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          智能場景——開啟道路照明新時代

          自1417年英國倫敦市長亨利巴頓率先命令倫敦市道路懸掛燈具至今,路燈照明已經有600年左右的歷史,光源也從早的油燈先后發展到汞燈、高壓鈉燈、無極燈以及目前的LED,這其中每一種光源的出現和普及都是科技進步的象征。進入21世紀,隨著傳感技術、通訊技術及相關電子技術的成熟,LED智慧路燈逐漸由概念走向成熟,路燈通過智能控制實現了節能,同時作為構建智慧城市的重要物理載體,路燈桿也發揮了得天獨厚的優勢,但是即便如此,道路照明本身并沒有本質的變化。

          道路照明的目的是為車輛和行人提供安全的交通環境,由路燈和路面兩個要素共同構成,路燈光色和路面的參數的配合程度決定了道路照明的效果,不同材料以及相同材料在不同干濕度條件下具有不同的復合反射系數,這個復合反射包含了漫反射和鏡面反射。DIAlux針對不同的路面材料以及路面的潮濕情況給出了不同的設計基數,便于人們針對不同的路面材料選用與之對應配光曲線的路燈,使之達到符合標準要求的照明效果。在《CJJ 45-2015?城市道路照明設計標準》中提到“干燥狀態下的照明指標在潮濕狀態下就達不到,比如亮度總均勻度,干燥狀態下為0.4的路面在潮濕狀態下要達到0.2都很困難”,顯而易見的是均勻度越低越容易引起交通安全隱患。國際照明委員會在CIE115中也是類似描述,并且建議潮濕街道的照明遵照CIE 47-1979《Road Lighting for Wet Conditions》進行設計。因此不同反射系數的路面需要不同參數的路燈與之適應,才能達到照明標準。

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          圖1、CIE針對路面潮濕情況作了單獨要求

            一、目前道路照明存在的問題和不足

          1、照明公司能力良莠不齊。很多照明公司并不具備扎實的道路照明設計能力,對道路照明的理解還局限于路燈的造型設計、功能集成、排列方式、工程施工等方面,對于道路照明標準的光學要求沒有足夠的設計能力,或者沒有更豐富的產品應對;

          2、路面材料技術和施工工藝發展日新月異。材料科學家們針對路面材料的老化、滲水性、摩擦系數等性能在不斷努力,每一次的突破都代表材料的反射系數極有可能隨之變化,而無論是DIAlux這樣的企業還是CIE這樣的國際組織,都很難及時將所有路面材料進行準確的反射系數測試,此外施工工藝的不同也有可能會造成反射系數的改變,沒有及時準確的路面數據就無法為之設計更合適的照明;

          3、路面材料老化、磨損和翻新導致反射系數發生變化。這點DIAlux給出了充分的考慮,并給出了R1~R4的分類,然而實際上路面的老化和磨損是一個線性的過程,對于路面材料變化的這一過程,目前的路燈無法做到適時調節參數與之適應,所以目前的路燈技術只能滿足某一時間段擁有好的照明效果;

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          圖2、路面材料老化、磨損或翻新

          4、下雨天氣導致路面反射系數發生變化。這點CIE、PHILIPS均給出了一致的意見:潮濕街道的照明應該按照CIE 47-1979《Road Lighting for Wet Conditions》進行設計,DIAlux也用W1~W4對潮濕路面做了分類。然而大部分地區都不會一直下雨或一直不下雨,無論是按照干燥路面進行照明設計還是潮濕路面進行設計,在天氣交替的時候路面的照明效果就會變得糟糕。

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          圖3、路面潮濕使得道路照明變得很糟糕

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          圖4、常規照明下某道路同一位置干燥狀態和潮濕狀態時候的照明亮度對比

          潮濕狀態下路面平均亮度更亮,但是與干燥狀態相比,亮的地方更亮,暗的地方更暗,均勻度極差,并且在平視范圍出現很強的有害眩光。

            二、創新設計

            針對長久以來道路照明面臨的問題,我們提出了路燈照明參數動態調節的方案,對未來照明設計、照明應用將帶來新的改變。具體而言我們設計了路燈的光學組合方案,一盞路燈可以包含兩種以上角度不同的模塊,在路面反射系數的改變時調節不同角度模塊的發光強弱,從而獲得混光后燈具配光曲線的改變。

            該方案的實現得益于各項技術的發展達到一定程度,首先,LED出現之前其他光源出現要實現這一目標則一盞路燈上至少要準備兩個燈泡配備不同的光學反射器,從結構上難以實現,此外其他光源在無極調光方面也存在較大的技術困難,而LED光源體積和光學透鏡都很小,一盞路燈上可以包含上百個獨立光源,可以輕而易舉實現兩組不同配光曲線的模塊;其次LED成本的降低,也催化了該方案的實現意義,該創新方案為了配光曲線的混合調節通常需要多安裝30%左右的LED,早期LED光效低價格高,成本結構中LED占據較大部分,而目前LED占據路燈成本結構已經很少,多30%的LED對總體成本也沒有大的影響;再者,隨著NB-IoT\Lora\zigbee\PLC技術的逐漸完善,以及控制技術的成熟,都為這一創新方案的成熟奠定了基礎。

            目前可行的調節方案包括:

          1、成熟的公共照明智能管理系統,通過NB-IoT\Zigbee\PLC等通信方案,人工遠程調節,或者設置有數據接口從氣象部門獲得當地的天氣,根據天氣情況調節配光曲線;

          2、設置路面濕度監測儀,對路面情況進行適時監測,為整條道路照明提供調節依據;

          3、單燈集成雨水傳感器,在下雨天氣每盞燈都可以獨立調節自身的照明參數;

          4、由攝像頭感知路面亮度分布,并對亮度進行分析計算反饋至路燈,直至得出優化的亮度分布。

          以上設計方案在成本、成熟度方面各有不同,實際應用過程中也會達到不同的效果。目前基于以上方案提出的設計技術已經獲得了國家專利。

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          圖5、技術方案簡圖

            三、未來道路照明展望

            采用創新的路燈設計概念,未來除了道路照明將變得更好更安全,項目實施方式也將有所改變。

            道路照明設計方面:路燈角度可以調節,工程完工后根據路面情況,自動或人工修正至佳的照明效果。因此,設計師無需擔心路面材料參數和理論數據不一致,從而導致照明設計效果和實際效果的差異,照明公司無需擔心照明效果差而遭到甲方苛責;

          道路交通安全方面:在路面材料發生了老化、磨損,或因為天氣變化導致路面環境發生變化,路燈參數適應性改變,始終為人們提供更合適更安全的照明。我國機動車數量增加迅速,城市交通日趨復雜對交通安全要求更高,而我國平均年下雨天數普遍在110~150天,下雨天數多的遵義年下雨天數甚至達到240天,一年有1/3天數的夜晚因路面潮濕造成照明效果差引發安全隱患,是否值得我們重視并改善呢?交通部門統計,雨天交通事故率達到平時的5倍。照明企業有責任從照明角度為交通安全做力所能及改善。

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          圖6、始終保持佳的照明效果

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          圖7、路燈照明參數隨環境發生變化

            四、合作

            根據中國市政工程協會城市照明專業委員會統計,中國在2015年時路燈保有量為3000萬盞,近千億的市場規模,未來如果所有路燈都能夠實現參數可調,將具有非常大的社會意義和經濟意義,但是從技術實現到落地還任重道遠,特別是在控制、軟件、算法等方面還有大量的工作要做,以一己之力難以實現,市場是共有的、價值是社會的,我們將以開放共享的姿態與志同道合的同行攜手推進,也歡迎大家探討交流。

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