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Patent Searching and Data


Title:
MULTI-DIMENSIONAL STREET LIGHTING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/040540
Kind Code:
A1
Abstract:
A multi-dimensional street lighting system, comprising a multi-dimensional lighting mode and dedicated lamps matched therewith, and being applied to freeway, municipal street and tunnel lighting; the lighting system comprises at least a one-dimensional reverse lighting subsystem, a one-dimensional forward lighting subsystem, and a one-dimensional lateral lighting subsystem; the lighting subsystems are formed by physical light sources; the light projection direction of the light source (3) of the reverse lighting subsystem is opposite to the driving direction of a vehicle; the light projection direction of the light source (6) of the forward lighting subsystem is the same as the driving direction of the vehicle; and the light projection direction of the light source (8) of the lateral lighting subsystem is perpendicular to the driving direction of the vehicle. The multi-dimensional street lighting system can simultaneously or selectively provide multi-dimensional space lighting, and can overcome a series of defects of the current street lighting system, thus significantly improving lighting efficiency and greatly reducing energy consumption; the multi-dimensional street lighting system also has a good photometric property for street lighting and extraordinarily high cost-effectiveness, and can be used to build a new street lighting system and reconstruct an existing street lighting system.

Inventors:
ZHAO HAITIAN (CN)
Application Number:
PCT/CN2013/083351
Publication Date:
March 20, 2014
Filing Date:
September 11, 2013
Export Citation:
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Assignee:
UNIV SHENZHEN (CN)
International Classes:
F21S8/00; F21V19/00; F21V23/00; F21W131/103; F21Y101/02
Foreign References:
CN102889513A2013-01-23
CN102840519A2012-12-26
CN102865509A2013-01-09
CN102889514A2013-01-23
CN102889515A2013-01-23
CN102798065A2012-11-28
CN203099501U2013-07-31
CN203147458U2013-08-21
CN203115664U2013-08-07
CN201606756U2010-10-13
CN101021300A2007-08-22
CN201496840U2010-06-02
CN101769501A2010-07-07
US20110074313A12011-03-31
CN201110175282A2011-06-27
CN200720095548U2007-03-20
Other References:
See also references of EP 2896875A4
Attorney, Agent or Firm:
HENSEN INTELLECTUAL PROPERTY OFFICE (CN)
深圳市恒申知识产权事务所(普通合伙) (CN)
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Claims:
权 利 要 求 书

1、 一种多维道路照明系统,包括多维照明方式及与所述照明方式配套的专用灯具,应 用于高速公路、 市政道路及隧道照明; 其特征在于, 所述多维道路照明系统具有多个维数照 明子系统, 包括至少一维逆向照明子系统、 一维同向照明子系统和一维横向照明子系统; 所 述照明子系统由实体光源构成,所述逆向照明子系统的光源投光方向与所在车道的车行方向 相反, 所述同向照明子系统的光源投光方向与所在车道的车行方向相同, 所述横向照明子系 统的光源投光方向与所在车道的车行方向垂直。

2、 如权利要求 1所述的多维道路照明系统,其特征在于, 当所述照明系统应用于高速 公路及市政道路照明时, 所述逆向照明子系统为低灯位逆向照明子系统, 所述低灯位逆向照 明子系统的灯高低于驾驶员眼睛高度, 照射范围水平方向为 90°至 180°、 180°至 270°, 垂直 方向为 180°至 220°, 照射空间为光源位置下方, 无仰角散射。

3、 如权利要求 1所述的多维道路照明系统,其特征在于, 当所述照明系统应用于隧道 照明时, 所述逆向照明子系统包括低灯位逆向照明子系统与高灯位逆向照明子系统, 所述低 灯位逆向照明子系统的灯高低于驾驶员眼睛高度, 照射范围水平方向为 90°至 180°、 180°至 270°, 垂直方向为 180°至 220°, 照射空间为光源位置下方, 无仰角散射; 所述高灯位逆向照 明子系统的灯高高于驾驶员眼睛高度, 照射范围的水平方向为 90°至 270°, 垂直方向为 140° 至 180°, 照射空间为灯高位置上方, 无俯角散射。

4、 如权利要求 1所述的多维道路照明系统,其特征在于,所述同向照明子系统的照射 范围水平方向为 0°至 90°、 270°至 360°, 垂直方向为 350°至 40°, 照射空间主要为灯高位置 上方。

5、 如权利要求 1所述的多维道路照明系统,其特征在于,所述横向照明子系统的照射 范围水平方向为 0° 至 180° 、 180° 至 360° , 垂直方向为 90° 至 270° 、 270° 至 90° , 照射空间为灯高位置上、 下方及路面。

6、 如权利要求 1所述的多维道路照明系统,其特征在于, 当所述照明系统应用于高速 公路及市政道路时, 所述照明系统还包括一维竖向照明子系统, 所述竖向照明子系统的光源 投光方向与路面垂直, 照射范围为 87°至 93°, 照射空间为道路上方。

7、 如权利要求 6所述的多维道路照明系统,其特征在于,所述多维照明子系统设置若 干组,每一组的照明子系统为单独设置或集成一体;其运行模式包括正常模式及非正常模式; 正常模式下, 分为一般模式与节能模式; 非正常模式下, 分为应急模式与指示模式。

8、 如权利要求 7所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 所述正常模式下, 当应用于 隧道照明时, 所述一般模式为所述逆向照明子系统、 同向照明子系统和横向照明子系统在正 常开灯时间内全功率运行; 当应用于高速公路及市政道路照明时, 所述一般模式为所述逆向 照明子系统、 同向照明子系统在正常开灯时间内全功率运行; 所述节能模式为在所述一般模 式的基础上调光; 所述非正常模式下, 当应用于高速公路及市政道路照明时, 所述应急模式 为所述横向照明子系统在雾霾天气或应急情况下开启,所述指示模式为竖向照明子系统在需 要指示照明时开启。

9、 一种如权利要求 1至 8任意一项所述的多维道路照明系统,其特征在于,所述灯具 包括灯体、 设备仓与管线, 所述灯体包括光源及固定装置, 所述设备仓包括供电电路、 驱动 电路或光伏发电系统、 控制电路及固定装置; 所述管线包括导线与保护管; 所述灯具专用于 在高速公路、 市政道路及隧道照明中所述的多维道路照明系统, 所述光源至少包括逆向照明 光源、 同向照明光源和横向照明光源, 所述逆向照明光源的投光方向与所在车道的车行方向 相反, 所述同向照明光源的投光方向与所在车道的车行方向相同, 所述横向照明光源的投光 方向与所在车道的车行方向垂直。

10、 如权利要求 9所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 所述逆向照明光源的功率 不大于 8W, 色温不高于 4000K, 非对称配光; 所述同向照明光源的功率不大于 8W, 色温 高于 4000K, 非对称配光, 显色指数大于 70; 所述横向照明子系统的功率不大于 10W, 色 温低于 5000K。

11、 如权利要求 9所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 当所述灯具应用于高速公 路及市政道路时, 可根据需要设置若干组所述的灯体, 分列于道路两侧, 相邻组灯体之间的 安装距离不大于 10m, 安装高度不高于 4.0m, 其中逆向照明光源位置低于 1.5m, 上方设置 上截光板。

12、 如权利要求 11所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 当所述灯具应用于高速公 路及市政道路时, 所述光源还包括竖向照明光源, 功率不大于 10W, 安装距离不大于 2Km。

13、 如权利要求 12所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 所述灯体的固定装置包括 灯壳, 所述光源安装在所述灯壳上, 所述逆向照明光源、 同向照明光源和横向照明光源分别 设置在所述灯壳的左右两侧和正面, 所述竖向照明光源设置在所述灯壳顶部。

14、 如权利要求 9所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 所述灯体的固定装置包括 灯壳, 所述光源安装在所述灯壳内, 所述逆向照明光源、 同向照明光源和横向照明光源设置 在所述灯壳的正面,所述逆向照明光源和同向照明光源对称地分设在所述横向照明光源的左 右两侧或者上下两侧。

15、 如权利要求 9所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 当所述灯具应用于市政道 路时, 所述灯体还包括用于信息显示与景观照明的装置及光源, 不同用途光源统一供电、 独 立运行; 当所述灯具应用于高速公路、 市政道路时, 所述灯具可采用路灯电源统一供电、 或 光伏发电系统独立供电或两者联合供电。

16、 根据权利要求 9所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 当所述灯具应用于隧道 时, 相邻灯体之间安装距离不大于 5.0m, 所述逆向照明光源包括低灯位逆向照明光源与高 灯位逆向照明光源, 所述低灯位逆向照明光源位置低于 1.5m, 所述高灯位逆向照明光源位 置高于 1.5m。

17、 根据权利要求 16所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 所述灯体还包括高灯位 灯体及低灯位灯体;所述高灯位逆向照明光源安装在所述高灯位灯体上;所述横向照明光源、 低灯位逆向照明光源和同向照明光源设置在所述低灯位灯体上,且位于所述横向照明光源的 两侧; 所述高灯位灯体上位于所述高灯位照明光源的下方设有下截光板; 所述低灯位灯体上 位于所述低灯位逆向照明光源的上方设有上截光板。

18、 如权利要求 9所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 当所述灯具应用于高速公 路时, 所述设备仓与灯体合为一体化灯具或设备仓单独固定于护栏外侧或护栏之上, 通过所 述管线与灯体及其它设备仓连接; 当所述灯具应用于市政道路时, 所述设备仓与灯体合为一 体化灯具, 通过所述管线与其它灯具连接; 当所述灯具应用于隧道时, 所述设备仓固定于隧 道侧墙之上 /内, 通过所述管线与灯体及其它设备仓连接。

19、 根据权利要求 9所述的多维道路照明系统, 其特征在于, 所述灯具合理配光并设 置上及 /或下截光板以及在中间隔离带加装百叶式防眩光格栅, 以消除前视眩光; 所述灯具 通过降低同向照明光源的亮度, 以消除后视眩光; 所述灯具通过设置上截光板, 以消除住宅 眩光。

Description:
说 明 书 多维道路照明系统 技术领域

本发明涉及照明技术领域, 特别涉及一种应用于高速公路、 市政道路及隧道的多维道路 照明系统。 背景技术

目前, 高速公路、 市政道路及隧道照明是按 06标准规定的照明方式进行设计, 普遍采 用的光源为 HID灯。其中,高速公路及市政道路的光源安装 高度 10m至 14m,安装间距 30m 至 40m, 单灯功率 250W左右; 隧道光源的安装高度在隧道顶部, 安装间距 2m左右, 单灯 功率 80W至 250W, 蝙蝠型配光, 特点是单灯功率大、 灯位高、 灯距远。 这构成了现行道路 照明体系, 可概括为大型化、 集中式的照明方式和与之配套的专用灯具。 该道路照明体系历 史久远、 技术成熟, 但存在以下问题:

1、 眩光问题

目前, 高速公路、市政道路及隧道照明采用截光、半 截光型路灯来减少眩光。这一措施, 可以限制眩光, 但无法消除眩光。 产生眩光的原因是: 截光型灯具总是存在一个亮度很高的 发光面, 由于该发光面与驾驶员之间存在高度差 H, 则总存在视角 α使得驾驶员可直视该发 光面, 感觉到来自前上方的灯具发光面的眩光 (请参见图 1 ) 。 该眩光存在的充分条件是: α>0。

要改变 α大于 0, 有两种措施。 其一是把灯具倾斜放置, 使灯具的发光面与驾驶员向前 上方的视线平行 (请参见图 2) , 从而使 α角为 0。 但机动车在运动时, α角在时刻变化, 故这种方法无法消除不同位置车辆的眩光; 同时, 对于快速道路、 高速公路及市政道路, 这 一倾斜的"发光面 "会照射到对面行车方向, 反而加强了对面行车方向的眩光, 因此不可取。

另一种措施是降低灯具高度, 当灯具高度与驾驶员眼高相同时, 使 α角为 0。 但这会带 来配光等一系列问题, 特别是将现有的 250W— 400W的 HPS灯具高度降至驾驶员眼部高度 显然是不可行的。

对于市政道路照明, 高灯位灯具不可避免地存在对临近住宅的光污 染; 对于隧道照明, 已存在的高灯位逆向照明方式也存在显著的眩 光问题。

综上所述, 目前, 无论对于高速公路、 市政道路及隧道照明, 现行道路照明体系都存在 显著的眩光且无法解决。

2、 无效照明问题

为提高照度均匀度, 现行道路照明体系将光源以下空间尽可能均匀 照亮, 形成光幕区。 图 3所示为高速公路及市政道路的现行道路照明 系的光幕示意图。

对于封闭的高速公路,机动车驾驶员仅需观察 路面及道路前方情况而不需要同时观察道 路内外的目标情况。 因此, 道路照明并不需要路面上方接近 10m至 14m高的光幕空间, 其 光幕空间可降低至一半甚至更低,驾驶员识别 路面和前方障碍物主要依靠这一光幕空间内的 照明, 我们将这一高度内的光幕空间称为有效光幕区 域, 只有有效光幕区域内的有效照明分 量是有效照明。 无效照明包括无效光幕区的照明及有效光幕区 域内的无效照明分量。

显然,现行道路照明体系存在大范围的无效光 幕区,无效光幕区占照明范围约一半左右。 根据余弦定律, 可以证明, 即使在去掉无效光幕区后的有效光幕区域内, 现行道路照明 体系也存在大比例的无效照明分量。

另一方面, 根据平方反比定律, 现行道路照明体系的照度垂直分布规律是上亮 下暗。 这 使得处于上部的无效光幕区的照度会高于位于 下部的有效光幕区的照度。这显然与驾驶员观 察所需要的上暗下亮的照明基本需求相悖。 因此, 采用现行道路照明体系存在大量无效照明及违 背照明基本需求的问题。

3、 可见度低下问题

现行道路照明体系下, 路灯的安装间距 30m至 40m, 这使得机动车行进方向的垂直照 度难以均匀 (此非水平照度意义上的"斑马线") 。 有研宄指出, 在部分区域的垂直照度非常 弱, 甚至接近于零。

我们知道, 前方目标物表面亮度与垂直照度存在正相关关 系, 而亮度与前方目标可见度 在中间视觉范围亦分段的呈现正相关关系 (请参见图 4) 。

从图 4中可以看出, 当平均亮度降到 0.1至 0.5cd/m 2 时, 可见度将降至 20%以下。

这表明主流照明方式下, 存在可见度特别低的区域。

垂直照度不均匀还将导致行车方向前方空间亮 度不均匀 (忽明忽暗) , 亦会降低前方目 标的可见度 RP值 (请参见图 5 ) 。 垂直照度的不均匀, 一方面将导致部分暗区可见度较低, 同时也引起整体可见度的降低。

4、 树木遮挡问题

对于市政道路, 现行道路照明体系的布灯形式多为围合式, 路灯与行道树空间上共同占 有。 修路初期, 行道树较小, 远低于路灯, 对路灯照明无影响; 几年后, 行道树长大, 枝叶 将路灯包围, 导致路灯到达路面的投射光部分甚至大部分被 树木遮挡, 路灯形同虚设。 目前 的解决办法唯有砍树或不停地修剪树木, 砍树固然不可取, 修剪也很难及时并阻碍交通, 造 成大量人力与能源的浪费。

上述分析表明, 现行大型化、 集中式的现行道路照明体系是存在眩光、 无效照明、 可见 度低下和树木遮挡问题的根本原因。

现行道路照明体系是随着高电压气体放电光源 (HID) 的应用而诞生的, 并已暴露出明 显的弊端; 随着 LED等新型光源的发明也必然会产生新的更为先 进的照明方式。

LED具有亮度高、 体积小、 显色性高、 低压安全和可分散安装等特点, 这为以小型化、 分布式照明来解决上述四个问题提供了可能。

但是, 目前 LED应用与研发主要是用 LED与传统光源进行简单的替换, 几乎所有 LED 厂家统统沿用传统路灯的设计思路, 追求大功率 LED路灯以求与目前的 HID灯造型、 安装 方式完全相同或兼容,导致当前 LED路灯 /隧道灯及安装方式几乎全部以适用于 HID光源的 "蛇头 (平板蛇头) 灯" /"投光灯 "为标准进行设计和制造。

小功率的 LED光源适宜分散安装,也没有突出的散热问题 。但大功率 LED路灯 /隧道灯 的集中、 高灯位照明则带来了散热不良、 耐久性不好和维修不便等本不该出现的问题, 由此 引发了一系列的功能与质量问题。 以简单替换为特征的 LED路灯、 隧道灯照明不但没有解 决传统 HID路灯、 隧道灯存在的问题, 反而增加了散热等新问题, 导致 LED路灯 /隧道灯在 照明工程界受到质疑。

事实上, 以 LED光源替换 HID光源并不是照明方式的改变, 也不可能解决现行道路照 明体系存在的上述四个问题。 这表明目前 LED路灯 /隧道灯照明需要走出简单替代的模式, 进行以体现 LED自身特点、 发挥 LED优点为目的的原创、 自主型研发。

近期, 低灯位路灯照明方式开始出现。 低灯位路灯照明中, 灯具直接安装在道路护栏、 隔离带上, 向路面投光, 以满足路面必要的照明需求。

中国专利申请第 201110175282.5号中公布了一种双向低位 LED道路灯, 该灯采用 LED 作为光源,实际上只是普通护栏灯,主要差别 是普通护栏灯单侧照明,而该灯可向两侧照明 。 实践已证明, 护栏灯不能满足快速道路照明规范所规定的指 标。

中国专利第 200720095548.4号则公开了一种低安装高度路灯, 采用 MH灯作为光源, 安装间距为 8m至 l lm, 安装高度在 1.2m以内。 该低灯位照明部分克服了高灯位照明方式 存在的较大的无效光幕区问题; 如采用 LED光源, 可部分解决大功率 LED光源的散热问题 等。 但仍存在以下问题:

1、 照明效率低下 该低灯位照明方式, 虽然一定程度上克服了高灯位照明存在较大的 无效的照明空间的问 题, 但由于光源之间的间距变小, 其结果是横向照明分量加大, 逆向、 正向照明分量很小。 分析表明,横向照明对于正常天气情况下驾驶 员观察前方道路及障碍物所要求的提供路面基 本亮度、 形成前方物体表面亮度以及提高前方物体与路 面背景之间的亮度对比贡献很小, 并 非路面照明的有效方式。

事实上,中国专利第 200720095548.4号公开的照明方式在照明节能的主 指标一一功率 密度上并不比现行道路照明体系有明显优势, 且至今未见发表有关现场测试的照明参数, 亦 未见系统化研宄成果。

2、 可见度水平低下

该低灯位照明方式, 逆向、 同向照明分量采用同一光源与灯具, 色度相同、 照射空间不 独立, 在路面背景与前方物体之间无法形成较高的亮 度对比与色度对比, 并且路面的亮度均 匀度较低, 导致前方物体的可见度水平较低。

3、 该低灯位照明方式, 全部光照集中于路面 1.5m高度以下, 不能为驾驶员提供观察前 方障碍物所必须的空间照度。

4、 该低灯位照明方式, 并不能真正消除眩光, 在驾驶员视域范围内, 仍能感到来自于 前侧方灯具"发光面"的眩光 (因安装高度在 1.2m) 。

5、 该低灯位照明方式, 存在"频闪"问题, 易造成驾驶员视觉疲劳。

近期采用较大规模低灯位路灯照明的有山东高 速胶州湾跨海大桥。 该桥总长度 41.58公 里, 路宽 35米, 双向 6车道, 部分 8车道。 采用 9.7W小功率 LED灯具 (1W/颗), 护栏上安 装, 高度 1.2m。

经深圳大学建筑物理实验室现场测定, 这一项目采用低灯位 LED照明, 能够部分克服 传统高灯位照明方式的缺点 (比如无效照明问题) , 但仍存在两个突出问题。 一是现有规范 是以高灯位路灯照明为基础制订的, 该项目部分指标达不到现行规范标准, 无法正常通过路 灯部门验收; 二是该项目采用的低灯位 LED照明, 虽然消除了高灯位路灯照明方式下来自 前上方的对机动车驾驶员的眩光, 但存在较严重的前侧方眩光, 尤其是在靠近路灯的车道, 高亮度的灯具前发光面对驾驶员影响较大。

近期有研宄将灯具置于驾驶员视线以下, 通过配光设计使得路面获得必要的亮度, 以向 下照明的方式限制眩光 (请参见图 6) 。 分析表明, 该照明方式存在两个问题: 一是全部光 照集中于路面 1.2米高度以下, 仅考虑路面照明, 但未考虑前方障碍物照明; 二是此法并不 能真正消除眩光, 驾驶员仍能看到来自于前侧方灯具 "发光面"的眩光。 事实上, 该方法也没 有应用实例。

曾有研宄文献探宄低灯位路灯的道路照明质量 综合评价体系,但是这些评价体系都是以 现行规范标准为依据, 而现行标准是以地面亮度 (水平照度)为主导评价指标, 而不是依据 道路照明最重要的指标一前方障碍物可见度来 建立适宜的评价体系。

综上所述, 上述高灯位照明与低灯位照明两种照明方式, 在本质上仍然是一个灯同时承 担了路面照明、 空间照明、 复杂天气照明 /墙壁照明三重任务, 它们在空间上、 时间上相互 制约, 不可能均达到最佳, 且存在较强的来自侧面的眩光, 或路面照度不够而未得到大面积 推广。 在逻辑上, 只有将上述任务分解, 由各自独立的小功率、 高效能光源、 灯具和照明控 制系统来完成, 分别控制, 独立运行, 才可能在路面照明、 空间照明、 复杂天气照明以及隧 道内墙面照明方面分别做到最佳, 以求得总体最佳。 发明内容

本发明所要解决的技术问题在于, 开发超越传统照明形式的新型路灯解决方案, 以系统 化的全面的解决现行道路照明体系下眩光、 无效照明和可见度差等问题, 显著提高照明效率 和可见度水平, 为新建道路以及既有道路改造提供科学的照明 技术依据和实用装备。

为解决上述技术问题, 本发明提供一种多维道路照明系统, 包括多维照明方式及与所述 照明方式配套的专用灯具, 应用于高速公路、 市政道路及隧道照明; 所述多维道路照明系统 具有多个维数照明子系统, 包括至少一维逆向照明子系统、 一维同向照明子系统和一维横向 照明子系统; 所述照明子系统由实体光源构成, 所述逆向照明子系统的光源投光方向与所在 车道的车行方向相反, 所述同向照明子系统的光源投光方向与所在车 道的车行方向相同, 所 述横向照明子系统的光源投光方向与所在车道 的车行方向垂直。

与现有技术相比较, 本发明多维道路照明系统具有相对完善的多维 照明子系统, 可以同 时或选择性地提供多个维度的空间照明, 应用涵盖高速公路、 市政道路和隧道, 具备克服传 统高灯位照明方式和已有的低灯位照明方式存 在的弊端的能力, 在解决眩光、 无效照明和纵 向均匀度差等问题、 显著提高照明效率、 大幅度降低能耗的同时, 具有良好的道路照明的光 度学特性, 极高的性价比, 可用于新建道路照明及对既有路灯系统的改造 。 附图说明

图 1为现有的高灯位照明方式中存在的眩光示意 ;

图 2为现有的高灯位照明方式无法消除眩光的示 图;

图 3为现有的高灯位照明方式的光幕示意图;

图 4为路面平均亮度与可见度 RP的关系示意图;

图 5为亮度均匀度与可见度 RP的关系示意图;

图 6为侧面配光分布示意图;

图 7为典型路灯蝙蝠型配光曲线图;

图 8为路灯配光曲线光强矢量分解图;

图 9为"顺向照明"示意图;

图 10为"逆向照明"示意图;

图 11为空间照度各方向分量之间关系的分析图;

图 12为高灯位顺向、 低灯位顺向照明实验平台示意图;

图 13为高灯位逆向、 低灯位逆向照明实验平台示意图;

图 14为本发明的低灯位逆向照明平面示意图;

图 15为本发明的低灯位逆向照明之水平方向示意 ;

图 16为本发明的低灯位逆向照明之立面示意图;

图 17为本发明的低灯位逆向照明之垂直方向示意 ;

图 18为来自于前方障碍物反射的驾驶员视网膜照 分析图;

图 19为黄光 LED的光谱曲线;

图 20为白光 LED的光谱曲线;

图 21为正对比的视力清晰度等级分析图;

图 22为负对比的视力清晰度等级分析图;

图 23为实验组亮度对比度与视力等级平均值的散 图;

图 24为对照组的亮度对比度与视力等级平均值的 点图;

图 25为本发明的同向照明之平面示意图;

图 26为本发明的同向照明近地空间照度梯度分布 ;

图 27为本发明的同向照明之水平方向示意图;

图 28为本发明的同向照明之立面示意图;

图 29为本发明的同向照明之垂直方向示意图;

图 30为本发明的横向照明之平面示意图;

图 31为本发明的横向照明之水平方向示意图;

图 32为本发明的横向照明之垂直方向示意图;

图 33为本发明的竖向照明之立面示意图;

图 34为本发明的竖向照明之垂直方向示意图; 本发明的隧道高灯位逆向照明灯具的示意图;

6 本发明的隧道高灯位逆向照明之水平方向示意 图;

7 本发明的隧道高灯位逆向照明之垂直方向的示 意图;

8为为为为是本发明应用于市政道路的中线单 布灯示意图;

本本本本本本本本本本本本本本本本本本本

9 本发明道路中线布灯 +边侧布灯示意图;

40 本发明应用于市政道路的显示照明示意图;

41 本发明百叶式防眩光格栅平面图;

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42 本发明 LED灯具之光伏电池板位置示意图;

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43 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^中应用于高速公路上的灯具的 意图。

44 中应用于高速公路上的灯具的外侧接线示意

45 中应用于高速公路上的灯具的示意图。

46 中应用于高速公路上的灯具的示意图。

47 中应用于市政道路的中线型落地式路灯侧面透 视示

48 中应用于市政道路的中线型落地式路灯正面透 视示

49 中应用于市政道路的中线型落地式路灯侧面透 视示

50 中应用于市政道路的中线型落地式路灯俯视示 意 S

51 中应用于市政道路的中线型骑墙式路灯侧面透 视示

中应用于市政道路的中线型骑墙式路灯正面透 视示

中应用于市政道路的中线型骑墙式路灯侧面透 视示

4 中应用于市政道路的中线型骑墙式路灯俯视示 意 S

中应用于市政道路的侧边型落地式路灯侧面透 视示

6 中应用于市政道路的侧边型落地式路灯正面透 视示

7 中应用于市政道路的侧边型落地式路灯俯视示 意图。

8 中隧道灯的高灯位逆向照明灯具的安装示意图 ;

9 中隧道灯的低灯位逆向、 同向、 横向照明灯具的示意图

中应用于市政道路的中线骑墙布灯示意图;

中应用于隧道照明方法的灯具布置示意图。

的正视示意图

的剖面示意图

的俯视示意图 具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、 技术方案及有益效果更加清楚明白, 以下结合附图 及实施例, 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解, 此处所描述的具体实施例仅仅用以解 释本发明, 并不用于限定本发明。

经研宄总结, 高速公路、 市政道路和隧道照明的基本需求是: 提供路面基础照明、 提供 前方空间照明、 加强复杂天气照明、 提供事故位置照明、 加强特殊路段照明和限制眩光。

为此, 发明人进行了系统的理论与实验研宄, 在其研宄成果的理论指导下, 提供了一种 新型的道路照明解决方案一多维道路照明系统 。

本发明多维道路照明系统中, 包含 10个主要子系统, 其基本理论依据和技术措施为- 1、 以提高照明效率为目标的路面照明一低灯位逆 向照明子系统

路面是驾驶员观察前方障碍物的主要背景, 提供必要的路面亮度是高速公路、 市政道路 及隧道照明的基本要求, 减少眩光及提高亮度均匀度是道路照明的最基 本任务。

下面的理论推导与实验表明: 在所有照明方式中, 低灯位逆向照明方式的路面照明效率 最高。 这一结论, 是本发明多维道路照明系统中设置低灯位逆向 照明子系统的基本依据。

( 1 ) 理论推导: 逆向照射方式下的视网膜照度 现行道路照明普遍采用蝙蝠型配光 (请参见图 7 ) , 图 7中的光强矢量可分解为向左、 向右两部分光强, 分别对应与机动车行驶方向相同的照射方向和 相反的方向(请参见图 8 )。 光源照射方向与机动车行驶方向相同称为 "顺向照明" (请参见图 9 ) , 相反称为"逆向照明" (请参见图 10 ) 。 蝙蝠型配光由高灯位顺向照明与逆向照明两种 方式组合。

逆向照明方式中各照度分量的关系如图 11所示。 当灯具位于道路两侧, 以与车行方向 相反的照射方向朝机动车前方路面投光, 并规则反射, 若不计光线空气传输中的能量损失, 则

竖向反射分量表达式为

E E cos a

横向反射分 表达式为

E r . t = E r s in {a + φ) · s in θ

光源在驾驶员眼视轴方向的照度分』 为视网膜分量, 可表达为

s in (a + φ) · cos θ

其中, 是有效辐射量, 和^ f 是无效分量, ^是光源在路面上的反射照度矢量, "是光源的入射角, 即路面法线与光源投光方向之间的夹角, 是机动车驾驶员视线方向与 路面之间的夹角, 是光源投光方向所在平面与驾驶员视线方向所 在平面的夹角。

在道路照明模型中, φ = Υ, 可比较上述 3个分量的大小:

当 6» < 45°, α → 0°时

E r- r > E r- e > E r-t

上式说明, 高灯位逆向照明下, 无效照明分 E r . r 在数值上最大且大于有效照明分 当 6> < 45 a → 90°时

E r-e > E r-t > E r-v

上式说明, 低灯位逆向照明下, 有效照明分 : 在所有分量中最大 t

当 > 45' , α → 0°时

E r- r > E r-t > E r-e

上式说明, 高灯位横向照明下, 有效照

当 > 45°, a → 90°时

E r-t > E r-e > E r-v

上式说明, 低灯位横向照明下, 无效照明分 : E r . t 最大且大于有效照明分量 E r 当 → 0°且 α → 0°时 上式说明, 若在道路照明中, 采用低位安装的光源逆向照射路面, 并且照射方向尽量与 驾驶员眼视轴方向一致, 则路面反射在驾驶员视网膜形成的照度 可取得最大值, 无效照 明分量趋于最小。

当 → 0°时, 光源照射方向与车道平行, 此时, 观察视线上的光辐射量 ^为最大值。 当 → 90°时, 光源照射方向与车道垂直, 此时, E e → Q , 照明效率极低。

规则反射下, 逆向照明方式的横向照射分量、 竖向照射分量是无效照明分量, 逆向照射 分量为有效照射分量, 逆向照射分量中高灯位照射的能量功效远低于 低灯位照射的能量功 效。 在所有照明方式中, 低灯位逆向照明方式的路面照明效率最高。

光源在路面上的真实反射为非规则反射, 非规则反射是规则反射和漫反射的叠加, 遵从 朗伯定律。

(2) 实验分析: 基于路面亮度的路面照明效率实验

实验条件为暗室, 一块 l *lm 2 的被测介质模拟路面, 反射类型为 80%镜面反射 +20%漫 反射。 一个 4W LED光源置于支架上, 通过轨道和滑轮调节方向, 灯距被测界面 2m, 角度 变化范围从 0°至 80°。 实验以相机及亮度成像仪定点考察介质表面亮 度, 距被测界面前后各 4m处放置相机 (高 0.8m), 分别对应顺向照明视点和逆向照明视点, 拍摄并测量被测界面 亮度。

实验按下表分别模拟 4种照明方式 (请参见图 12、 13 ) 。

实验表明, 逆向低灯位 (逆向照明视点, 入射角 80°) 照明的路面亮度最高, 这一结果 与推导一致。

上述分析表明, 在所有照明方式中, 低灯位逆向照明方式的路面照明效率最高。 当光源 以投光角度接近平行于路面(低灯位, 低于机动车驾驶员视线) 、 并且照射方向与车行方向 相反(逆向照明) 照射前方路面时, 驾驶员视线方向上不仅可获得较高的路面反射 亮度、 较 高的亮度均匀度, 还能够控制眩光在较小值。 本发明中, 低灯位逆向照明子系统的功能是提 供必要的路面亮度、 较高的亮度均匀度且控制眩光在较小值。

用于低灯位逆向照明的光源, 照射方向与所在车道车行方向相反, 照射空间为灯高位置 下方及路面(请参见图 14) 。 对于高速公路、 市政道路及隧道照明, 低灯位逆向照明的照射 范围水平方向为 90°至 180°、 180°至 270° (请参见图 15 ) 。 为控制眩光, 低灯位逆向照明的 光源高度低于机动车驾驶员视平线, 配光要求无仰角散射 (请参见图 16) 。 对于高速公路、 市政道路、 隧道照明, 低灯位逆向照明的照射范围垂直方向为 180°至 220° (请参见图 17) 。

本发明多维道路照明系统中, 低灯位逆向照明子系统可采用多种节能调光运 行模式。

2、 以提高目标可见度为目的空间照明一同向照明 子系统

提供道路前方的空间照明以便机动车驾驶员有 效识别前方障碍物, 是道路照明基本要 求。 同向照明子系统的功能是以较高显色性的、 与背景光源有较大色差的光源, 为机动车驾 驶员提供道路前方优质的空间照明。 下面的理论推导与实验表明: 在所有照明方式中, 同向 照明方式的空间照明效率最高。这一结论, 是本发明多维道路照明系统中设置同向照明子 系 统的基本依据。

( 1 ) 理论推导: 同向照射方式下的视网膜照度

E .为入射照度, 为反射照度, E s . e 为驾驶员视网膜照度, 《为^? ^与 之间的夹角(请 参见图 18) 。

在规则反射条件下, E s = Ej。 根据余弦定律, 当路灯照射前方物体时, 反射矢量在驾驶 员视网膜照度分量为: = E s · CQS w。 若 ω→90°, 则 e → 0。

上式说明, 为实现辨识前方障碍物的目的, 驾驶员的视线方向几乎与路面平行, 垂直照 度是观察所需的主要分量。

上述分析表明, 当光源以略高于或略低与驾驶员眼睛高度、 投光角度接近平行于路面、 照射方向与车行方向相同 (同向照明)照射前方空间时, 驾驶员视线方向上可获得较高的障 碍物反射亮度。

(2) 实验分析: 基于可见度的空间照明效率实验

实验使用的可见度评价方法必须能够独立的调 节目标物与背景的色彩,计算色彩参数并 方便的计算可见度水平。

采用"视力表"的优点是能精确地表达视力和视 的增减幅度, 对所测视力结果进行比较 和统计学处理。 采用基于 "E"字标准对数视力表可见度评价方法来在实验 室条件下评价各种 因素对可见度影响。

实验在暗室中进行, 实验设备包括三部分: "E"字视力表箱、 "E"字灯箱和背景灯箱, 可 实现 "E"字和背景的独立调节。 为提高测量精度, 将标准对数视力表视标排列的每行 的 增率改为每行 ^^11增率。 实验选用黄光和白光 LED光源各两个, 功率为 15瓦。 黄光 LED 的色品坐标 x=0.4293、 y=0.4200, 色温 3258K, 显色指数 80 (请参见图 19) ; 白光 LED的 色品坐标 x=0.2872、 y=0.2855, 色温 9430K, 显色指数 74 (请参见图 20) 。

(3 ) 亮度及对比度对空间照明效率的影响

实验在目标物与背景亮度差 AL相等条件下, 比较不同目标亮度与背景亮度对视力清晰 度等级的影响以及正、 负对比对视力清晰度的影响。 实验结果表明, 无论何种灰度等级的背 景, 随着背景亮度从 0开始增加, 回归曲线逐渐趋于平缓, 开始时视力清晰度显著增加, 但 随着背景亮度继续增加, 清晰度增加幅度逐渐减弱, 最后趋于 0, 可见度变化范围集中在 4.6-5.2之间; 目标物与背景亮度差 AL相等时, 正对比的视力清晰度等级明显低于负对比的 视力清晰度等级 (请参见图 21及图 22) 。

(4) 色度及对比度对空间照明效率的影响

实验在同一背景亮度下, 分析色差的存在对可见度的影响。 实验中背景亮度设置为 2cd/m 2 。 分别绘制两组实验的实验组和对照组的亮度对 比度与视力等级平均值的散点图 (请 参见图 23及图 24) 。 当亮度对比度强烈到一定程度时, 色差对可见度的影响变得很小。

综上所述, 可以得到道路空间照明效率受到各因素的影响 : 1 ) 亮度一定时, 正对比的 可见度明显低于负对比的可见度; 亮度达到一定值后, 继续增加, 可见度不再提高; 2) 色 度对比度对于物体的辨别虽不及亮度对比度影 响大, 但在亮度对比度相近的照明情况下, 色 差可使得亮度对比度零点附近的可见度水提高 , 亮度对比越强烈, 色差的作用越小; 3 ) 当 路面照明采用低色温光源、 前方目标物照明采用高色温光源并保持负对比 时, 空间照明效率 最高。

本发明中, 同向照明子系统的要求是: 提供道路前方的空间必要的照度、 较高的照度均 匀度且控制眩光在较小值。 同向照明子系统的光源照射方向与所在车道车 行方向相同, 高度 在驾驶员视平线附近 (请参见图 25 ), 保持上暗下亮的垂直照度梯度, 保证近地面空间的照 度 (请参见图 26)。 为提高前方障碍物的可见度水平, 在与低灯位逆向照明子系统共同使用 时,通过加强路面背景与前方障碍物之间的亮 度对比、色度对比来提高障碍物的可见度水平 ; 用于同向照明的光源, 色温高于逆向照明子系统, 较高显色指数。

对于高速公路、市政道路及隧道照明,本发明 同向照明子系统的照射范围水平方向为 0° 至 90°、 270°至 360° (请参见图 27), 本发明同向照明子系统的照射空间主要为灯高 位置上 方 (请参见图 28), 照射范围垂直方向为 350°至 40° (请参见图 29)。

本发明多维道路照明系统中, 同向照明子系统可采用多种节能调光运行模式 。

3、 以提高克服"白墙效应"为目标的雾霾条件下照 一横向照明子系统

在雨、 雾、 霾、 烟等天气情况下, 机动车远光灯的效率显著变低的原因是在机动 车前方 的空气中聚集了大量悬浮状的气溶胶分子团。 这导致一方面部分射向机动车前方物体的入射 光还未到达物体便被光路上的水分子团所吸收 和散射, 其散射部分形成白雾幕, 即"白 (雾) 墙效应", 致使驾驶员看不清道路前方的障碍物; 另一方面是到达机动车前方物体的入射光 经反射后的光为悬浮在空气中的气溶胶分子团 所吸收和散射, 减弱了反射光的亮度与对比 度, 致使机动车前方障碍物的可见度大大降低。 在较长公路隧道内部的中间段, 照明条件与 此近似。

设置横向照明光源依据的基本原理为: 研宄表明, 当入射光和驾驶员视线之间的夹角接 近垂直时, 可有效克服"白 (雾)墙"现象, 是目前解决雾天道路照明的有效方法。本发明 中, 横向照明子系统的功能是提供照射方向与驾驶 员的视线方向近于垂直的空间照明,提高复杂 天气情况下前方障碍物的可见度水平。 目前的研宄表明, 无论对于 HID光源或 LED光源, 低色温光源的穿透力均高于高色温光源的穿透 力。 因此, 横向照明子系统采用色温低于 5000K的光源。 其照射方向与所在车道的车行方向垂直, 与路面平行 (请参见图 30), 照射 空间为灯高位置上、 下方及路面。 对于高速公路、 市政道路及隧道照明, 本发明横向照明的 照射范围水平方向为 0°至 180°、 180°至 360° (请参见图 31 ), 垂直方向为 90°至 270°、 270° 至 90。 (请参见图 32)。

本发明的多维道路照明系统中, 横向照明光源功率不大于 10W, 对于高速公路、 市政道 路, 运行模式是正常天气下不开, 仅在雨、 雾、 烟、 霾天气时或者尾气污染严重时开启; 对 于隧道照明, 在隧道中间部分开启。

本发明多维道路照明系统中, 横向照明子系统可采用多种节能调光运行模式 。

4、 以显示事故地标为目的指示照明一竖向照明子 系统

对于高速公路及市政道路, 设置必要竖向照明光源, 指示方位将利于救援, 特别是空中 救援。

设置竖向照明光源依据的基本原理为: 路面发生事故, 需要指示方位时, 一束穿透力强 的竖直光可在照射地点形成局部地标。 本发明中, 竖向照明子系统的功能是提供指示照明, 当发生事故需要救援时, 在空中明确的标示出事故方位。 用于竖向照明的光源与灯具, 其照 射方向与路面垂直 (请参见图 33 ), 其安装距离不大于 2Km, 功率不大于 10W, 对称配光, 照射范围 87°至 93° (请参见图 34), 照射空间为道路上方, 与其它照明分量无交集, 光源光 色为单色或多个光色相间; 运行模式为平时不开, 仅在特殊需要情况下手动开启。

5、 以克服 "黑洞 (白洞) "现象为目标的隧道内墙面照明一高灯位逆向 明子系统 公路隧道照明存在 3个特殊视觉现象, 即隧道两端的"黑洞、 白洞"现象和隧道中间部位 的"白 (雾) 墙"现象。

本发明中, 为解决隧道照明特殊视觉现象, 在隧道阈值区间, 克服"黑洞、 白洞"现象的 措施是使墙壁亮度与隧道外部亮度接近; 在过渡区间, 改善"暗 (明) 适应"现象的措施时, 使隧道内墙壁特别是顶部内墙的亮度在阈值区 亮度与隧道内部中间区间亮度之间形成逐步 渐变; 在内部中间区间, 克服"白 (雾) 墙"现象的措施是, 使照明的入射光和驾驶员视线之 间的夹角接近垂直。

隧道内墙面照明的功能是克服隧道照明特殊视 觉现象, 即"黑洞"、 "白洞"现象, 在隧道 阈值区间, 措施是使墙面亮度与隧道外部亮度接近; 对于隧道内墙面照明, 不难推断, 逆向 照明的有关结论对于其照明有类似规律, 即在所有照明方式中, 高灯位逆向照明方式的墙面 照明效率最高。

高灯位逆向照明基本原理为: 在公路隧道内部, 当光源以照射方向与车行方向相反、 投 光角度接近垂直于墙面法线照射前方墙面时, 驾驶员视线方向上可获得较高的墙面反射亮 度、较高的亮度均匀度且能控制眩光在较小值 。本发明中,高灯位逆向照明子系统的要求是 : 以高灯位逆向照明的方式提供墙面亮度, 改善"暗 (明) 适应"现象, 使墙壁亮度在阈值区亮 度与隧道内部区间亮度之间形成逐步渐变。高 灯位逆向照明子系统的照射空间为灯高位置上 方空间及墙面, 无俯角散射 (请参见图 35 ), 水平方向为 90°至 270° (请参见图 36), 垂直 方向为 140°至 180° (请参见图 37)。

6、 以提高市政道路环境比为目的环境照明一边侧 照明子系统

对于市政道路照明, 除要求道路本身照明外, 还要求形成一定的环境比, 使得驾驶员在 行车过程中能够对于路旁可能存在的可移动物 体进行辨识。本发明的多位道路照明系统在应 用于市政道路时, 对于较窄路段, 采用"道路中线单排布灯"(请参见图 38), 对于较宽道路, 采用"道路中线布灯 +边侧布灯"布灯方式(请参见图 39); 无论采用何种布灯方式, 均包括逆 向照明子系统、 同向照明子系统、 横向照明子系统、 边侧照明子系统以及下述的各子系统。

7、 以搭载实时交通信息为目的显示照明一显示照 明子系统 本发明中, 所述显示照明的基本原理为: 数字化城市中, 智能交通指挥系统需要及时向 驾驶员提供道路交通信息, 发布交通指挥部门对驾驶员的指令, 其指令可通过音频信号或视 频信号发布。 本发明中, 显示照明子系统的功能是传达实时视频信号、 显示图文信息, 引导 车辆有序行驶。 用于显示照明的光源与灯具为 LED/OLED屏幕或点阵, 照射方向斜对所在 车道行车方向; 由交通指挥部门采用遥控方式启动、 控制运行 (请参见图 40) 。

8、 以营造城市景观为目的环境照明一景观照明子 系统

本发明中, 景观照明子系统的功能是在不影响行车安全的 条件下, 提供景观照明, 构成 城市夜晚景观元素, 塑造节日氛围。

本发明中, 景观照明子系统主要应用于市政道路或桥梁, 该子系统与以上功能性照明子 系统集成为一体化灯具。 独立运行, 由城管部门单独控制或通过交通指挥部门控制 。

9、 以消除眩光为目的综合性措施一截光板子系统

本发明所述的多维道路照明系统, 其目标是全面消除路灯眩光。 路灯眩光包括驾驶员前 视的路灯眩光 (前视眩光)、 后视镜内的路灯眩光 (后视眩光) 和路灯对临街住宅的眩光 (住 宅眩光)。

研宄表明, 前视眩光的来源是: 1 ) 由低 (高) 灯位逆向照明的光源对于本行车方向造 成的眩光, 2) 由同向照明、 横向照明的光源对于对面行车方向造成的眩光 ; 后视眩光的来 源是: 由同向照明、 横向照明的光源对于本行车方向造成的眩光。

经研宄发现, 消除前视眩光的必要条件是使路灯发光面与路 面位于驾驶员同侧, 即路灯 光源位于驾驶员与路面之间以及设置截光板; 消除后视眩光的必要条件是使路灯单位发光面 的亮度降低; 消除住宅眩光的必要条件是设置截光板, 截断住路灯与临近住宅的直接光路。

在本发明中, 多维照明体系设置截光板子系统作为消除眩光 的综合措施。 包括两种: 在 高速公路、 市政道路和隧道照明路灯上设置上及 /或下截光板以及在高速公路中间隔离带上 加装百叶式防眩光格栅 (请参见图 41 )。 当光源位于驾驶员视平线之下并向下投光时 (低灯 位逆向照明子系统), 采取上截光措施; 当光源位于驾驶员视平线之上并向上投光时 (高灯 位逆向照明子系统), 采取下截光措施; 上述截光措施, 使驾驶员视轴方向在灯具的配光范 围之外, 可避免光源直接暴露于驾驶员前方视域内。

10、 以太阳能利用为目的一体化设施一光伏子系统

现行道路照明方式中,单灯功率(HID)灯为 250W, LED灯为 150W,灯距 30m至 40m, 体现的是集中式照明。 在集中式照明条件下, 采用目前的光伏技术, 完全以太阳能作为唯一 供电电源不可靠。 事实上, 为提高可靠性, 当前投入运行的高速公路、 市政道路光伏一体化 照明, 都要采用双重电源供电, 大大增加了投资与运行费用, 这也是目前道路光伏一体化照 明未能全面推广的重要原因。

本发明的多维道路照明系统, 一个重要成果是将单灯功率减小为 2-3W, 灯距减小为 2 至 8米。 相对于现行道路照明方式, 体现的是分布式、 小型化照明。 由于多维道路照明系统 的单灯功率仅为集中式照明方式的 1%到 2%, 则单灯的光伏电池面积、存储部件随之大为减 小, 单灯故障的影响范围也大为减小, 可以提高供电可靠性, 从而使得以太阳能为单一供电 电源的一体化路灯成为可能 (请参见图 42)。

综上所述, 上述 10个关键性子系统组成了发明所述的新型的道 照明系统一多维道 路照明系统。 该多维道路照明系统, 包括多维照明方式及与多维照明方式配套的专 用灯具, 应用于高速公路、 市政道路及隧道照明。 该多维道路照明系统具有多个维数照明子系统 , 包 括至少一维逆向照明子系统、 一维同向照明子系统和一维横向照明子系统, 多维照明子系统 由实体光源构成。逆向照明子系统的光源投光 方向与所在车道的车行方向相反, 同向照明子 系统的光源投光方向与所在车道的车行方向相 同,横向照明子系统的光源投光方向与所在车 道的车行方向垂直。

逆向照明子系统包括低灯位逆向照明子系统与 高灯位逆向照明子系统。低灯位逆向照明 子系统的灯高低于驾驶员眼睛高度, 照射范围水平方向为 90°至 180°、 180°至 270°, 垂直方 向为 180°至 220°, 照射空间为光源位置下方, 无仰角散射。 高灯位逆向照明子系统的灯高 高于驾驶员眼睛高度, 照射范围的水平方向为 90°至 270°, 垂直方向为 140°至 180°, 照射空 间为灯高位置上方, 无俯角散射。 当照明系统应用于高速公路及市政道路照明时 , 逆向照明 子系统为低灯位逆向照明子系统。 当照明系统应用于隧道照明时, 逆向照明子系统包括低灯 位逆向照明子系统与高灯位逆向照明子系统。

上述同向照明子系统的照射范围水平方向为 0°至 90°、 270°至 360°, 垂直方向为 350° 至 40°, 照射空间主要为灯高位置上方。 上述横向照明子系统的照射范围水平方向为 0°至 180°、 180°至 360°, 照射空间为灯高位置上、 下方及路面。

当照明系统应用于高速公路及市政道路时, 照明系统还包括一维竖向照明子系统, 竖向 照明子系统的光源投光方向与路面垂直, 照射范围为 87°至 93°, 照射空间为道路上方。

多维照明子系统设置若干组, 每一组的照明子系统为单独设置或集成一体。 其运行模式 包括正常模式及非正常模式; 正常模式下, 分为一般模式与节能模式; 非正常模式下, 分为 应急模式与指示模式。 正常模式下, 当应用于隧道照明时, 一般模式为逆向照明子系统、 同 向照明子系统和横向照明子系统在正常开灯时 间内全功率运行; 当应用于高速公路及市政道 路照明时, 一般模式为逆向照明子系统、 同向照明子系统在正常开灯时间内全功率运行 ; 节 能模式为在一般模式的基础上调光; 非正常模式下, 当应用于高速公路及市政道路照明时, 应急模式为横向照明子系统在雾霾天气或应急 情况下开启,指示模式为竖向照明子系统在需 要指示照明时开启。

本发明多维道路照明系统的灯具包括灯体、 设备仓与管线。 灯体包括光源及固定装置; 设备仓包括供电电路、 驱动电路或光伏发电系统、 控制电路及固定装置; 管线包括导线与保 护管。 灯具用于在高速公路、 市政道路及隧道照明中上述多维道路照明系统 。 光源至少包括 逆向照明光源、 同向照明光源和横向照明光源, 逆向照明光源的投光方向与所在车道的车行 方向相反, 同向照明光源的投光方向与所在车道的车行方 向相同, 横向照明光源的投光方向 与所在车道的车行方向垂直。

以下就高速公路、市政道路及隧道照明不同应 用环境下的多维道路照明系统的灯具作详 细说明。

图 43至图 46所示为本发明实施例所提供的应用于高速公 的灯具,其逆向照明光源的 安装高度低于 1.5m, 灯与灯之间的安装距离不大于 10.0m。 该灯具的灯体包括灯壳 12、 竖 向照明光源 1、 逆向照明光源 3、 同向照明光源 6和横向照明光源 8。

灯壳 12为横向设置的长形中空壳体,作为灯体的固 装置,灯壳 12的截面可以是圆形、 椭圆形、 三角形或多边形, 不低于 IP 65防水等级。 灯壳 12背面向外延伸形成螺孔板 5, 灯 壳 12通过螺孔板 5固定在护栏或防撞墙上。灯壳 12的顶面上设置检修口, 检修口的盖板上 还附设有若干散热片 4。灯壳 12可采用工程塑料、铝材或钢材等材质制成, 内设置有线路。 灯壳 12的正面可贴设反光膜, 以提高突然断电时道路上的行车安全。灯壳 12上还可贴设路 段标识码标牌, 以提供事故发生地点的准确位置, 缩短救援时间。

竖向照明光源 1设置在灯壳 12顶面上,逆向照明光源 3、同向照明光源 6和横向照明光 源 8设置的灯壳 12的正面。逆向照明光源 3和同向照明光源 6对称地分设在横向照明光源 8 的左右两侧, 并且其照射方向相反。 逆向照明光源 3的上方设置上截光板 2, 用于上截光, 使逆向照明光源 3无仰角散射。 上截光板 2通过加强筋加强。 同向照明光源 6的下方设置下 截光板 7, 用于下截光, 使其无俯角散射。 下截光板 7通过加强筋加强。

如图 44所示, 灯具的管线包括电线线管 9及安装在电线线管 9内的电线, 灯壳 12与电 线线管 9连接, 电线线管 9内装的电线与灯壳 12内的线路电连接。 电线线管 9与一防水接 线盒 14连接, 多个灯具之间的电线线管 9、 10、 11通过防水接线盒 14连接。 防水接线盒 14 及电线线管 9、 10、 11较佳地敷设在道路两侧矮墙的外侧, 在一般交通事故中, 保证主线路 不受损害。 当然, 部分线路可采用防水公母头连接。

图 45所示的实施例中,逆向照明光源 3和同向照明光源 6对称地分设在横向照明光源 8 的上下两侧, 检修口设置在灯壳 12的侧面。 该实施例所提供的灯具的其他特征与图 43所示 实施例所提供的灯具相同, 此不赘述。

图 46所示的实施例中,逆向照明光源 3、同向照明光源 6和横向照明光源 8分别设置在 灯壳 12的左右两侧和正面,并省略竖向照明光源 1。该实施例所提供的灯具的其他特征与图 43所示实施例所提供的灯具基本相同, 此不赘述。

图 47至图 57为本发明一实施例所提供的应用于市政道路 灯具,灯具 100包括中空灯 体 110、 光源 120、 固定装置 130和管线 (图中未示)。 其中, 光源 120和管线均置于中空灯 体 110内, 固定装置 130设置在灯体 110上用于将灯体 110固定在地面等处, 光源 120的安 装高度不高于 4.0m。

灯体 110可采用工程塑料、 铝材或钢材等制成, 其截面可以为圆形、 椭圆形、 三角形或 多边形, 不低于 IP 65防水等级。 灯体 110之间以电缆连接。 灯体 110的安装高度 1.5m至 5.0m, 安装距离 2m至 12m。 此外, 灯体 110上可设有防水检修孔, 以便对灯体 110内部的 元件进行检修维护。 如图 50所示, 灯体 110的内部可形成通风空腔 112; 通风空腔 112可以 热压通风方式将安装在灯体 110上的光源 120产生的热量散发, 以确保光源 120的正常稳定 工作。 此外, 可在灯体 110的正面贴反光膜, 以提高突然断电时的行车安全。

固定装置 130可以为设置在灯体 110上的螺丝或支架, 可将灯体 110固定在道路中线及 道路两侧的地面 /矮墙之上。

光源 120包括低灯位逆向照明光源、 中灯位同向照明光源、 中灯位横向照明光源、 竖向 照明光源和信息显示装置及景观照明光源, 不同用途光源独立运行。低灯位逆向照明光源 的 照射空间为灯高位置下方空间及路面。此外, 在低灯位逆向照明光源的上方可设置上截光板 , 使低灯位逆向照明光源无仰角散射。

上述灯具 100用于较窄路段时, 可采用图 38所示的 "道路中线单排布灯"。 当道路较宽 时, 可将上述灯具 100和图 55至图 57所示的侧边型落地式灯具按照图 39所示的 "道路中线 布灯结合边侧布灯"方式布灯。对于中线设置 离墙的道路情况, 如图 60所示, 可采用图 51 至图 54所示的中线型骑墙式灯具并将中线型骑墙式 具布灯于墙上。 对于非水平路段, 由 于可视距离变短,功率密度较水平路段功率密 度加大;对于非直线路段, 由于可视距离变短, 功率密度较直线路段功率密度加大; 对于特殊路段, 如交汇区、 斑马线等, 功率密度加大并 加强路面水平照度; 对于人车混行路段, 功率密度加大并加强垂直照度。

当本发明的灯具应用于高速公路及市政道路时 , 可根据需要设置若干组灯体, 分列于道 路两侧, 相邻组灯体之间的安装距离不大于 10m, 安装高度不高于 4.0m, 其中逆向照明光 源位置低于 1.5m, 上方设置上截光板。

图 35、 图 58及图 59所示为本发明一实施例所提供的应用于隧道 灯具, 该灯具包括高 灯位照明灯具及低灯位照明灯具, 相邻灯体之间安装距离不大于 5.0m。

高灯位照明灯具包括中空灯体 122、 安装在灯体 122上的一维高灯位逆向照明光源 124、 下截光板 126和固定装置 128。 灯体 122可由工程塑料、 铝材或钢材等制成, 其截面可以为 圆形、 椭圆形、 三角形或多边形等, 不低于 IP 65防水等级。 灯体 122之间的电缆通过防水 接线盒或防水接头连接。下截光板 126设置在灯体 122上位于高灯位逆向照明光源 124的下 方, 使得高灯位逆向照明光源 124无俯角散射。 固定装置 128设置在灯体 122的上方。 高灯 位照明灯具的安装高度高于 1.5m, 多个高灯位照明灯具可通过固定装置 128 间隔地固定于 隧道两侧的墙壁之上 (如图 61和图 62所示)。

如图 59所示, 低灯位照明灯具包括灯体 141、 一维低灯位逆向照明光源 142、 一维横向 照明光源 143、 一维低灯位同向照明光源 144、 上截光板 145、 下截光板 146、 固定装置 147 和散热装置 148。灯体 141可由工程塑料、 铝材或钢材等制成, 其截面可以为圆形、椭圆形、 三角形或多边形等, 不低于 IP 65防水等级。 灯体 141之间以电缆通过防水接线盒或防水接 头连接。 低灯位逆向照明光源、 同向照明光源和横向照明光源的安装高度低于 1.5m。

横向照明光源 143设置在灯体 141的中部;低灯位逆向照明光源 142和低灯位同向照明 光源 144设置在灯体 141上且位于横向照明光源 143的两侧。低灯位逆向照明光源 142的投 光方向与所在车道的车行方向相反。上截光板 145设置在灯体 141上且位于低灯位逆向照明 光源 142的上方, 使低灯位逆向照明光源 142无仰角散射。低灯位同向照明光源 144的投光 方向与所在车道的车行方向相同、 照射空间为灯高位置上方空间。 下截光板 146设置在灯体 141上且位于低灯位同向照明光源 144的下方, 使低灯位同向照明光源 144无俯角散射。

散热装置 148设置在灯体 141上并与低灯位逆向照明光源 142、 横向照明光源 143和低 灯位同向照明光源 144分别对应设置, 可将低灯位逆向照明光源 142、 横向照明光源 143和 低灯位同向照明光源 144产生的热量散发,确保低灯位逆向照明光源 142、横向照明光源 143 和低灯位同向照明光源 144的稳定运行。

固定装置 147设置在灯体 141上, 用于将低灯位照明灯具固定。 如图 61至 64所示, 低 灯位照明灯具通过固定装置 147间隔地固定于隧道两侧的侧平台或矮墙之上 。低灯位照明灯 具的安装高度低于 1.5m、 安装距离不大于 5.0m, 可置于隧道两侧平台之上及以支架固定于 隧道两侧的墙壁之上。 此外, 灯体 122/141的正面可贴反光膜, 以提高突然断电时的行车安 全。

上述各实施例中, 可对逆向照明光源、 同向照明光源、 横向照明光源、 竖向照明光源和 显示照明光源的运行状态进行独立控制, 控制方式有两种一供电线路控制: 不同用途光源 在供电线路方面自成回路, 独立运行, 利用供电线路分别控制光源的运行状态; 控制线路控 制: 所有光源统一供电, 另设控制线路 /模块分别对光源的运行状态进行遥控。

当灯具应用于高速公路时,设备仓与灯体合为 一体化灯具或设备仓单独固定于护栏外侧 或护栏之上, 通过管线与灯体及其它设备仓连接; 当灯具应用于市政道路时, 设备仓与灯体 合为一体化灯具, 通过管线与其它灯具连接; 当灯具应用于隧道时, 设备仓固定于隧道侧墙 之上 /内, 通过管线与灯体及其它设备仓连接。

上述各实施例中, 逆向照明光源的功率不大于 8W, 色温不高于 4000K, 非对称配光; 同向照明光源的功率不大于 8W, 色温高于 4000K, 非对称配光, 显色指数大于 70; 横向照 明子系统的功率不大于 10W, 色温低于 5000K。

当上述灯具应用于市政道路时, 灯体还包括用于信息显示与景观照明的装置及 光源, 不 同用途光源统一供电、 独立运行; 当灯具应用于高速公路、 市政道路时, 灯具可采用路灯电 源统一供电、 或光伏发电系统独立供电或两者联合供电。

当上述灯具应用于隧道时, 相邻灯体之间安装距离不大于 5.0m, 逆向照明光源包括低 灯位逆向照明光源与高灯位逆向照明光源, 低灯位逆向照明光源位置低于 1.5m, 高灯位逆 向照明光源位置高于 1.5m。 灯体还包括高灯位灯体及低灯位灯体。 高灯位逆向照明光源安 装在所述高灯位灯体上, 横向照明光源、 低灯位逆向照明光源和同向照明光源设置在低 灯位 灯体上, 且位于横向照明光源的两侧。 高灯位灯体上位于高灯位照明光源的下方设有 下截光 板; 低灯位灯体上位于低灯位逆向照明光源的上方 设有上截光板。

上述多维道路照明系统的关键技术在于全面消 除眩光, 包括前视眩光、 后视眩光和住宅 眩光。 消除前视眩光的措施是灯具合理配光并设置上 及 /或下截光板以及在中间隔离带加装 百叶式防眩光格栅; 消除后视眩光措施是降低同向照明光源的亮度 ; 消除住宅眩光的措施是 灯具设置上截光。

本发明多维道路照明系统具有以下优点 - 1、 与现行道路照明体系比较

( 1 ) 高效、 节能

现行道路照明体系存在较大的无效的照明空间 , 在有效照明的空间内, 也存在较大的无 效照明分量, 从而导致现行道路照明体系的照明效率低下, 其本质是照射空间过大, 照到非 必须的区域, 照射方向也不合理。 本发明的多维道路照明系统中, 提高照明效率的途径一是 大大缩小了照明区域, 避免了高空无效照明区域; 二是使照射方向、 照度分布合理, 对于路 面照明, 低灯位逆向照明子系统的路面照明效率远高于 现行高灯位、 集中式照明方式, 对于 前方障碍物照明, 同向照明子系统的空间照明效率远高于现行高 灯位、 集中式照明方式, 对 于隧道内墙面照明, 高灯位逆向照明子系统的雾霾条件照明效率远 高于现行的隧道照明方 式。 从而使功率密度将比现行道路照明体系大为降 低。

(2) 消除眩光

现行道路照明体系下, 逆向投光分量会导致本行车方向上车行前上方 的直接眩光, 同向 投光分量导致对面行车方向上车行前上方的直 接眩光,也不可避免地存在对于临近住宅的光 污染。

发明人归纳出路灯眩光包括前视眩光、 后视眩光和住宅眩光, 其研宄指出了消除路灯眩 光的必要条件。 本发明提出的多维道路照明系统中, 分别采取上截光措施、 下截光措施和截 光板综合性措施, 遮挡住对驾驶员以及对临近住宅的眩光, 比现行道路照明体系显著降低眩 光指数。

(3 ) 提高可见度

研宄表明, 当路面照明采用低色温光源、 前方目标物照明采用高色温光源并保持负对比 时, 可有效提高空间照明效率。

本发明的多维道路照明系统, 据此分离了逆向照明分量、 同向照明分量的照射空间并单 独调光, 来形成较强的路面背景与前方物体之间的亮度 对比; 通过控制逆向照明分量、 同向 照明分量的色度来加强色度对比。上述两种措 施都将比现行道路照明体系提高前方物体的可 见度水平。

(4) 无散热问题

LED光源的发热问题一直是制约 LED路灯发展的"瓶颈", 为此国家投入大量资金与人 力进行了多年研宄。本发明的多维道路照明系 统, 一项重要成果是实现了灯位分布式布置和 灯具小型化, 其直接好处是不会产生由集中式照明所导致的 LED光源的发热问题。 事实上, LED的光源的最初形态是小功率光源, 产生发热问题的原因完全是为了与 HID路灯替换, 将小功率光源集成化而人为制造的。 本发明所述的多维道路照明系统, 其灯体根据 LED的 特点进行设计, 制造过程中, 不需要为散热进行技术研发和付出专门费用。

(5 ) 降低造价易于维护

本发明的多维道路照明系统与传统大型化、 集中式的现行道路照明方式相比, 无需专门 的钢质灯杆, 灯具的安装高度较低, 完全可以利用现成的护栏或防撞墙来进行安装 , 现场装 配简单, 同时便于日常维护, 不必为了更换灯具而封闭车道。

本发明中, 照明子系统及控制线路集成于灯壳内, 光伏发电系统置于护栏或防撞墙上, 装配简单, 拆卸方便; 各向照明子系统光源在供电线路方面可自成回 路, 独立运行。

因此, 无论从一次投资还是从运行成本上衡量, 本发明的多维照明系统都比现行道路照 明体系大大降低。

2、 与现有低灯位照明方式比较

本发明与中国专利第 200720095548.4号公开的低安装高度路灯技术相比 首先,在照明 原理、 主要功能、 照射方向、 照射空间和运行方式几个基本特征完全不同。 本发明多维道路 照明系统并不限于低灯位照明方式, 针对不同应用对象, 分别设置低灯位、 中灯位和高灯位 照明子系统。 例如, 低灯位逆向照明子系统的功能是提供路面照明 , 为低灯位; 但同向照明 子系统的功能是为机动车驾驶员提供道路前方 的空间照明, 并非限于低灯位; 高灯位逆向照 明子系统的功能用于隧道照明, 则为高灯位。

不难看出,中国专利第 200720095548.4号公开的低安装高度路灯技术的照 方式仅与本 发明的一维分量一横向照明子系统相近,而本 发明中的横向照明子系统不参与正常天气条 件下道路照明, 而仅作为辅助的照明子系统, 功能是提高复杂天气情况下的可见度水平。 与 中国专利第 200720095548.4号公开的低安装高度路灯技术的照 方式恰恰相反,本发明中的 横向照明子系统在正常天气下不开灯, 仅在雨、 雾、 烟、 霾天气时开。 本发明中承担正常天 气条件下路面照明的是逆向照明子系统, 其照射方式是逆向无仰角散射, 使得驾驶员视线方 向的路面亮度大大提高, 眩光大大降低, 纵向均匀度亦有显著提高。 而承担正常天气条件下 空间照明的同向照明子系统在与逆向照明子系 统共同使用时,可通过加强与路面背景的亮度 对比和色度对比来提高前方障碍物的可见度水 平;这是在中国专利第 200720095548.4号公开 的低安装高度路灯技术中根本没有的。

本发明多维道路照明系统的本质是实现多个维 数照明,基本形态是布灯分布式与灯具小 型化。 多维照明子系统分别设置多个方向的光源, 根据实际的照明需要, 在不同的情况下采 用不同光源组合来照明,不同用途的光源各司 其职,分别发挥最大效能,达到最佳照明效果 。 例如: 以逆向照明作为基础照明, 在正常开灯时间内常开; 同向照明作为空间照明方式, 在 正常开灯时间内分时段开; 而以横向照明仅作为辅助照明方式, 正常天气不开, 仅在雨、雾、 烟、霾天气时开, 以提高复杂天气情况下的可见度水平。从根本 上解决眩光、无效照明问题, 具有良好的光度学指标, 从而降低能耗。

本发明的多维道路照明方式与其他照明方式的 技术比较如下表所示:

多维道路照明系统与现行照明方式下的 HID灯及 LED灯技术经济指标的比较如下表:

注: 节电率以非雾霾条件下的正常运行模式计算; 运行维护费用未计入。

综上所述, 本发明是依据 LED光源小功率高光效自身特点, 在先进照明理论指导下, 在大量实验基础上进行的自主型应用研发。多 维道路照明系统不是对现行道路照明方式的改 进与修正, 而是道路照明方式与照明设备的根本性变革。 与现有技术相比较, 本发明多维道 路照明系统具有相对完善的 10个子系统, 可以同时或选择性地提供多个维度的空间照明 , 应用涵盖高速公路、 市政道路和隧道, 具备克服传统高灯位照明方式和已有的低灯位 照明方 式存在的弊端的能力, 在解决眩光、 无效照明和纵向均匀度差等问题、 显著提高照明效率、 大幅度降低能耗的同时, 具有良好的道路照明光度学特性, 极高的性价比, 表现出明显的先 进性。 多维道路照明系统既可用于新建道路照明, 也可用于现有路灯系统的改造。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已, 并不用以限制本发明, 凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等, 均应包含在本发明的保护范围之内。