LED护栏灯在隧道照明的应用研究

邵新鹏，高　尚，盖国晖，杨志强，王　莹，上官同喜

(1.山东高速科技发展集团有限公司，山东 济南　250061; 2.山东交通学院，山东 济南　250357;

3.山东高速青岛发展有限公司，山东 青岛　266061; 4.青岛鼎腾设计工程技术有限公司，山东 青岛　266103;

5. 山东大学，山东 济南　250100)



LED护栏灯在隧道照明的应用研究

邵新鹏1，高尚2，盖国晖3，杨志强4，王莹5，上官同喜4

(1.山东高速科技发展集团有限公司，山东 济南250061; 2.山东交通学院，山东 济南250357;

3.山东高速青岛发展有限公司，山东 青岛266061; 4.青岛鼎腾设计工程技术有限公司，山东 青岛266103;

5. 山东大学，山东 济南250100)

摘要：本文介绍的LED护栏灯是一种基于LED低位照明技术的新型灯具，具有能耗低、寿命长、易维护等特点，而且用于道路照明时可以很好地解决眩光问题。本文介绍了LED护栏灯的配光方式，并以四川乐自高速长山隧道为例，对比隧道照明使用高压钠灯、LED吸顶灯、LED护栏灯三种设计方案的综合效果和经济效益，结果显示，LED护栏灯无论是在照明效果、能耗、维护成本方面都明显优于目前隧道采用的高压钠灯和LED吸顶灯。

关键词：LED护栏灯；LED低位照明；隧道照明

引言

随着我国交通事业的发展，公路隧道建设变得举足轻重。由于隧道较为特殊的交通环境，隧道内部的安全显得尤为重要。根据国家公路隧道照明设计细则，长度大于200 m的高速公路隧道、一级公路隧道都应设置照明。灯具的选择和布局对于节能、亮度、均匀度等方面都有很大的影响。我国的隧道照明目前主要使用荧光灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯等传统灯具，其在能耗、寿命、维护等方面存在诸多问题，因此寻找一种节能、光衰小、寿命长、效率高的灯具变得愈发重要。

LED是一种固态半导体器件，现有LED产品主要应用于装饰、交通灯、信号灯等，同时其在道路照明方面具有诸多优势[1-3]。LED光源为固态冷光源，寿命可达50000h，与道路照明常用光源高压钠灯相比优势明显。在节能方面，具有超低功耗，高的光能利用率。且不含汞，无污染，绿色环保[4]。在2008—2009年，LED路灯开始试用时期，其芯片光源的色温较高，达到6000～6500 K以上。2010年开始出现5000 K左右的LED路灯，其光效也不停在增加。而且LED光源具有点光源的特点，因此特别适合用于定向照明，通过合理布局可以达到很高的灯具效率以及光利用率。随着LED技术的不断发展，价格的不断下降，LED光源已经完全具备了远超其他路灯的条件。目前，LED灯具在国内很多隧道工程中都有使用，比如上海长江隧道、贵州五龙山隧道、青岛胶州湾隧道、广州龙头山隧道等。但是目前使用LED进行照明的隧道，普遍采用LED吸顶灯的传统照明方式，光能利用率低，而且维修维护非常不便。

LED护栏灯则是一种基于LED低位照明技术的新型灯具，其最大的特点是将LED灯具装于隧道两侧约1.2m的高度。这样灯具与路面的距离大大缩短，提高了光能利用率，尤其是雾天等不利天气条件下的照明效果。而且由于安装高度低，大大降低了维修维护成本。同时，通过灯具的低位安装和合理配光，可以极大得降低灯具的眩光，保障道路通车安全。目前，LED护栏灯已经在青岛胶州湾跨海大桥得到成功应用，如图1所示。

图1　青岛胶州湾跨海大桥上的LED护栏灯Fig.1　LED guardrail lamps of the Jiaozhouwancross-sea bridge in Qingdao

本文将首先介绍LED护栏灯特殊配光系统的研究。继而以四川乐山至自贡段高速公路长山隧道照明为例，介绍LED护栏灯在隧道照明方面的应用价值，对高压钠灯、LED吸顶灯、LED护栏灯三种灯具在隧道中的应用效果进行仿真计算和分析，综合比较三者的照明效果，耗能和经济效益。

1LED护栏灯配光系统研究

LED护栏灯与传统灯具的最大区别是采取低位照明技术。由于灯具安装位置低，为了达到符合规范的照明效果，特别是符合规范的路面亮度和亮度的均匀度，需要对灯具的配光提出很高的要求。为了满足灯具配光的要求，我们对LED护栏灯做了非常独特的配光。常见的配光方法有透镜式和反光杯式两种，透镜配光方式将会降低光的利用率。因为二次配光透镜常用的PMMA材料(聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力)的光透过率在93%左右，相对较低；而如果采用透过率更高(97%左右)的玻璃作为透镜材料，则会大大增加透镜的加工和材料成本。另一方面，选择反光杯式配光可以实现整体式反射配光，即将多个LED灯珠发出的光作为一个整体进行配光。这种方式的好处是可以在后期任意调整LED灯珠数目，而不会破坏二次配光效果。因此，我们最终选择了利用反光杯进行配光。

在反光杯的设计之初，反射面由11个深度一致、开口宽度逐渐增加的抛物线组成。初始反光杯模型如图2所示。

图2　初始反光杯结构Fig.2　Structure of the initial reflection cup

经过光线的追迹模拟，其配光效果如图3所示。

从配光结果来看，配光效果并没有达到预期效果。首先在灯下区域集中了过多的能量，而不是把更多的光能分布到道路中间。其次，灯下区域的光通量均匀度不佳，并未形成带状配光。从初始反光杯的配光效果来看，要达到理想的配光效果确实比较困难。

经过对反光杯的不断改进和精密加工，最终版的反光杯采取了5个自由曲面组成的结构，其达到的配光效果如图4所示。

图3　初始反光杯配光效果Fig.3　light distribution of the initial reflection cup

图4　最终版反光杯的配光效果Fig.4　light distribution of the final reflection cup

从配光效果上来看，第五版反光杯实现了真正的带状配光，使光线铺展成一条条约两米宽的带状光斑，实现了光能的高效利用。最终形成的灯具配光曲线如图5所示。

图5　LED护栏灯配光曲线Fig.5　Light distribution curve of the LED guardrail lamps

从图5的配光曲线可以看出，经过二次配光，LED护栏灯的最大光强方向大约为70°角方向。灯具发出的大多数光线都射向了路面中部，只有一小部分光强射向了灯具下方的路面。图6为LED护栏灯对路面进行照明的照明效果伪色图。

图6　LED护栏灯对隧道路面的照明效果伪色图Fig.6　Pseudo-color diagram of the road illumination of LED guardrail lamps

为了展示单排和双排LED护栏灯对路面进行照明效果的对比，在图6中比较了单排和双排的照明效果的区别。其中区域1为单侧LED护栏灯照明效果，区域2为双侧LED护栏灯照明效果。从区域1可以看出，LED护栏灯的配光效果实现了“带状”配光，光能被均匀的平铺在路面的中间部分。从区域2的照明效果来看，当LED护栏灯采用双侧对称布灯时，两侧的灯具各自均匀照亮了一半宽度的路面，两测灯具完美的配合在一起，产生一个非常均匀的路面照明效果。

2LED护栏灯在隧道照明中的应用研究

我们选取四川乐自高速长山隧道作为照明设计平台，分别使用高压钠灯、LED吸顶灯、LED护栏灯对其进行照明，并比较在相同照明效果下三种照明灯具的能耗、维护费等指标。

长山隧道位于乐山自贡高速公路长山段，隧道全长5.1km，双向4车道，设计时速80km/h，隧道截面宽9m，高7.5m。每个照明段的长度如表1所示。表中给出的数据为双向车道总长。

表1　隧道各照明段长度

长山隧道照明工程的初始设计采用高压钠灯，后经重新设计，改为使用LED吸顶灯进行照明。隧道照明设计分段和各段的照明亮度标准如表2所示。

表2　长山隧道高压钠灯和LED吸顶灯的设计标准与LED护栏灯的仿真数据

表2给出了长山隧道使用高压钠灯和LED吸顶灯时各段亮度及均匀度的设计标准，同时给出了使用LED护栏灯进行照明时各段的仿真计算亮度和均匀度。可以看出，LED护栏灯通过合理的照明方案设计完全能够达到符合国家规范的路面照明效果。

在我们的照明方案中，使用了20W和14W两种功率的LED护栏灯，通过调整灯具的高度、间隔和光通量，得到符合照明设计标准的能耗最低的照明方案。图7、图8给出了中间段使用LED护栏灯进行照明的路面照明效果和照度的模拟计算结果。

图7　中间段水泥路面LED护栏灯仿真图Fig.7　Simulation diagram of LED guardrail lamps’ illumination onconcrete pavement of the middle section

图8　中间段水泥路面LED护栏灯照度模拟伪色图Fig.8　Pseudo-color diagram of LED guardrail lamps’ illumination onconcrete pavement of the middle section

在此基础上，通过计算，可以算出使用高压钠灯、LED吸顶灯、LED护栏灯达到相同的照明亮度所需要的功率密度。我们发现要达到相同的照明亮度，LED吸顶灯所需要的功率密度比高压钠灯小10%左右，而LED护栏灯所需要的功率密度，远远小于高压钠灯和LED吸顶灯，分别仅为二者的53%和62%。因此，要实现相同的照度，LED护栏灯将比高压钠灯和LED吸顶灯分别节能47%和38%，节能效果十分明显。之所以能达到如此高的节能效果，主要有以下几方面原因：

1)灯具LED芯片发光效率提高：随着LED技术的不断进步，LED芯片的发光效率逐渐提高，从最初的70～80 lm/W，发展到现在的100～120 lm/W，使得LED芯片要达到相同光通量所需要的功率越来越低。因此，要达到相同的照明亮度，所需要的功率密度也逐渐降低。

2)灯具配光方式的进步：高压钠灯由于其发光机理的限制，导致其无法进行复杂的配光，势必会导致光通量的浪费。而LED由于其发光特点，适合进行精密而复杂的配光。我们为LED护栏灯设计的反光杯的结构经过精心设计和不断改进，充分利用了LED芯片的光通量，实现了节能的效果。而且反光杯的表面和玻璃面罩都经过高标准的处理，提高了反射率和透过率，从而进一步提高了光线的利用率。

3)灯具安装高度低：由于LED护栏灯安装高度低，使得光线直接照射到路面上，减少了光线传播过程中的散射、衍射，提高了光线的利用率。

通过计算，可以得到三种灯具的年耗电量分别为135万kW·h、91万kW·h和58万kW·h。可见，同等照明亮度下，LED护栏灯的年耗电量仅为高压钠灯和LED吸顶灯的43%和64%。表3为使用三种灯具的经济效益分析。

表3　高压钠灯、LED吸顶灯、LED护栏灯

从表3中可以清楚地看到，相对于高压钠灯，采用LED护栏灯每年可节省电费70余万元。如果考虑电费、维护费、灯具成本合并而成的综合经济效益，使用LED护栏灯在灯具质保期内(约5年)相比于高压钠灯就可以实现约300万元的经济效益，20年之后，经济效益将达到约2000万元。即便是与较为先进的LED吸顶灯相比，运营20年也将产生约500万元的经济效益。

3结论

通过对LED护栏灯配光系统的研究，我们开发设计了特殊的自由曲面反光杯结构，使之在1.2m的高度上对路面的照明效果能够满足国家规范要求。同时解决了照明中的眩光问题。比较LED护栏灯、LED吸顶灯和高压钠灯三者在隧道照明中的综合经济效果，我们发现LED护栏灯降低了隧道照明能耗，延长了灯具寿命，并且降低了隧道照明灯具的维修维护成本。

因此，以LED护栏灯为代表的LED低位照明技术具有节能、耐用、易维护、防眩光等诸多传统道路照明灯具所无法比拟的优势。LED护栏灯灯具的开发和LED低位照明技术在隧道照明工程中的推广，不但提升了隧道照明效果，保障了隧道道路通车安全，而且解决了长期困扰隧道运营单位的运营成本过高的问题。这一技术的推广将显著提高我国隧道照明技术的科技含量，推动我国隧道照明技术的发展。

参考文献

[1] 许景峰. LED光源在隧道照明中的机遇与挑战 [J]. 灯与照明，2010，34(3)：31-35.

[2] 金鹏，俞春雨，周奇峰,等. LED在道路照明中的光效优势 [J]. 光学精密工程，2010，19(1)：51-55.

[3] 杨超，王志伟. LED在隧道照明工程中的应用研究 [J]. 照明工程学报，2011.22(2)：60-66.

[4] 吴金辉. LED光源在功能照明中的优势与应用 [J]. 资源节约与环保，2013，6：38.

海峡两岸第二十二届照明科技与营销研讨会在广东中山举办

2015年11月19—20日，由中国照明学会与台湾区照明灯具输出业同业公会共同主办，中山市小榄镇人民政府支持，中山市半导体照明行业协会承办的 “海峡两岸第二十二届照明科技与营销研讨会”在中山小榄镇大信皇冠假日酒店隆重召开，来自大陆和台湾地区高校、建筑设计院所、照明企业代表、专家学者150多人出席会议。

会议开幕式由中国照明学会窦林平、台湾区照明灯饰输出业同业公会李辉阳秘书长共同主持。中国照明学会理事长邴树奎，台湾区照明灯具输出业同业公会理事长林庆源、广东省科技厅高新技术与产业化处调研员云丹平，中山市委常委梁丽娴女士，小榄镇镇长林伟强先后致辞。

本次“海峡两岸照明科技与营销研讨会“的主题为“照明科技与营销“，会议形式和内容包括大会专题报告、分会场专题研讨和精品展示。

大会上有12位代表作了主题报告;上海市照明学会理事长、复旦大学电光源研究所教授俞安琪首先发表“LED蓝光的视觉危害和司辰视觉影响”演讲，他以图标分析、数据分析等形式从物理成像、生物科学等角度阐明蓝光对视觉的实质影响，他认为LED照明蓝光的视觉危害是由直接照射到眼睛的过强辐亮度造成，与光成像面积有关。

台湾伟圣国际公司董事长陈金锡作了以“运用营销策略做为国内外市场的战略布局”为主题的报告，他从传统的行销模式和互联网的行销模式展开演讲。他表示在互联网大数据时代下，传统营销模式已受到强烈冲击，由B2B转变为B2C模式;而且大环境使得跨境电商更方便、低成本地提供国外消费者商品，加上电商平台的付款和物流低成本运输费用配合，整个经营模式、多元的购买渠道、产销模式正在大洗牌，行业观念、态度和作法务必跟着改变。

三星电子中国区总经理唐国庆发表“CSP开启LED芯片与封装一体化之旅”的演讲。台湾科技大学电机系教授萧弘清作了“风光互补 LED系统整合于智能电网之经济效益评估研究”报告，评估及探讨不同地区使用风光互补LED路灯系统之优缺点及可行性;上海时代之光照明电器检测有限公司代表施晓红发表“智能灯具及其标准的现状和研究”报告，她分析了智能照明系统标准要求，认为智能灯具标准体系应包括基础(术语标准等)、组件(网关、传感器等)、通讯接口和电磁兼容;台湾工业技术研究院绿能所博士陈世溥演讲“不同电子注入材料对有机发光二极管之影响”，介绍了OLED照明市场的发展机会、OLED照明技术瓶颈和ITRI表面电浆耦合技术发展近况。

20日上午的大会报告有：中国艺术研究院穆怀恂教授的“LED影视灯具的研发要点及发展现状”;台湾科技大学胡能忠教授的“以微芯片数学运算为基础之最佳视觉智能照明”;东南大学电光源中心吕家东的“从气体放电光源到固态光源的演变”;乐雷光电有限公司的“ LED声光电智能控制系统及产品系统可靠性”;复旦大学张善端教授的“面阵LED：半导体照明的第三条应用路线”;广东聚优纵联照明产业管理有限公司吴正喆的“台湾灯饰企业进军大陆市场的路径选择”等。

分会场的专题研讨，主要内容为照明新技术与照明健康;新产品应用与市场营销，来自大陆和台湾的照明企业代表、专家学者在分会场研讨会上强强对话，针对当前行业热点话题展开激烈研讨，共同关注最新技术和产品市场动态。会议共收集论文66篇,已编辑出版论文集。分会场专题研讨会结束后，与会代表前往参观中山市鸿菊自动化设备制造有限公司，亲临国内首台自主研发SMT极速贴片机的生产车间及产品展示区，零距离交流体验先进的产品创新研发技术。

最后会议进行了热点问题对话及提问环节，中国照明学会邴树奎理事长、台湾区照明灯具输出业同业公会林庆源理事长对会议进行了总结。

海峡两岸照明科技与营销研讨会已举办20余年，论坛的举办，为两岸照明间的科技交流及加强相互了解、加深友谊，发挥了巨大的作用。今后，将会就照明科技及产业的发展，走向更加深入的交流。

Research on Applications of LED Guardrail Lamps

in Tunnels Illumination

Shao Xinpeng1，Gao Shang2，Gai Guohui3，Yang Zhiqiang4，

Wang Ying5，Shangguan Tongxi4

(1.ShandongHi-speedGroupCo.Ltd.,Jinan250061,China; 2.ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China;

3.ShandongHi-speedQingdaoDevelopmentCo.,Ltd,Qingdao266061,China;4.QingdaoDingteng

DesignCo.,Ltd,Qingdao266061,China; 5.ShandongUniversity,Jinan250100,China)

Abstract：LED guardrail lamps are developed based on the LED low-location illumination technique, which have low energy consumption, long service life and easy maintenance. They can solve the glare problem well in road illumination. This paper illustrates the light distribution of the LED guardrail lamps and compares the effect and economic benefit of the applications of HPS, LED ceiling lamps and LED guardrail lamps in the lighting of Changshan tunnel of Sichuan Highway. The results show that LED guardrail lamps are obviously better than HPS and LED ceiling lamps on illumination effect, energy cost and maintenance cost.

Key words:LED guardrail lamps; LED low-location illumination; tunnels illumination

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.021