CN111680431A - 一种基于平均照度的道路照明系统设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，它属于道路照明系统设计技术领域。本发明解决了采用现有方法难以对道路照明系统中的任意点照度进行连续准确的定量计算，导致无法对城市道路路灯的配置优化提供有效指导的问题。本发明方法的输入参数容易获取，可以对整个道路空间中的照度分布进行定量描述，提高对道路照明系统平均照度计算的准确性与连续性，便于对路灯的配置方案进行合理优化，也能够为建立照明与驾驶员视认特性的关系模型奠定基础。本发明可以应用于道路照明系统的设计。

Description

一种基于平均照度的道路照明系统设计方法

技术领域

本发明属于道路照明系统设计技术领域，具体涉及一种基于平均照度的道路照明系统设计方法。

背景技术

路面平均照度是城市道路照明系统的评价指标之一，也是路灯配置的一项重要参考指标，城市道路要合理配置路灯，技术上首先就要对路面上任意点照度和道路平均照度等评价指标进行计算。目前最精确的道路照度计算方法是采用“道路照明逐点法”对路面上任意点照度进行计算，但该方法在计算过程中需要基于观测点与灯具之间的高度角和方位角数据，输入参数不易获取，难以对道路照明系统中的任意点照度进行连续准确的定量计算，因此工程上常采用“利用系数法”对道路照度评价指标进行计算，但是该方法精确度较低，连续性较差。综上所述，建立一种输入参数易获取，可对照明系统中任意点照度进行连续精确计算的方法十分重要。

发明内容

本发明的目的是为解决采用现有方法难以对道路照明系统中的任意点照度进行连续准确的定量计算，导致无法对城市道路路灯的配置优化提供有效指导的问题，而提出了一种基于平均照度的道路照明系统设计方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：对整个照明区域建立空间直角坐标系，设在照明区域内设置有n个照明路灯，第k个照明路灯的发光点为P_k,k＝1,2,…,n，观测区域M内的观测点A在建立的空间直角坐标系中的坐标为(x，y，z)；

步骤二：设第k个照明路灯距离地面的安装高度为l_k，第k个照明路灯距离灯杆的悬挑长度为d_k，第k个照明路灯的仰角为α_k，第k+1个照明路灯与第k个照明路灯之间的距离为D_k，则P_k的坐标为

其中，D₀＝0，

为P_k在X轴方向坐标，d_k为P_k在Y轴方向坐标，l_k为P_k在Z轴方向坐标；

步骤三：计算道路照明系统中第k个照明路灯的发光点P_k至观测点A的距离R_k；

步骤四：将道路照明系统中第k个照明路灯的发光点P_k与观测点A之间的连线记为P_kA，计算P_kA与地面法线的夹角θ_k的余弦值；

步骤五、计算第k个照明路灯的发光点P_k在连线P_kA方向光束的投角β_k；

步骤六、利用步骤三计算出的距离R_k、步骤四计算出的夹角θ_k的余弦值以及步骤五计算出的投角β_k，来计算道路照明系统中第k个照明路灯P_k在观测点A处的照度E_k；

步骤七、利用步骤六计算出的照度E_k来计算道路照明系统在观测点A处的总照度E；

步骤八、根据步骤七计算出的在观测点A处的总照度E，来计算观测区域M内的平均照度Eav；

步骤九、结合道路类型和平均照度E_av要求，来对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，本发明方法的输入参数容易获取，可以对整个道路空间中的照度分布进行定量描述，提高对道路照明系统平均照度计算的准确性与连续性，便于对路灯的配置方案进行合理优化，也能够为建立照明与驾驶员视认特性的关系模型奠定基础。

附图说明

图1是本发明一种基于平均照度的道路照明系统设计方法中道路照明系统坐标系示意图；

图2是本发明一种基于平均照度的道路照明系统设计方法的观测区域示意图；

图中，E(x,y,z₀)代表在观测点(x,y,z₀)处的总照度；

图3是本发明对道路照明系统照度分布图的仿真结果图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，该方法具体通过以下步骤实现：

步骤一：对整个照明区域建立空间直角坐标系，设在照明区域内设置有n个照明路灯，第k个照明路灯的发光点为P_k,k＝1,2,…,n，观测区域M内的观测点A在建立的空间直角坐标系中的坐标为(x，y，z)，观测区域示意图如图2所示；

步骤二：设道路照明系统中的第k个照明路灯距离地面的安装高度为l_k，第k个照明路灯距离灯杆的悬挑长度为d_k，第k个照明路灯的仰角为α_k，第k+1个照明路灯与第k个照明路灯之间的距离为D_k，则P_k的坐标为

其中，D₀＝0，

为P_k在X轴方向坐标，d_k为P_k在Y轴方向坐标，l_k为P_k在Z轴方向坐标；

步骤三：计算道路照明系统中第k个照明路灯的发光点P_k至观测点A的距离R_k；

步骤四：将道路照明系统中第k个照明路灯的发光点P_k与观测点A之间的连线记为P_kA，计算P_kA与地面法线的夹角θ_k的余弦值；

步骤五、计算第k个照明路灯的发光点P_k在连线P_kA方向光束的投角β_k；

步骤六、利用步骤三计算出的距离R_k、步骤四计算出的夹角θ_k的余弦值以及步骤五计算出的投角β_k，来计算道路照明系统中第k个照明路灯P_k在观测点A处的照度E_k；

步骤七、根据照度叠加效应，利用步骤六计算出的照度E_k来计算道路照明系统在观测点A处的总照度E；

步骤八、根据步骤七计算出的在观测点A处的总照度E，来计算观测区域M内的平均照度E_av；

步骤九、结合道路类型和平均照度E_av要求，来对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置。

本发明解决了现有道路照明系统照度计算方法中观测点与灯具之间的高度角和方位角数据难以获取、数据连续性较差、难以对道路照明系统中的任意点照度进行连续准确的定量计算等问题。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中建立的空间直角坐标系为：

空间直角坐标系的X轴和Y轴均位于道路平面内，X轴与道路边缘平行，并规定以车辆前进方向为X轴正方向，Y轴与道路边缘垂直，并规定以指向道路中心线方向为Y轴正方向，Z轴垂直于道路平面，并规定以向上为Z轴正方向，X轴、Y轴和Z轴构成右手坐标系。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤三的具体过程为：

式中，R_k为第k个照明路灯的发光点P_k至观测点A的距离，i＝1,2,…,k。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤四的具体过程为：

式中，θ_k为P_kA与地面法线的夹角。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤五的具体过程为：

式中，β_k为第k个照明路灯的发光点P_k在连线P_kA方向光束的投角。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤六的具体过程为：

式中：

为第k个照明路灯的发光点P_k在P_kA方向的发光强度，计算出β_k后，可以根据生产厂家提供的配光曲线图获得

为第k个照明路灯的光通量。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述步骤七的具体过程为：

式中，E为道路照明系统在观测点A处的总照度。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述步骤八的具体过程为：

式中，σ为观测区域面积，z₀为观测区域距离地面的高度。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤九的具体过程为：

若照明区域的道路类型是主干道，则观测区域内平均照度的取值应满足在20—30之间，根据平均照度要求对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置；

若照明区域的道路类型是次干道，则观测区域内平均照度的取值应满足在10—15之间，根据平均照度要求对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置；

若照明区域的道路类型是支路，则观测区域内平均照度的取值应满足在8—10之间，根据平均照度要求对对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例中，利用Matlab对本发明提出的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法进行仿真分析。仿真过程中，在整个道路单侧设置10个路灯构成照明系统，设照明系统中所有路灯的安装高度均为10m，悬挑长度均为1.5m，路灯之间间距均为20m，路灯发光强度均为2000cd，路灯仰角均为15°。仿真结果如图3所示，可以看出本发明所建立的模型可对道路照明系统中任意位置点处的照度进行定量计算，从而实现对道路照明系统中任意区域内的平均照度进行连续准确的定量计算，便于对整个道路照明系统照明评价参数的计算与仿真研究。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：对整个照明区域建立空间直角坐标系，设在照明区域内设置有n个照明路灯，第k个照明路灯的发光点为P_k,k＝1,2,…,n，观测区域M内的观测点A在建立的空间直角坐标系中的坐标为(x，y，z)；

步骤二：设第k个照明路灯距离地面的安装高度为l_k，第k个照明路灯距离灯杆的悬挑长度为d_k，第k个照明路灯的仰角为α_k，第k+1个照明路灯与第k个照明路灯之间的距离为D_k，则P_k的坐标为

其中，D₀＝0，

为P_k在X轴方向坐标，d_k为P_k在Y轴方向坐标，l_k为P_k在Z轴方向坐标；

步骤三：计算道路照明系统中第k个照明路灯的发光点P_k至观测点A的距离R_k；

步骤四：将道路照明系统中第k个照明路灯的发光点P_k与观测点A之间的连线记为P_kA，计算P_kA与地面法线的夹角θ_k的余弦值；

步骤五、计算第k个照明路灯的发光点P_k在连线P_kA方向光束的投角β_k；

步骤六、利用步骤三计算出的距离R_k、步骤四计算出的夹角θ_k的余弦值以及步骤五计算出的投角β_k，来计算道路照明系统中第k个照明路灯P_k在观测点A处的照度E_k；

步骤七、利用步骤六计算出的照度E_k来计算道路照明系统在观测点A处的总照度E；

步骤八、根据步骤七计算出的在观测点A处的总照度E，来计算观测区域M内的平均照度E_av；

步骤九、结合道路类型和平均照度E_av要求，来对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置。

2.根据权利要求1所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，所述步骤一中建立的空间直角坐标系为：

空间直角坐标系的X轴和Y轴均位于道路平面内，X轴与道路边缘平行，并规定以车辆前进方向为X轴正方向，Y轴与道路边缘垂直，并规定以指向道路中心线方向为Y轴正方向，Z轴垂直于道路平面，并规定以向上为Z轴正方向，X轴、Y轴和Z轴构成右手坐标系。

3.根据权利要求1所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

式中，R_k为第k个照明路灯的发光点P_k至观测点A的距离，i＝1,2,…,k。

4.根据权利要求3所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：

式中，θ_k为P_kA与地面法线的夹角。

5.根据权利要求4所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，所述步骤五的具体过程为：

式中，β_k为第k个照明路灯的发光点P_k在连线P_kA方向光束的投角。

6.根据权利要求5所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，所述步骤六的具体过程为：

式中：

为第k个照明路灯的发光点P_k在P_kA方向的发光强度，

为第k个照明路灯的光通量。

7.根据权利要求6所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，所述步骤七的具体过程为：

式中，E为道路照明系统在观测点A处的总照度。

8.根据权利要求7所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，所述步骤八的具体过程为：

式中，σ为观测区域面积，z₀为观测区域距离地面的高度。

9.根据权利要求1所述的一种基于平均照度的道路照明系统设计方法，其特征在于，所述步骤九的具体过程为：

若照明区域的道路类型是主干道，则观测区域内平均照度的取值应满足在20—30之间，根据平均照度要求对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置；

若照明区域的道路类型是次干道，则观测区域内平均照度的取值应满足在10—15之间，根据平均照度要求对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置；

若照明区域的道路类型是支路，则观测区域内平均照度的取值应满足在8—10之间，根据平均照度要求对对道路照明系统中的路灯间距、路灯距离地面安装高度、路灯仰角、路灯距离灯杆悬挑长度以及光通量进行配置。

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