低灯位逆向照明的光源与灯具，其高度低于机动车驾驶员视平线，照射方向与所在车道的车行方向相反，照射空间为灯高位置下方空间及路面，无仰角散射，光源色温不高于4000K；运行方式为通常模式(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)。

5.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，其特征在于：所述低灯位同向照明的基本原理为：提高隧道内路面背景与前方障碍物之间的亮度差、色度差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：当光源以投光角度接近平行于路面(低灯位)、照射方向与车行方向相同(同向照明)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隧道内的空间照明，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与灯具，高度在机动车驾驶员视平线附近，色温高于低灯位逆向照明分量，显色指数大于70，照射方向与所在车道的车行方向相同，照射空间为灯高位置上方空间，与低灯位逆向照明分量无交集；运行方式为通常模式(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)。

6.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，其特征在于：所述横向照明的基本原理为：在隧道中间段的内部照明区间，由于雾天或汽车废气集聚形成烟雾，光源射向机动车前方空间的入射光会被这些烟雾吸收和散射，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；本发明中，横向照明分量的功能是为基本照明区间提供与驾驶员视线之间的夹角接近垂直的投射光，有效克服“白(雾)墙”现象；用于横向照明的光源，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，照射空间为灯高位置上、下方空间及路面，与逆向照明、同向照明分量有交集，；运行方式为通常模式(在尾气污染严重、雾天时全开)或节能模式(通常模式基础上调光)。

7.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，其特征在于：所述高灯位逆向照明的基本原理为：当光源以照射方向与车行方向相反、投光角度接近垂直于墙面法线照射前方墙面时，驾驶员视线方向上可获得较高的墙面反射亮度、较高的亮度均匀度且能够控制眩光在较小值；本发明中，高灯位逆向照明分量的功能是在隧道阈值区间和过渡区间，提供合理的、逐步渐变的墙壁亮度，有效改善“黑洞(白洞)”及“暗(明)适应”现象，提高隧道内障碍物的可见度水平和驾驶员视觉舒适度且控制眩光在较小值；用于高灯位逆向照明的光源，其高度高于机动车驾驶员视平线，照射方向与所在车道的车行方向相反，照射空间为灯高位置上方空间及墙面，无俯角散射，光源色温接近天空光；依据隧道外光环境自动开启，控制联动；运行方式为通常模式(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)。

8.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，其特征在于：对于非水平隧道，由于可视距离变短，功率密度较水平隧道功率密度加大；对于非直线隧道，由于可视距离变短，功率密度较直线隧道功率密度加大。

9.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，其关键技术在于限制眩光和控制墙壁亮度；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，是灯具上采用上截光遮光板及合理配光；为有效控制墙壁亮度，要求隧道墙壁采取增加反射系数的措施，如采用反射率高的涂料并/或将隧道墙壁涂成浅颜色。

10.根据权利要求1所述的一种多灯位多维隧道照明方式，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，进一步完善照明功能的措施是加入更多维照明分量。

Images