LED隧道照明的优化

邓云塘

(飞利浦 (中国)投资有限公司，上海 201801)

1 前言

这几年，随着国家高速公路的飞速建设和城市范围的扩张，公路穿山隧道和城市水底隧道大量涌现，隧道照明的需求持续上升。同时，这几年也是LED、Cosmo和无极灯等新型照明技术出现和在道路照明领域应用蓬勃发展的时间，隧道因为其每天24小时持续照明的特点，对新型节能照明的渴求尤为强烈，出现了大量使用有别于传统高压钠灯和荧光灯的隧道照明项目，其中LED最受青睐，仅2010年就有10万盏LED隧道灯应用于中国隧道，并都宣称取得了良好的社会和经济效应。但照明行业内部人士从专业角度去评价这些应用时却在许多项目上发现了一些照明质量上的问题，其中主要集中在亮度水平和亮度均匀度不能达标，其次就是闪烁频率位于不舒适区间。本文希望在坚守隧道照明规范的前提下，分析几种LED隧道照明配光的优劣。

2 隧道照明规范

绝大部分隧道的使用者是机动车辆驾驶员，因此隧道照明规范的根本出发点是驾驶员的视觉功效，视觉功效主要由对小目标的探测能力和反应时间来衡量，而这两者与背景 (路面和墙面)亮度和亮度的均匀度直接相关，同时照明光源产生的眩光也会对此有影响。除此之外，如果车道纵向均匀度不佳，或车辆每秒行驶经过的灯具数量造成的闪烁频率不合理，会造成驾驶员的不舒适，也会影响驾驶行为。因此，隧道照明规范的核心指标是如下几个:

(1)路面平均亮度Lav:路面各点在照明设备寿命期内最小维持亮度的平均值，取决于灯具的配光分布和光源的光通量、安装条件、路面反射特性。该值的高低主要取决于隧道交通量和设计车速 (内部基本段)，也与隧道洞外亮度相关 (入口和过渡段)。

(2)路面亮度均匀度Uo:路面最小亮度与平均亮度的比值，要根据CIE140—2000的方法计算。该指标对控制路面最小可见度很重要。规范［2］要求大于0.4(高交通流量)或0.3(低交通流量);而CIE［5］建议大于 0.4。

(3)车道纵向均匀度Ul:是平行于道路走向的一条或几条线上 (车道中心线)的最小亮度与最大亮度的比值，要根据CIE140—2000的方法计算。该指标主要与舒适度有关，目的是防止路上明暗交错的斑马纹过于明显，仅适用于连续的长隧道。规范［2］要求大于0.6～0.7(高交通流量)或0.5(低交通流量);CIE［5］建议大于 0.6。

(4)失能眩光TI:是衡量由于道路照明灯具眩光源引起的可见度降低的一个指标，其含义是基于要达到没有眩光的同样的可见度 (也就是说，观察者不受灯具本身眩光的影响)，在有失能眩光的情况下需要增加的亮度百分比。规范［2］对此没有定量要求，但CIE［5］有明确规定，在除出口外的隧道各区段，失能眩光不得大于15%。从视觉功效的照明本质出发，应该考虑该指标。现在也有从业者把隧道当成室内照明应用，用UGR指标来考量LED隧道照明的眩光高低，笔者认为在CIE有明确定义隧道照明眩光指标是TI的情况下，遵循CIE的规定更为妥当。

(5)闪烁频率F:车辆每秒经过的灯具数量，即车速 (m/s)除以灯具间隔 (m，两个相邻灯具的光中心距离)，单位为Hz。规范［2］要求闪烁频率应大于15Hz或小于2.5Hz，CIE［5］同时建议对于行驶时间超过20s的隧道，应避免闪烁频率位于4～11Hz之间。

(6)2m墙面亮度Lw:从路面往上2m范围内的墙面平均亮度。规范［2］要求2m墙面平均亮度不低于该路段路面亮度，CIE［5］建议不低于路面亮度的60%，同时2m墙面亮度均匀度不低于0.4。

成功的隧道照明项目应同时满足上述所有照明指标达到规范要求。

3 LED隧道照明的现状分析

LED由于其理论上高效、长寿、可靠等特性，非常吸引隧道业主，因而应用日趋广泛。但我们同时也看到，由于行业水平参差不齐，也有大量并不科学规范的LED隧道照明出现。笔者调查考察了国内的几条应用LED照明的隧道，发现普遍存在照明指标不达标的情况，其中有些是运营方为节能减少开灯的原因造成的，但本质上还是灯具光学设计或项目应用设计的不足。

图1为一条在考察前8个月通车的高速公路隧道，该高速公路设计时速 100km/h，隧道时速80km/h，即使按低交通流量考虑，规范要求隧道内部基本照明平均亮度也应该不低于2cd/m2，但实测平均亮度约1.52cd/m2，平均照度约28 lux。可以想象如果到灯具寿命结束，光衰不可避免，整体亮度值还会有明显的下降。路面亮度均匀度和车道纵向均匀度从照片看明显不达标。之所以有这样的问题，有灯具间隔开关的原因，但如果全部开启，灯具间隔约6m，闪烁频率为3.7Hz，也有不妥。

图2 为一条国道公路隧道，灯具安装间距9m，照片效果为间隔式开关灯，即亮灯间距18m，实测平均亮度0.65cd/m2，平均照度16 lux(新铺沥青路面，亮度系数低)。图3是所有灯具全开的效果，即使如此，仍能看到非常明显的斑马效应，特别是墙壁照明。

这两个隧道照明的配光都属于使用反射器的短或中投射矩形配光。

图2

图3

许多LED的厂商在推荐产品的时候，总是用视觉理论来强调白光在道路照明应用相对传统钠灯黄光的高效节能，动辄宣称同样照度下白光的亮度是黄光的两倍甚至4倍，降低LED照明应用的照度从而用低瓦数LED灯具与高瓦数钠灯比较来讲节能的故事。但如果仔细阅读最新的《基于视觉功效的中间视觉光度测试推荐系统 CIE191:2010》［1］，无论是MOVE系统，还是MES1或MES2系统，在隧道照明亮度水平下 (高速公路隧道大于2cd/m2，城市隧道或普通公路隧道大于1.5cd/m2)，即使是S/P达到2.95的日光色白光，中间视觉效应对白光的贡献最多也不超过20%(对应亮度水平:1.5cd/m2)。因此，人眼的中间视觉特性并不能成为LED节能爬高的杆，不是大幅度降低照度的理由。

改变LED隧道照明现状的乱象必须严抓照明应用规范，从产品开发和应用设计着手，真正实现LED在隧道照明领域的有效节能，并降低在灯具寿命期内用户的使用成本。

4 LED隧道照明的优化思路

LED隧道照明的思路主要指灯具配光形式设计和项目照明应用设计，这两者其实密切相关，可一并讨论。

由于亮度测试的困难，国内道路 (含隧道)项目大多仍简单采用平均照度和照度均匀度来衡量照明质量优劣，这也直接导致一些LED隧道灯具厂商在开发产品时并不重视隧道照明规范中对亮度相关指标的要求，以达到平均照度和最好的照度均匀度为出发点来进行配光设计，其中也有实现照度均匀度比实现亮度均匀度简单得多的原因，市场上因此大量充斥小投射角的矩形和蝙蝠翼配光的LED隧道灯和路灯。这些灯具应用于隧道和道路照明，测试能实现很高的照度均匀度 (有的甚至达到总体照度均匀度大于0.8，纵向照度均匀度超过0.9，参见［3］)，近看也有很高的亮度均匀度，但如果从驾驶员视角 (60～160米远处)观察则会在灯具下端地面有明显的暗区，而这恰恰是驾驶员视觉功效所忌讳的，也是隧道照明规范所不允许的。

事实上，由于路面的点照度仅与灯具对该点投射的光强和投射角度、投射距离有关，亮度除此之外还与该点路面在观察方向上的反射特性密切相关，而路面反射特性在各个方向上差别非常大，在实际安装应用中，计算照度仅需考虑路面走向四倍安装高度范围内的灯具就已经有很好的准确性，但计算亮度则要考虑观察点后方四倍安装高度和观察点前方12倍安装高度范围内的灯具贡献，因此往往最好的照度均匀度反而不能实现理想的亮度均匀度。

正确的隧道照明灯具配光设计思路可参考文章［4］的思路，而且隧道灯的配光相对路灯来说更简单，本文不做配光设计的详细讨论，只是在都能实现规范各照明指标的前提下谈小投射角度和大投射角度 (短投射和长投射)的LED隧道灯应用的比较。

对称的矩形配光不适合普通道路照明，但在隧道照明应用可以满足照明需求，还能实现较好的路面利用效率。然而，在隧道走向上的投射角度大小，最终会影响整个隧道照明的初始投资和运营成本。

首先，短投射LED隧道灯具注定在应用时安装间距较小，与长投射LED隧道灯具相比，达到同样的平均亮度，单灯光通量和单灯功率都更小，但整个隧道安装的灯具数量更多，在故障率一样的情况下故障绝对数字会大幅上升，从而造成维护成本的增加;灯具数量的增加同时意味着初始投资的灯具总成本、安装的人工和材料成本的增加。其次，一般而言功率小的LED隧道灯具的电源效率会比大功率的低 (除非使用合适功率的LED电源)，所以隧道照明的总功率会相对较高;第三，由于投射角小，缺少路面反射特性决定的大角度投射光线对亮度的的贡献，要达到与长投射灯具照明同样的路面亮度，短投射灯具需要更多的总光通量，这也意味着更高的总功率。如果用照明计算软件模拟，会发现同一条隧道用不同配光灯具实现同样平均亮度的照明总功率的显著差别。短投射灯具照明隧道总功率的上升，意味着用电量和电费的增加。

所以使用短投射LED隧道灯会较大幅度的增加业主的初始投资成本和后期运营的维护成本及电费支出，即业主总使用成本 (TCOO)的每一构成部分都会有负面影响。而总功率的增加自然会加大隧道路面的照明功率密度 (LPD)，不利于发挥LED的节能潜力。

两种投射类型的LED隧道灯都可以在外形上加工成线条型或矩形，前者具有相对好的视觉诱导性，某种程度上还可以避免不舒适的闪烁频率，但如果严格按照规范［5］，只有近乎连续光带的照明 (相邻灯具头尾之间的距离小于灯具长度)才不受闪烁频率的限制，所以事实上线条型灯具也很难满足规范在此方面的要求。所以最合理的办法是加大灯具间距，使闪烁频率小于2.5Hz，而这是短投射灯具做不到的。

飞利浦BWP350隧道灯一改最初的线条型反射短投射配光设计，通过每颗芯片一个专业透镜实现隧道照明的长投射配光特性，系统光效达到90lm/w和100lm/w，模组化的结构设计允许现场更换芯片模组和电源，整灯IP66的防护等级结合良好的散热设计实现较高的项目维护系数。以下例高速公路隧道，通过照明软件模拟计算，来分析该灯具与其他两款灯具的应用结果，可以验证前述长短投射隧道灯具在照明功率密度和业主总使用成本上的差别。

隧道情况:12.5m宽三车道的单向隧道，C2沥青路面，设计车速80公里，高交通流量，项目维护系数0.65，灯具安装高度5.8m，两侧对称安装，仰角根据灯具配光特点优化。规范要求平均亮度＞4.5cd/m2，路面亮度均匀度＞0.4，车道纵向均匀度＞0.7，TI＜15%，闪烁频率小于2.5Hz或大于15Hz。因为墙面材料反射率规范要求大于0.7，要达到与路面同样4.5cd/m2的亮度，2m高墙面垂直照度只需达到路面照度的1/3即可。

计算结果参见表1。

表1 不同配光隧道灯用于同一隧道的计算对比

5 结论

本文以隧道照明规范为指导，分析了国内LED隧道照明的现状，并对不同配光类型LED隧道灯应用于隧道的优劣进行了详细分析，发现类似于飞利浦BWP350的长投射隧道灯具具有更低的业主总使用成本，更小的照明功率密度，能实现更大程度的节能和投资。

［1］Recommended System for Mesopic Photometry Based on Visual Performance CIE191:2010

［2］公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1—1999

［3］朱旭，顾鑫等．上海长江隧道LED照明系统运营情况及故障分析

［4］邹吉平，王建．基于驾驶员视觉功效角度的道路照明配光方式

［5］Guide For The Lighting of Road Tunnels and Underpasses CIE088:2004 2NDEdition