地下道路中的新型導光系統

劉兵

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶402247）

地下道路中的新型導光系統

劉兵

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶402247）

該文主要分析了以導光材料為基礎的新型地下道路照明系統。通過對地下道路的行車環境以及路況的分析，在基于行車安全的條件下，給出了在一定行車速度和道路長度下，所需照明儀器設備的數量。根據當下LED燈的廣泛使用和當前導光材料在照明方面的運用技術成熟的條件，分析了如何利用LED燈和光纖材料實現在地下道路中夜間照明的可行性。

地下道路井；石英光纖；LED燈；綠色環保

0　前言

在地下道路的使用過程中，如果地下道路的燈光設計不合理或者僅僅依靠道路進出口的通光半徑的設計，不能有效解決司機的視覺疲勞，而且可能導致交通事故。目前大多數的地下道路或隧道所使用的燈光系統的能量來源主要依靠電能，所消耗的電量經濟成本很大，為了節約地下道路等基礎設施能耗使用成本，利用環保經濟和被廣泛使用的太陽能作為能量來源，將會有效地解決其使用成本問題。這種由以LED燈和太陽光作為光源的光纖導光系統能夠使城市交通更低碳、經濟和環保。

1　燈光照明系統介紹

這種新型的地下道路的燈光照明系統主要由地下道路井、太陽跟蹤控制系統、聚光器、光纖以及LED燈組成，其工作流程圖見圖1。它能夠有效利用太陽光解決白天地下道路的燈光照明問題和利用以LED等所制成的地面路燈作為光源發射器，然后依靠光纖的導光系統為地下道路提供照明條件。這種系統能夠有效減少地下供電照明系統所帶來的經濟成本，又能夠為在地下道路中行駛的車輛提供優質的照明環境。

地下道路井的建立主要是為地下照明系統的光纖布置提供通道，建立在地下道路的頂部與外界相連的通風裝置。在利用石英光纖導光過程中，依據光纖材料自身的折射率，光照強度會隨著距離的增加而不斷變弱，不利于長距離的地下道路的照明。所以可以根據太陽光強度在傳導過程的衰減規律，按照一定距離的劃分設置地下道路井的數量和對其位置的選擇。地下道路井的井口處可以安裝太陽跟蹤控制器系統和聚光器等裝置完成太陽的聚集和光導纖維的接收過程。

太陽跟蹤控制系統主要依靠GPS接收器接收所屬地的經緯度和時間信息，將信息傳輸到控制芯片并計算出太陽的高度角和方位角，然后通過計算機控制平臺進行調整具體方位，從而保證聚集更大強度的太陽光，以便為地下道路提供足夠的光照強度。

聚光器的主要作用是聚集太陽光線，將平行射入的大面積太陽光通過折射或者反射作用聚成一個小面積的光斑，從而提高光的能量密度，增加單位面積上的光線數量。用聚光比來反映聚光能力，聚光比越高，聚光器的聚光性能也就越好，聚焦后所形成的光斑就會越小。

出于對材料的導光性能的比較和經濟成本以及在光傳導過程中的傳輸效率等方面的考慮，選用市場已經出現的石英多模光纖，光纖的數值孔徑為1mm，在可見光范圍內光纖的衰減為20db/km。石英光纖是一種高折射率的純石英玻璃材料，具有孔徑大、機械強度高、彎曲性能好和很容易與光耦合等優點，在其產品化和商業化之后其成本較低，使用技術比較成熟，控制精度高，靈活性強，便于數據的采集和分析。

在這種新型地下道路照明系統中，LED燈的使用主要是為了在夜間提供強度相對較強的光照，供給地下道路的夜間照明。LED燈的數量和安裝的位置由地下道路井的位置和數量決定，它一方面可以為地面車輛或行人提供照明，另一方面能夠提供足夠的光線通過聚光器收集和光纖的傳導，供給地下道路所需照明的光照強度。因為汽車在夜間行駛的過程中不會由于外界與地下道路的光照強度問題造成“白洞效應”和“黑洞效應”，而且汽車在地下道路夜間行駛的過程中也會有車身自帶的照明系統，所以只要合理選擇和使用LED燈，就可以供給地下車輛在行駛過程中所需要的亮度。

2　對相鄰地下道路井之間距離的討論

將隧道分為五段，分別為入口段、過渡段、基本段、過渡段、出口段。由于每一階段的照明光線強度要求和標準不一樣，所以在地下道路的照明系統中宜采取分段式照明，根據照明強度的標準進行光纖照明系統的布置和對太陽跟蹤系統中的聚光器的個數設置，可以減少經濟成本，也更有利于與實際情況相吻合。而對于相鄰地下道路井之間的距離也與地下照明強度標準有關。本文以地下道路的入口段和過渡段進行分析，其他路段的分析原理相同。

2.1光纖傳輸效率分析

根據光纖的傳輸效率公式：φ=10-0.0021，其中l為光纖的長度，單位為m。則可得出不同距離長度光纖的傳輸效率，如表1。

表1　光纖傳輸效率隨長度的變化

設光纖的輸入端所接收的光通量為φ0，則可得到各個光纖長度的位置經傳輸后的光度，如表2。

表2　各個長度段所接收的光通量

根據光通量Φ與光強度l之間的關系可知，光通量越大其光強度越大。而對于地下道路來說采取分段式照明系統中每段的照明標準不一樣，就可以對其光纖照明系統中的光纖耦合率和單個系統所需光纖的長度進行相應的設計，滿足每段道路的照明要求。

2.2分段式照明的標準

根據照明設計規范，用Dth表示入口段的長度，用Lth表示入口段前D所需要的亮度，則入口段的后D的亮度為ththLth，各段所需的亮度與道路外亮度之間的關系為Lth=kL20，其中L20表示道路外的亮度值，k為折減系數，取0.375。過渡段1、2、3部分的亮度標準值與入口段的亮度值之間的關系如下：

Ltr1=0.3Lth

Ltr2=0.1Lth

Ltr3=0.035Lth

由上幾式可得過渡段與道路外亮度的比值K1，見表3。

表3　過渡段與外界亮度比值K1

假設平均亮度與平均照度按照瀝青路面的關系為151x/cd· m^（-2），光通量φ、光強度E、光亮度L之間的轉化關系如下：

E=15L

E=φS

其中S表示光纖輸出端在地面的光照面積。

根據上面幾式可得地下道路中入口段和過渡段所需設計標準的光強度值E，同時可得到光纖傳輸到地下道路中的光強度值，見表4。

表4　各段所需的光強度值

為了滿足地下道路中光強度的標準，光纖輸出端的光強度值應該大于或者等于各段所需要的強度標準，根據上面的推導，在光纖長度為l的情況下可得到下面幾個不等式：

入口段1：10-0.0021Sφ0＞=5.625L

入口段2：10-0.0021Sφ0＞=2.8125L

過渡段1：10-0.0021Sφ0＞=1.6875L

過渡段2：10-0.0021Sφ0＞=0.5625L

過渡段3：10-0.0021Sφ0＞=0.1969L

若將光纖的耦合效率定為50%，根據了解目前使用的太陽能定位系統的轉化效率能夠達到這個值，由于其光纖在地面的光照面積S與一個系統中透鏡個數有關，透鏡數目越多，傳導在地面的受光面積越大，所以只要合適的透鏡數目就可以確定各段所需的光纖長度，從而確定地下道路井的位置和數目分配，其具體的工作原理圖如圖2。

圖2　白天照明系統工作原理圖

3　如何利用LED燈與光纖導管系統實現夜間照明

汽車在地下道路的夜間行駛過程中不會受到外界與內部的光線強弱的影響，而且汽車都會有自身的照明燈，所以在夜間由地下道路的燈光系統所提供的光線并不需要多大。城市的地面道路都會設計夜間的照明系統，所以在夜間可以將地下道路和路面道路的照明系統相結合，供給地下道路中的照明。這種系統能夠有效節約能源的消耗，降低城市基礎設施使用的成本。

這種照明系統主要由以LED燈制成的地面路燈作為光源，光源接收器和光導纖維組成，如圖3。而光源接收器可以利用太陽光接收系統實現，所以這種照明系統只要根據夜間地下道路照明的標準，合理的選擇LED燈的功率，在理論上就可以實現夜間照明。這種設計能夠有效減少城市交通的能源消耗和利于地下道路中照明設施的維修和檢測，實現了地下道路和地面道路的照明系統的一體化。

圖3　夜間照明系統

4　結語

由于地下照明系統的設計與機動車輛在地下道路行駛的時間和道路的設計車速有直接關系，所以這種新型的地下道路導光系統只能夠用于單向行駛的道路。從建設成本方面考慮，其道路長度應該設計在500m及其以上，才能夠體現出這種照明系統的優越性。在夜間照明系統中，通過LED燈作為光源達到了地面道路與地下道路照明系統的一體化，所以這種照明系統的使用也僅限于城市地下道路，包括城市隧道、下穿道。

無論是從建設經濟成本，還是從環保、綠色的角度出發，這種以太陽光為光源的白天照明和以LED燈為光源的夜間照明都是行之有效的措施。這種新型的地下照明系統也有效地避免了傳統的固定式照明方式，它能夠根據外界光線的強度作出相應的光強度調整，通過采用分段式照明有效地節約了建設的經濟成本。對于夜間的照明系統來說，能夠實現地下道路和地面道路的照明系統一體化，極大地減少了能源消耗，節約了公共照明的電能消耗。在當下綠色健康城市發展的前提下，這種新型的照明系統對地下道路的節能減排來說是一項重要的舉措之一。

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責任編輯：孫蘇，李紅

New Light Guiding System for Underground Road

The optical material-based new light guiding system for underground road is largely analyzed.According to the analysis on the underground driving environment and road situations，and based on the precondition of safe driving，the number of lighting equipment is given based on the conditions of a certain vehicle speed and road length.Given that the LED lights are being widely adopted and the technological application of light guiding materials in lighting is quite mature，the paper analyzes the feasibility of underground night lighting with LED lights and fiber optic materials.

underground road well；silica fiber；LED lights；green environmental protection

U453.7

A

1671-9107（2016）09-0021-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.09.021

2016-05-09

劉兵（1997-），男，重慶人，本科，研究方向為交通工程。