隧道智慧照明中LED連續(xù)色溫調(diào)節(jié)研究

徐錦顥，彭 力，高玉環(huán)

(1.重慶市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，重慶 401147；2.重慶大字 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；3.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400072)

LED研究

隧道智慧照明中LED連續(xù)色溫調(diào)節(jié)研究

徐錦顥1，彭 力2，高玉環(huán)3

(1.重慶市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，重慶 401147；2.重慶大字 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；3.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400072)

智慧照明是隧道照明的發(fā)展方向。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)隧道照明燈和隧道照明光環(huán)境智慧模式組成的智慧照明系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于公路隧道。與傳統(tǒng)隧道照明方式相比，智慧照明不是靜態(tài)地根據(jù)某種不利的環(huán)境條件進(jìn)行照明參數(shù)的確定，而是考慮洞外全天候的復(fù)雜環(huán)境要素，根據(jù)車流及當(dāng)?shù)毓鈿夂虻膶?shí)時(shí)狀況，迅速、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)地解決按需照明的要求，使高速公路隧道照明達(dá)到安全舒適、節(jié)能最大化與人性化照明的高度統(tǒng)一。而解決隧道智慧照明的關(guān)鍵是LED連續(xù)色溫調(diào)節(jié)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外色溫理論研究，選擇了最合理的LED混合白光技術(shù)，得出任意2種不同光色混合后混合光源色溫Tc的色坐標(biāo)，對(duì)LED實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)色溫提出了方法建議。該研究成果充分考慮光源色溫對(duì)視覺(jué)適應(yīng)的影響，使隧道照明隨環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)光，實(shí)現(xiàn)按需照明，達(dá)到隧道運(yùn)營(yíng)安全、駕駛舒適和節(jié)能降耗的目的，具有巨大的社會(huì)及商業(yè)價(jià)值。

智慧照明；色溫理論；混光LED；無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)

近年來(lái)，LED在智慧照明領(lǐng)域有著革命性的發(fā)展，正在取代熒光燈和鈉燈等一系列傳統(tǒng)光源。目前，LED照明只能實(shí)現(xiàn)單一色溫。由于生活水平的不斷提高，人們希望在同一空間里L(fēng)ED的光色隨人的需求而改變，可以動(dòng)態(tài)、不間斷地實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光，達(dá)到LED照明的智慧化。目前，LED調(diào)節(jié)色溫的辦法有2種：1)不同色溫的LED，通過(guò)混合來(lái)生成白光，同時(shí)可以改變單色LED的強(qiáng)弱，來(lái)調(diào)節(jié)混合白光的色溫，這種方式被稱為RGB技術(shù)。但是，這種技術(shù)調(diào)配出來(lái)的混光顯色系數(shù)太低，不適于室內(nèi)照明的可調(diào)光源；2)采用多芯片集成混光LED，通過(guò)芯片組合和電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)。該種方法的缺點(diǎn)是光通量密度低，光源質(zhì)量不好。

智慧照明要求的是光源能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)光，不僅僅是亮度上的無(wú)級(jí)調(diào)光，也有光色上的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。為了達(dá)到這一要求，筆者通過(guò)對(duì)LED色溫原理和混色理論的探討，介紹達(dá)到色溫?zé)o級(jí)調(diào)控的理論基礎(chǔ)，為加入智能控制系統(tǒng)后光環(huán)境實(shí)現(xiàn)智慧照明提供參考。

1 色溫理論

LED光源的色溫由其光譜分布確定，在已有研究中，高斯模型是最常用的光譜模型，其表達(dá)式為

S(λ)=exp[-4In(2)(λ-λ0)2/(Δλ0)2]

(1)

式中：S(λ)是相對(duì)光譜功率分布，λ0為峰值波長(zhǎng)，Δλ0為半高寬，單位為nm。在實(shí)際情況中，高斯模型與LED光譜差異非常大。為更好描述LED光譜，已有研究對(duì)高斯模型多有改進(jìn)，Yoshi等提出了一種改進(jìn)型的數(shù)學(xué)模型，即Y-model模型，其表達(dá)式為

S(λ)=[g(λ,λ0,Δλ0)+2·g5(λ,λ0,Δλ0)]/3

(2)

式中：g(λ,λ0,Δλ0)=exp[-(λ-λ0)2/(Δλ0)2]，λ0為峰值波長(zhǎng)，Δλ0為半高寬，單位為nm。

在此基礎(chǔ)上，沈海平等在第26屆CIE年會(huì)上提出了一種改進(jìn)型的高斯模型作為L(zhǎng)ED光譜分布的數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式為

(3)

式中：S(λ)是相對(duì)光譜功率分布，λ0為峰值波長(zhǎng)，Δλ0為半高寬，單位為nm。

式(3)是現(xiàn)今研究色溫理論中，最接近LED光譜功率分布的，但仍與LED的實(shí)際光譜存在一定差異。何國(guó)興等提出了新的LED光譜模型，其相對(duì)光譜的分布公式為

S(λ,λ0,Δλ)=exp[-k1(λ-λ0)2/(Δλ)2] cosh[k2(λ-λ0)2/(Δλ)2]

本文充分考慮鄉(xiāng)村植被與城市、自然生境的差異,從植被群落的穩(wěn)定性、典型性、稀有性和鄉(xiāng)土文化性等4個(gè)方面提出針對(duì)鄉(xiāng)村植被保護(hù)的評(píng)價(jià)體系,為鄉(xiāng)村植被保護(hù)和修復(fù)提供了方向。

(4)

2 LED混色調(diào)節(jié)色溫原理

(5)

d1、d2按照式(6)計(jì)算

(6)

式中：m為等溫線斜率。

根據(jù)式(5)、(6)，可以得出，單一的色坐標(biāo)對(duì)應(yīng)唯一的光源色溫Tc，如果要將LED進(jìn)行混色調(diào)節(jié)，從而改變色溫，可以將式(4)設(shè)定為函數(shù)，將分別擬合出的2種光源的相對(duì)光譜功率分布S(λ1)、S(λ2)轉(zhuǎn)化為絕對(duì)光譜功率進(jìn)行疊加，然后將疊加后的光譜數(shù)值歸一化后得到函數(shù)P(λ)，得到混光后的色坐標(biāo)

(7)

將式(7)代入式(5)，即可求出2種不同光色混合后混合光源色溫Tc。

3 隧道LED色溫實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的方法

采用智能控制方式和無(wú)級(jí)調(diào)光控制法是實(shí)現(xiàn)隧道智慧照明的重要途徑。目前，對(duì)公路隧道智慧照明的研究主要集中于智能控制系統(tǒng)運(yùn)行方面，但是對(duì)于控制的內(nèi)容，即針對(duì)外部不同環(huán)境變化對(duì)應(yīng)的多種智慧子模式及其相應(yīng)的光環(huán)境參數(shù)的研究還有待深入。LED色溫實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)就是一個(gè)重要的方面。

結(jié)合前文關(guān)于LED色溫?zé)o級(jí)調(diào)節(jié)的理論背景，為實(shí)現(xiàn)隧道LED色溫?zé)o級(jí)調(diào)節(jié)，筆者根據(jù)自己的研究進(jìn)行梳理，綜合出如下2點(diǎn)。

1)在隧道照明中采用 “藍(lán)光芯片+紅光芯片”模式，采用2種回路，在其表面封裝熒光粉，分別進(jìn)行色溫調(diào)節(jié)研究。紅光電流恒定不變的情況下，更改藍(lán)光電流；藍(lán)光電流恒定不變情況下，更改紅光電流。加上控制回路，隨時(shí)改變混光色坐標(biāo)。

2)隧道智慧照明中應(yīng)該增加以感測(cè)技術(shù)為主的傳感設(shè)備，并深入研究適合于不同環(huán)境狀況的智慧照明色溫子模式及其光環(huán)境參數(shù)，建構(gòu)集信息感知、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)處理為一體的智慧照明系統(tǒng)，使其具有更強(qiáng)大的洞察力和決策力，并通過(guò)隧道照明智能控制平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

1)LED無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)色溫需要多個(gè)單色溫的LED燈源組合實(shí)現(xiàn)。

2)LED無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)色溫可以由2種及2種以上色溫相差較大的原光源混合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

[1] 彭力，翁季，杜峰，等.隧道智慧照明發(fā)展新方向研究[J].燈與照明,2016，40(3)：63-66.

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[5] 邸元國(guó)，鄭利紅，白光LED照明色溫調(diào)節(jié)方法的研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2015，26(2)：60-62.

StudyonLEDContinuousColorTemperatureAdjustmentSmartLightingintheTunnel

XUJinhao1,PENGLi2,GAOYuhuan3

(1.Chongqing City Planning and Design Institute,Chongqing 401147，P.R.China;2.Faculty of Architecture and Urban Planning, Key Laboratory of Mountain Town Construction and New Technology of Ministry of Education,Chongqing University Chongqing 400045，P.R.China; 3.Construction Engineering Career Academy,Chongqing 400072，P.R.China)

Intelligent lighting is the developing direction of tunnel lighting. The Internet of tunnel lighting and tunnel lighting environment model of wisdom will be widely used in highway tunnel lighting system. Compared with the traditional way of tunnel lighting, intelligent lighting not only according to some adverse environmental conditions for the determination of lighting parameters, but also consider the complex environment factors of weather. According to the traffic light and local climate condition, it can solve the on-demand lighting requirements quickly, accurately and dynamically, to make the highway tunnel lighting to maximize safe and comfortable, energy-saving and high degree of unity humanized lighting. The key to solve tunnel intelligent lighting is to solve the LED color temperature adjustment problems. This paper summarized the theory of color temperature, and it choose the most reasonable LED to calculate the color temperature. This paper concluded two different light colors blend to mix light source of color coordinates, and suggested light color temperature of LED to adjust tunnel intelligent lighting. The research fully considered the impact of light color temperature on the visual adaptation, enabling tunnel dynamic light adjusting with the environmental changes, to achieve on-demand illumination, safe function of the tunnel, driving comfort and energy saving purposes. It has a huge social and commercial value.

smart lighting;color temperature;light mixing LED;stepless adjustment theory

2017-01-20

重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB16011)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51278507)

徐錦顥(1985-)，男，碩士，重慶市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工程師。