道路照明的国际现状和发展趋势

　　复旦大学电光源研究所 林燕丹 姚其 孙耀杰

　　1 前言

　　道路照明的目的是使驾驶员很好地识别前方路面的情况，保证夜间行车安全，以及舒适驾驶。而同时道路照明的成本以及能耗是十分巨大的，如何在保证道路照明质量以及安全的情况下，能够更加的节能，是人们关注的主要问题。

　　目前，人们主要研究的方向有智能道路照明的研究，通过智能控制，满足不同条件下的照明需求，不仅能保证更好的照明需求，同时对于节能具有良好的效果;道路照明的可视度设计，以人的视觉需求出发，研究满足安全、舒适的照明环境设计;城市道路照明白光化，以新型的金卤灯以及LED等白光光源为代表的研究，对于其用于城市道路照明的安全、舒适进行研究，同时以中间视觉发展为理论基础之一;恶劣天气下道路照明光谱的研究，如雨雪天气下道路照明要求，以及雾天气下，照明光源的透雾性研究等。

　　本文针对国际上道路照明发展的几个方面进行了探讨，对于中国道路照明的发展具有—定的借鉴意义。

　　2 道路照明的设计要求

　　道路照明必须考虑驾驶员的视觉要求，以便驾驶员能迅速、准确地获得有关的道路交通信息，使之在夜间驾驶汽车时也能有良好的安全感和舒适感。同时良好的照明应该能够提高区域的可视度，同时，能为城市带来经济及社会效益。安全舒适的道路照明主要有以下几个方面要求[1]

　　(1)降低夜间事故;

　　(2)便利及扩大交通流量;

　　(3)增强夜间商业及工业发展;

　　(4)增强社会文化气息。

　　基于道路照明的功能要求，主要从照明的灯具选择、路面照度、眩光、均匀度、光污染以及阴影等方面虑。根据国际照明标准，道路照明的要求如表1所示，不同道路照明等级，其亮度、均匀度等要求不也各不相同。中国城市道路按快速路、主干路、次干路、支路区分，其道路照明标准如表2所示。从表1、表2可以看出，我国的道路照明标准与国际标准除了在道路分类等级方面略有不同外，其它的要求基本一致。值得注意的是，与旧的道路照明标准相比，新道路照明标准提出了环境比(SR)的概念，这对道路灯具的配光提出了更高的要求。

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　　3 道路照明的发展和趋势

　　3.1 智能道路照明

　　一般来说，道路照明都是基于相应的国际照明标准和国家标准来设计的，通常对于某一类型的道路有一个静态的照明要求，如2.0cd/m2，1.5cd/m2，l.0cd/m2，0.5cd/m2.而对于实际情况，道路照明的要求应该是—个动态的，并且过程不稳定，由众多因素所决定，如环境亮度、天气条件以及亮灯时段等。由此，人们提出了智能道路照明[3-4]的概念，即在保证道路照明的安全性和质量的同时，能够尽可能地节省电力。

　　在挪威位于Asker-Oslo之间的一段高速公路进行了智能照明控制，节能可达30% .图1为智能照明道路能源价格和年花费成本比较。从图1可以看出，随着能源价格的增高，智能照明系统对于道路照明节能以及成本的降低，意义非常重大。

　　挪威智能道路照明原理如图2所示，在2003～2004年间，采用高压钠灯替换原有的高压汞灯，其节能达到70%.其原有灯具使用电量，替换灯具后使用电量以及进行调光后用电量如图3所示。主要节能包括两个方面，在冬季下雪天气时的调光，以及夏天深：夜车流量减少情况下的调光。

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　　2005年秋季，赫尔辛基在4km道路上和4个交汇区安装了492盏路灯。系统控制信息包括交通、天气、亮度信息和道路照明信息等。同时将用户在不同条件下视功效研究结果以及中间视觉照明应用于其中。经测试，道路照明各相关光源功率、交通流量和亮度水平关于时间的函数关系如图4所示。随着交通流量的降低，时间段不同，相应亮度也有改变。2006年1～2月间环路照明系统平均功率变化如图5所示。从图5可以看出，有些天数的能量消耗差异较大，最小的40%，最大的80%.这也表明，智能照明系统一方面可以减少能源的耗费，另一方面在实际有需求时，可以提供更好的照明效果，以达到交通安全的目的。

　　由此可以看出，智能道路照明控制系统一方面对实际的天气情况以及交通流量作了充分的考虑，另外一方面，一些国际新发展的理论以及视觉功效结果，可以实际地通过智能系统控制，实现良好的照明效果和节能效果。

　　3.2 道路照明的可视度设计准则及发展

　　驾驶员视觉状态与道路照明安全、舒适息息相关。照明环境应能够保证使用者足够清晰地辨清路面上的物体。具体评价道路照明设计是通过道路可视度定义的，这个概念最早由Adrian提出。一个物体能否被道路使用者看清楚，决定于道路照明对比度。而可视度水平考虑了物体所处背景的亮度、观察者年龄、物体视角大小、光幕亮度及观察时间等因素。在此基础上，发展了小物体的可视度设计准则[1]。

　　小物体的可视度通过定义路面上小目标物的可视阈值来衡量道路照明好坏，当小物体可以辨识时，相对大一些的物体就会有更好的辨识效果。物体的可视度越高，对于道路照明驾驶者就越安全，因此在很长一段时间内成为道路照明设计的重要准则。根据法国Anais Mayeur的最近一项研究表明[5]，由于小物体可视度模型是建立在实验室对位于视场中央物体探测实验的简化模拟结果，当物体所处环境更加复杂时，或观测者具有更多的视觉任务时，受测者对周边物体的探测受到更多因素的影响，在实际应用中需要根据道路的实际情况对可视度模型进行修正。这一结果也表明国际上越来越重视道路照明中视觉工效的研究，并用于实际指导道路照明的设计和评估。

　　3.3 城市道路照明白光化和中间视觉

　　20世纪50年代，美国人发明了高压钠灯。由于其光效高、成本低，很快大面积应用于道路照明。目前，世界上85%以上的道路照明光源都采用高压钠灯。近年来，一些新的金卤灯光源被开发出来，色温相对偏高，为暖白色，显色性也更加好。由此引发了黄光与白光的研究，对于道路照明用灯也引起了很大的争议。随着LED科技的发展，高色温的白光光源再次受到人们的重视，城市道路照明白光化的研究也进一步提上了议程。关于城市道路照明白光化的焦点问题主要集中在几个方面：首先中间视觉状态下白光是否具有更高的效率;二是使用白光是否更有利于视觉目标的辨别和提高视觉舒适度;三是白光的使用是否降低了雾天的可见度。前两个问题的探讨，国际照明学会前主席Wout van Bommel专门撰文解答[6]过。

　　从目前的研究结果看，中间视觉对于光源光谱在道路照明中使用的分析具有特定的条件：在较低适应亮度水平下(常不高于0.3cd/m2)的视线外视觉区域[6]。利用MOVE模型比较高压钠灯(S/P值为0.65)与暖白光LED光源(S/P值为1.35)及蓝光丰富的白光ED光源(S/P值为2.15)，可以发现在适应亮度为0.3cd/m2时暖白光LED光源的照明水平的有效性比高压钠灯高19%(=10%+9%)，蓝光丰富的白光LED光源则比高压钠灯高38%(=10%+28%)。但应注意，这些百分比差别仅适用于线外视觉。而在更高的亮度水平下，即使仍然处于中间视觉状态，在光效有效性方面，白光的优势很小。

　　另一个应该值得考虑的问题是光源的显色指数。在中间视觉的情况下能产生彩色视觉的锥状细胞还能部分地被激活，因而可以认为在道路照明中色彩分辨能力对视觉功能还有贡献。事实上近来的研究表明：采用显色指数大于50的白光比用显色指数只有25的高压钠灯更容易识别人的面孔。要获得同样的辨认机会，所需白光的照明水平仅约为黄光的一半。这里要特别强调的是：起决定性因素的是显色指数，而不是色温。蓝光丰富的白光和暖白光都有这样的优。英国的标准BS5489规定当采用显色指数大于60的光源时，道路照明的平均照度可以降低[6]

　　关于城市道路照明白光化的问题，应该根据道路特点、光源和灯具特点全面地进行分析，而不是片面地、偷换概念地直接得出某种光色光源更为“节能”、“高效”的结论。[NT:PAGE]

　　3.4 恶劣天气下道路照明研究

　　可见光在下雪、下雨和有雾时的透过能力会下降，因此，这样的恶劣天气对交通安全造成了很大威胁。可见光在雪花、雨滴和雾滴中传播时，由于散射和吸收等作用，使其可见性受到很大影响。一些研究机构曾做过相关研究，并给出了一些可见光在这些严峻天气条件下传播的特性和结论。但关于道路照明光源的透雾性研究方面，国际上可参考的文献极少。

　　作为对可见光在恶劣天气条件下传播特性的初步研究。我们对于LED光谱透雾性进行了研究，采用四种单色LED光谱，依次为：红色LED(λp=625nm，FWHM = 50nm )、黄色LED (λp = 594nm , FWHM= 13nm)、绿色LED(λp=514nm，FWHM =45nm)、蓝色LED(λp=459nm，FWHM=22nm)见图6。实验所用装置如图6所示。

　　注：1为光源，四只单色LED均为IW;2为雾气箱，长30cm，宽37cm，高32cm，内表面涂黑;3为加湿器，通过22个档住产生不同浓度的雾;4为连通管，将加湿器产生的雾通入雾气箱;5为探头，正对着光源;6为照度计，用来采集照度值

　　实验采用加湿器产生雾，测量四种单色LED在不同雾浓度下的照度衰减。雾的浓度由一个白色LED在相应浓度下的照度衰减值来描述。通过照度衰减曲线得到了具有最佳透雾能力的单色可见光。本实验测量了四种单色LED在不同雾浓度下的穿透情况，得出了随着雾浓度的上升，单色LED的透雾性能也下降，但下降程度不尽相同。四种单色光在任意浓度下，黄光的透雾性能最好，其次是红光，之后是绿光和蓝光见图7。

　　实验从量化的角度分析了单色可见光对雾的穿透特性。尽管通过加湿器造出的雾，在成分和雾滴大小以及空间分布上与自然中的雾不相同，但仍能在一定程度上反映出单色光在大量水汽凝结环境中的透过情况，如下雨或湿度很大的环境，实验结论对道路照明设备的选择具有一定的指导意义。但实验仅是对可见光在恶劣天气条件下透过情况的初步研究。[NT:PAGE]

　　3.5 LED道路照明的前景

　　美国能源部在《固态照明产品在小众市场应用的节能评估-2008.10》中提到，如果美国的道路和区域照明全部改用为LED照明，每年可以节省44.7TWh的电能，相当于7个1000MW的电站，或者相当于每年370万户家庭用电。2007年2月在美国北卡罗来纳州等地相继进行了LED路灯替换传统路灯的试用测试。相关的LED制造商也开始实施LED城市计划以加速LED技术发展及其应用。此外，美国能源部实施了Gateway示范项目来追踪LED产品的应用。表3为2007年LED的节能性能，是基于相同的流明数来比较传统光源和LED的瓦特数。

　　在CIE2009年布达佩斯的中期会议上，意大利的Iacomussi和Rossi认为[7]，LED用于道路照明具有相当大的潜力，表现在几个方面：LED的白光具有更高的显色性，有利于在中间视觉下对周边障碍物的探测;白光具有更好的视觉舒适度;光线更为可控，可提高利用效率;其长寿命有利于降低维护费用;随着技术的不断革新，LED的光效正在以惊人的速度持续增长;由于可轻松实现0~100%的调光，满足实际交通的需要而进行的调节使其具有更大的节能空间。

　　当然，也有对此并不赞同的。例如土耳其的Sermin Onaygil[8] LED道路照明应用情况作了分析计算，结果表明LED照明在照度、亮度、均匀度、环境比等参数上能够达到相应的照明标准。但是相比于高压钠灯，LED耗能要高约40%，因此，她认为目前LED道路照明技术还不能与像高压钠灯一样。

　　关于LED在道路照明上的应用，虽然有各种不同的声音，但已有很多迹象表明，人们多数对于LED的应用前景均表现出较为乐观态度。随着LED技术的发展，相信LED在道路照明会给人们带来更多的惊喜。

　　4 结束语

　　本文探讨了目前国内外道路照明的发展情况以及发展趋势。对于智能道路照明发展、城市道路照明白光化研究、恶劣天气情况下道路照明光谱选用以及传统光源和LED光源应用于道路照明进行了分析、比较，综合考虑了与道路照明设计相关的因素。智能道路照明对于城市道路照明安全、节能具有重要的意义，代表了道路照明的一个发展方向;而白光化研究关注于道路照明质量提升以及舒适性，对于道路照明光源选择具有重要指导意义。传统光源在道路照明中的应用仍占主导地位，而LED近年内发展迅速，在光效、灯具设计、系统设计方面都有极快地提升，已经有示范性道路建设，未来必将会带来新的冲击。

　　参考文献

　　1 Rea M S. THE IESNA LIGHTING HANDBOOK REFERENCE 8c APPLICATION[M]. USA:.

　　2 《城市道路照明设计标准》( CJJ 45-2006)

　　3 Aleksandr Ekrias. 2007. “Intelligent Road Lighting And Effects of Weather Conditions on Road Luminances.,‘’Pp. Pages in Proceedings of the 26th Session of the CIE. Beijing.

　　4 2007.”Intelligent Road and Street Lighting in Europe.” Pp. Pages: 1-20.Sofia: Black Sea Regional Energy Centre.

　　5 Ana? “ s Mayeur etc. Effects of the viewing context on target detection. Implications for road lighting designApplied Ergonomics xxx (2009)1-8

　　5 Van Bommel W.光源的光谱与低照明水平.中间视觉的基础[j].《照明工程学报》2009

　　6 P. Iacomussi, Giuseppe Rossi and P. Soardo. 2009.ENVIRONMENTAL COMPATIBILITY OF LED LUMINAIRES IN ROAD LIGHTINGPp. Pages in CIE, Light and Lighting Conference with Special Emphasis on LEDs and Solid State Lighting.Budapest, Hungary.

　　7 Sermin Onaygil. 2009. “LED TECHNOLOGIES IN ROAD LIGHTING.” Pp. Pages in CIE, Light and Lighting Conference with Special Emphasis on LEDs and Solid State Lighting. Budapest, Hungary.

　　相关链接：

　　林燕丹，副教授，复旦大学光源与照明工程系物理电子学专业和德国达姆斯塔特技术大学照明研究所联合培养的博士，任国际照明委员会第四分部(交通照明与信号)中国代表;中国照明学会教育培训工作委员会副主任委员等多职。主要从事照明人体功效学、新光源在室内外照明的应用研究和评估及照明视觉基础等方向的教学和科研工作，在国内外重要期刊杂志上发表论文五十余篇。目前主持承担国家自然科学基金、上海教委近视眼专项研究和中国商用飞机照明系统等多项重大课题项目。