隧道照明的節(jié)能配光設計與實現(xiàn)

賴 偉，陳偉民，劉顯明，雷小華

（重慶大學a.光電技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室；b.光電工程學院，重慶 400044）

0 引言

城市隧道照明的最終目的是為駕駛員或行人提供安全舒適的視看環(huán)境，并在此前提下盡可能減少無效照明，實現(xiàn)燈具最大程度的節(jié)能。在隧道照明燈具安裝條件確定的情況下，隧道照明的質(zhì)量與照明系統(tǒng)節(jié)能取決于燈具配光性能，即空間光分布。因此，優(yōu)化隧道燈具的光分布，使之既能滿足駕駛員視覺需求，又能減少無效照明，實現(xiàn)照明節(jié)能，是未來隧道照明技術的發(fā)展趨勢。

隧道照明相比于道路照明更為復雜，隧道為一種特殊的管狀構造物，與洞外明亮寬敞的道路不同，車輛白天進出隧道是一個從明亮進入黑洞，又從黑洞走向明亮的過程，在這個過程中存在幾個特殊的視覺問題。車輛白天進入隧道，在隧道入口會出現(xiàn)“黑洞效應”；進入隧道后，駕駛員需要一定時間才能適應隧道內(nèi)部的光環(huán)境，出現(xiàn)“適應滯后現(xiàn)象”；在隧道出口處，由于洞外亮度極高，在出口處出現(xiàn)“白洞效應”。為了克服這幾種特殊的視覺問題，根據(jù)國家隧道照明標準JTJ 026.1—1999《公路隧道通風照明設計規(guī)范》的要求，將隧道分為接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段，不同區(qū)段對應著不同的設計指標。此外，除了隧道路面的亮度、均勻度以及眩光等照明指標需要滿足規(guī)范要求，兩側2 m 以下的墻面亮度和均勻度也有相應的指標要求，因此相比于道路照明，隧道照明從平面照明轉(zhuǎn)為了立體照明，照明燈具的配光設計更為復雜，難度更大。

在目前隧道照明中，LED（發(fā)光二極管）光源具有定向發(fā)光，使用壽命長，功耗低，綠色環(huán)保等優(yōu)勢，正逐步替代傳統(tǒng)高壓鈉燈光源，廣泛應用于隧道照明。由于LED 光源的朗伯特性，不能直接應用于隧道照明，需要設計光學系統(tǒng)對其空間光分布進行重新分配。那么，設計后的配光曲線需要達到何種形式才能既滿足駕駛員的視覺需求，又能實現(xiàn)燈具最大程度的節(jié)能，以及如何根據(jù)得到的最優(yōu)化配光曲線來指導和實現(xiàn)LED 光源光學系統(tǒng)的設計，使之達到最優(yōu)的隧道照明效果，是進行LED 隧道燈具設計與開發(fā)亟需解決的關鍵問題。

1 隧道照明燈具節(jié)能化光分布設計研究

1.1 隧道照明規(guī)范

國家隧道照明標準JTJ 026.1—1999《公路隧道通風照明設計規(guī)范》將隧道照明分為如圖1 所示的接近段照明、入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明等，不同區(qū)段對應著不同的設計指標。

隧道照明除了滿足路面的亮度值要求外，還需要路面具有良好的整體亮度均勻性和縱向亮度均勻性，為防止隧道光源局部過高的亮度引起人眼不適或降低人眼對觀察目標的能力，JTJ 026.1—1999 對眩光也進行了限制。此外，該規(guī)范對墻面照明也提出了相應的要求，規(guī)定隧道兩側2 m 以下的墻面亮度不低于路面亮度的60%，同時亮度均勻度不低于0.4。

圖1 隧道照明不同區(qū)段劃分

1.2 隧道燈具最優(yōu)化配光曲線模型建立

在進行隧道照明燈具設計時，燈具的最終照明效果需要滿足隧道路面和墻面的照明指標要求，在此基礎上，盡可能使其光線投射到隧道路面以及2 m 以下墻面的區(qū)域，減少其他區(qū)域的無效照明光線。燈具的總輸出光線可以用燈具的總輸出光通量來衡量，滿足隧道照明標準所需的燈具總輸出光通量最少，即可認為燈具的配光曲線為最節(jié)能設計。隧道燈具配光設計時，需要達到的目標和滿足的約束條件如表1 所示。

表1 燈具節(jié)能配光設計時滿足的目標函數(shù)和約束條件

目標函數(shù)為LED 隧道燈的總輸出光通量，其中I（C，γ）表示配光曲線即空間光分布。而當LED 隧道燈安裝條件如布燈高度、布燈間距，以及隧道路況信息如道路寬度、路面材質(zhì)等確定后，平均亮度Lav、亮度均勻度U0、亮度縱向均勻度UL、眩光閾值TI、墻面平均亮度Lav.Wall、墻面亮度總均勻度U0.wall等照明質(zhì)量評價指標均可以通過CIE 140—2000《Road Lighting Calculations》中的計算公式來確定，這些指標都為配光曲線I（C，γ）的函數(shù)。該最優(yōu)化模型的求解思路即為逆向設計方法，利用LED 隧道燈的安裝條件和道路寬度、路面材質(zhì)的反射特性以及駕駛員的視覺光環(huán)境需求來反求燈具最節(jié)能的配光曲線I（C，γ）。

1.3 模型求解以及最優(yōu)化配光曲線設計

隧道中間段相比于其他區(qū)段，燈具排布間隔大，其配光設計最為復雜，以隧道中間段為例，來進行燈具的最優(yōu)化配光設計。上述最優(yōu)化模型是利用一系列的I（C，γ）確定LED 隧道燈的配光性能，設置足夠大的光通量計算區(qū)域，并對該區(qū)域進行網(wǎng)格細分。利用Matlab 計算出在某種特定燈具安裝和路況條件下的照明指標值，再利用優(yōu)化工具箱得到配光曲線I（C，γ）的最優(yōu)解。燈具安裝條件為雙車道7.5 m，瀝青路面，隧道中間單排布燈，布燈高度5.5 m，布燈間距18 m。其最優(yōu)的配光曲線如圖2 所示。

圖2 隧道中間段最優(yōu)化配光曲線

2 基于最優(yōu)化配光曲線LED 隧道燈自由曲面光學系統(tǒng)設計

自由曲面設計法是構建折射或者反射表面的數(shù)學模型并結合能量守恒原理，得到一系列關于光源和理想照度分布的偏微分方程，通過求解方程確定一系列光學表面，最終組合成自由曲面的三維表面結構。如圖3 所示，LED 光源S 位于坐標原點為入射光線的單位向量為折射光線的單位向量為自由曲面表面P 點的單位法向量。

根據(jù)P 點處的斯涅爾定律，入射光線、折射光線和法向量可以表述為

式中:n——透鏡的折射率。

假設光源發(fā)出的光能與入射到目標面上的光能相等，根據(jù)能量守恒定律，有

式中:I（C′，γ′）——LED 光源在（C′，γ′）的光強分布；

Ω——光源發(fā)出光線的立體角范圍；

E（P）——目標面上P處的照度分布；

D——照度分布的范圍。

利用劃分網(wǎng)格法（圖3 所示）和變量分離思路對（2）式進行簡化:

圖3 自由曲面折射示意圖

進一步得到:

自由曲面上的坐標（u，v）均為目標面照度分布E（x，y）的函數(shù)，在獲得最優(yōu)化配光曲線后，其在目標面的照度分布E（x，y）即可獲得，再根據(jù)公式（5），即可得到自由曲面透鏡的形貌，如圖4 所示。

圖4 最優(yōu)化配光曲線對應的自由曲面

單個光學模組設計完成后，多個排列組合成LED隧道燈燈具，芯片選用Cree 1 W 大功率芯片，共100顆燈珠，LED 隧道燈總光通量為10 588 lm。

3 隧道照明效果的節(jié)能比較

選取了某知名企業(yè)已投入使用的隧道燈LED-120-SS進行仿真計算比較，其總功率為120 W，總輸出光通量為12 000 lm，配光曲線如圖5 所示。燈具在隧道中安裝條件與理論計算時采用的一致，即中間單排布燈，布燈高度5.5 m，布燈間距18 m。

圖5 某LED 隧道燈配光曲線

此方法設計的LED 隧道燈與LED-120-SS 的隧道路面照明效果如圖6 所示。

從圖6 可以看出，文中設計的LED 隧道燈的路面亮度分布比LED-120-SS 更均勻，更有利于駕駛員的行車安全和行車舒適性。此外，為了達到相同的路面平均亮度，本文設計的LED 隧道燈所需的燈具總光通量為10 588 lm，而LED-120-SS 隧道燈需要12 000 lm，節(jié)能約12%。

圖6 兩種不同LED 隧道燈路面照明效果

4 小 結

LED 隧道燈具的配光設計是一個直接關系其照明質(zhì)量和節(jié)能效果的關鍵環(huán)節(jié)。在滿足駕駛員視覺需求前提下，最大程度減少無效照明，實現(xiàn)燈具的照明節(jié)能，是LED 隧道燈開發(fā)與設計的基本要求。筆者根據(jù)具體隧道區(qū)段、燈具安裝條件以及照明指標需求，優(yōu)化節(jié)能配光曲線，在此基礎上，利用變量分離原理，實現(xiàn)了最優(yōu)配光曲線時LED 隧道燈具自由曲面光學系統(tǒng)設計。相比現(xiàn)有的LED 隧道燈，能顯著改善隧道內(nèi)的光環(huán)境質(zhì)量，且燈具節(jié)能12%以上。按照這種思路進行LED 隧道燈的設計是從隧道照明的本質(zhì)出發(fā)，從駕駛員的視覺需求出發(fā)，并遵照節(jié)能環(huán)保的宗旨，因此能真正促進LED 道路照明行業(yè)的健康快速發(fā)展，并產(chǎn)生更多的社會效益和經(jīng)濟效益。

［1］中華人民共和國交通部.JTJ 026.1—1999 公路隧道通風照明設計規(guī)范［S］.1999

［2］賴偉，陳偉民，劉顯明，等，自由曲面光學系統(tǒng)設計中目標面照度分布的優(yōu)化［J］.照明工程學報，2011，22（6）

［3］International Commission on Illumination.CIE 140—2000.Road Lighting Calculations［S］.Vienna:CIE publication，2000

［4］Angel Pachamanov，Dessislava Pachamanova.Optimization of the light distribution of luminaries for tunnel and street lighting［J］.Engineering Optimization，2008，40（1）

［5］Zexin Feng，Yi Luo.Design of LED freeform optical system for road lighting with high luminance/illuminance ratio［J］.Optics Express，2010，18（21）