隧道照明的节能配光设计与实现

赖 伟，陈伟民，刘显明，雷小华

（重庆大学a.光电技术及系统教育部重点实验室；b.光电工程学院，重庆 400044）

0 引言

城市隧道照明的最终目的是为驾驶员或行人提供安全舒适的视看环境，并在此前提下尽可能减少无效照明，实现灯具最大程度的节能。在隧道照明灯具安装条件确定的情况下，隧道照明的质量与照明系统节能取决于灯具配光性能，即空间光分布。因此，优化隧道灯具的光分布，使之既能满足驾驶员视觉需求，又能减少无效照明，实现照明节能，是未来隧道照明技术的发展趋势。

隧道照明相比于道路照明更为复杂，隧道为一种特殊的管状构造物，与洞外明亮宽敞的道路不同，车辆白天进出隧道是一个从明亮进入黑洞，又从黑洞走向明亮的过程，在这个过程中存在几个特殊的视觉问题。车辆白天进入隧道，在隧道入口会出现“黑洞效应”；进入隧道后，驾驶员需要一定时间才能适应隧道内部的光环境，出现“适应滞后现象”；在隧道出口处，由于洞外亮度极高，在出口处出现“白洞效应”。为了克服这几种特殊的视觉问题，根据国家隧道照明标准JTJ 026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》的要求，将隧道分为接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段，不同区段对应着不同的设计指标。此外，除了隧道路面的亮度、均匀度以及眩光等照明指标需要满足规范要求，两侧2 m 以下的墙面亮度和均匀度也有相应的指标要求，因此相比于道路照明，隧道照明从平面照明转为了立体照明，照明灯具的配光设计更为复杂，难度更大。

在目前隧道照明中，LED（发光二极管）光源具有定向发光，使用寿命长，功耗低，绿色环保等优势，正逐步替代传统高压钠灯光源，广泛应用于隧道照明。由于LED 光源的朗伯特性，不能直接应用于隧道照明，需要设计光学系统对其空间光分布进行重新分配。那么，设计后的配光曲线需要达到何种形式才能既满足驾驶员的视觉需求，又能实现灯具最大程度的节能，以及如何根据得到的最优化配光曲线来指导和实现LED 光源光学系统的设计，使之达到最优的隧道照明效果，是进行LED 隧道灯具设计与开发亟需解决的关键问题。

1 隧道照明灯具节能化光分布设计研究

1.1 隧道照明规范

国家隧道照明标准JTJ 026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》将隧道照明分为如图1 所示的接近段照明、入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明等，不同区段对应着不同的设计指标。

隧道照明除了满足路面的亮度值要求外，还需要路面具有良好的整体亮度均匀性和纵向亮度均匀性，为防止隧道光源局部过高的亮度引起人眼不适或降低人眼对观察目标的能力，JTJ 026.1—1999 对眩光也进行了限制。此外，该规范对墙面照明也提出了相应的要求，规定隧道两侧2 m 以下的墙面亮度不低于路面亮度的60%，同时亮度均匀度不低于0.4。

图1 隧道照明不同区段划分

1.2 隧道灯具最优化配光曲线模型建立

在进行隧道照明灯具设计时，灯具的最终照明效果需要满足隧道路面和墙面的照明指标要求，在此基础上，尽可能使其光线投射到隧道路面以及2 m 以下墙面的区域，减少其他区域的无效照明光线。灯具的总输出光线可以用灯具的总输出光通量来衡量，满足隧道照明标准所需的灯具总输出光通量最少，即可认为灯具的配光曲线为最节能设计。隧道灯具配光设计时，需要达到的目标和满足的约束条件如表1 所示。

表1 灯具节能配光设计时满足的目标函数和约束条件

目标函数为LED 隧道灯的总输出光通量，其中I（C，γ）表示配光曲线即空间光分布。而当LED 隧道灯安装条件如布灯高度、布灯间距，以及隧道路况信息如道路宽度、路面材质等确定后，平均亮度Lav、亮度均匀度U0、亮度纵向均匀度UL、眩光阈值TI、墙面平均亮度Lav.Wall、墙面亮度总均匀度U0.wall等照明质量评价指标均可以通过CIE 140—2000《Road Lighting Calculations》中的计算公式来确定，这些指标都为配光曲线I（C，γ）的函数。该最优化模型的求解思路即为逆向设计方法，利用LED 隧道灯的安装条件和道路宽度、路面材质的反射特性以及驾驶员的视觉光环境需求来反求灯具最节能的配光曲线I（C，γ）。

1.3 模型求解以及最优化配光曲线设计

隧道中间段相比于其他区段，灯具排布间隔大，其配光设计最为复杂，以隧道中间段为例，来进行灯具的最优化配光设计。上述最优化模型是利用一系列的I（C，γ）确定LED 隧道灯的配光性能，设置足够大的光通量计算区域，并对该区域进行网格细分。利用Matlab 计算出在某种特定灯具安装和路况条件下的照明指标值，再利用优化工具箱得到配光曲线I（C，γ）的最优解。灯具安装条件为双车道7.5 m，沥青路面，隧道中间单排布灯，布灯高度5.5 m，布灯间距18 m。其最优的配光曲线如图2 所示。

图2 隧道中间段最优化配光曲线

2 基于最优化配光曲线LED 隧道灯自由曲面光学系统设计

自由曲面设计法是构建折射或者反射表面的数学模型并结合能量守恒原理，得到一系列关于光源和理想照度分布的偏微分方程，通过求解方程确定一系列光学表面，最终组合成自由曲面的三维表面结构。如图3 所示，LED 光源S 位于坐标原点为入射光线的单位向量为折射光线的单位向量为自由曲面表面P 点的单位法向量。

根据P 点处的斯涅尔定律，入射光线、折射光线和法向量可以表述为

式中:n——透镜的折射率。

假设光源发出的光能与入射到目标面上的光能相等，根据能量守恒定律，有

式中:I（C′，γ′）——LED 光源在（C′，γ′）的光强分布；

Ω——光源发出光线的立体角范围；

E（P）——目标面上P处的照度分布；

D——照度分布的范围。

利用划分网格法（图3 所示）和变量分离思路对（2）式进行简化:

图3 自由曲面折射示意图

进一步得到:

自由曲面上的坐标（u，v）均为目标面照度分布E（x，y）的函数，在获得最优化配光曲线后，其在目标面的照度分布E（x，y）即可获得，再根据公式（5），即可得到自由曲面透镜的形貌，如图4 所示。

图4 最优化配光曲线对应的自由曲面

单个光学模组设计完成后，多个排列组合成LED隧道灯灯具，芯片选用Cree 1 W 大功率芯片，共100颗灯珠，LED 隧道灯总光通量为10 588 lm。

3 隧道照明效果的节能比较

选取了某知名企业已投入使用的隧道灯LED-120-SS进行仿真计算比较，其总功率为120 W，总输出光通量为12 000 lm，配光曲线如图5 所示。灯具在隧道中安装条件与理论计算时采用的一致，即中间单排布灯，布灯高度5.5 m，布灯间距18 m。

图5 某LED 隧道灯配光曲线

此方法设计的LED 隧道灯与LED-120-SS 的隧道路面照明效果如图6 所示。

从图6 可以看出，文中设计的LED 隧道灯的路面亮度分布比LED-120-SS 更均匀，更有利于驾驶员的行车安全和行车舒适性。此外，为了达到相同的路面平均亮度，本文设计的LED 隧道灯所需的灯具总光通量为10 588 lm，而LED-120-SS 隧道灯需要12 000 lm，节能约12%。

图6 两种不同LED 隧道灯路面照明效果

4 小 结

LED 隧道灯具的配光设计是一个直接关系其照明质量和节能效果的关键环节。在满足驾驶员视觉需求前提下，最大程度减少无效照明，实现灯具的照明节能，是LED 隧道灯开发与设计的基本要求。笔者根据具体隧道区段、灯具安装条件以及照明指标需求，优化节能配光曲线，在此基础上，利用变量分离原理，实现了最优配光曲线时LED 隧道灯具自由曲面光学系统设计。相比现有的LED 隧道灯，能显著改善隧道内的光环境质量，且灯具节能12%以上。按照这种思路进行LED 隧道灯的设计是从隧道照明的本质出发，从驾驶员的视觉需求出发，并遵照节能环保的宗旨，因此能真正促进LED 道路照明行业的健康快速发展，并产生更多的社会效益和经济效益。

［1］中华人民共和国交通部.JTJ 026.1—1999 公路隧道通风照明设计规范［S］.1999

［2］赖伟，陈伟民，刘显明，等，自由曲面光学系统设计中目标面照度分布的优化［J］.照明工程学报，2011，22（6）

［3］International Commission on Illumination.CIE 140—2000.Road Lighting Calculations［S］.Vienna:CIE publication，2000

［4］Angel Pachamanov，Dessislava Pachamanova.Optimization of the light distribution of luminaries for tunnel and street lighting［J］.Engineering Optimization，2008，40（1）

［5］Zexin Feng，Yi Luo.Design of LED freeform optical system for road lighting with high luminance/illuminance ratio［J］.Optics Express，2010，18（21）