路面反射系数对LED道路配光的影响及其优化研究

关烨锋，陈泳竹

（1.广东顺德创新设计研究院，广东 佛山 528311；2.广东技术师范学院机电学院，广东 广州 510635）

路面反射系数对LED道路配光的影响及其优化研究

关烨锋1，陈泳竹2

（1.广东顺德创新设计研究院，广东 佛山 528311；2.广东技术师范学院机电学院，广东 广州 510635）

本文从路面材质的角度，分析了不同路面反射系数对道路照明中路面亮度的影响.从理论上分析了路面镜面系数的分类及其影响因素，并针对不同镜面系数的路面，分析了蝙蝠型和扇形配光曲线的照明效果.道路模拟结果表明，扇形的偏光型配光曲线比传统的蝙蝠型具有更高的路面亮度均匀性，更能适合不同反射系数的道路.

LED；路面材质；配光曲线；路面反射；亮度

1 引言

一个理想的路灯LED配光，不仅为驾驶员提供安全的道路环境，还为行人提供足够的照明条件，以及防止光污染.然而，目前我国道路照明设计水平还有待提高，有相当一部分技术和管理人员并没有严格按照国际照明委员会推荐的方法进行.尤其是关系到驾驶员安全的亮度因素，在行业内还没形成共识，在缺乏亮度计算和测量条件的情况下，大部分道路照明建设和改造工程至今还停留在以照度均匀性为主的设计和验收标准上.

城市道路照明设计的是确保城市道路照明为各种车辆的驾驶人员以及行人创造良好的视觉环境，达到保障交通安全，提高交通运输效率和方便人民生活［1］.由于驾驶员眼睛直接感受到的是路面亮度而不是照度，因此目前世界上大多数国家都是以亮度为依据制定道路照明标准.驾驶员感受到的路面亮度由灯具的发光分布（配光曲线）［2］和路面本身的反射特性（即亮度系数）决定，因此道路照明设计除了考虑灯杆高度、间距和车道数等基本参数，还要考虑路面情况.

路面的反射特性取决于所铺设的材料、路面的干、湿和材料磨损程度，也就是说，同样得到1cd/m2的平均亮度所需要的平均照度在各种路面上是不一样的.例如，道路经过一定的使用年限后，路面变得光滑，路面反射系数会增加［3］；另外，我国大部分地方属于亚热带季风气候，东南沿海地区的道路经常铺上一层雨水，这极大地改变了路面的反射系数［4］.因此，道路配光设计要从使用时间和特定使用环境上考虑路面反射特性的变化.

2 路面亮度系数

灯具发出的光经路面漫反射后，被人眼感觉而形成路面亮度.漫反射是投射在粗糙表面（如路面）后，光向各个方向反射的现象.漫反射属于光与材料相互作用的物理现象，它不仅与材料的特性有关，还与入射角度、入射点位置和入射光光谱等参数有关.反射可分为镜面反射、朗伯漫反射和介于前两者之间的复合漫反射，而现实中的道路材质大多属于复合漫反射，如图1所示.

对于道路照明，路面的反射特性通常用亮度系数q表示，并通过照度E可求得亮度［2］：

dL（α，β，γ）=q（α，β，γ）·dE（α，β，γ）（1）

q（α，β，γ）表示观察员在α方向上，观察者到路面上某点的亮度和该点的水平照度之比.其中β为光的入射平面和观察平面之间的角度，γ为入射光线的垂直角，如图2所示.从式子（1）看出，路面亮度首先要测量路面的照度，使用起来方便.由于照度E与光强I之间存在如下转换关系：

由此可得

其中I（α，β，γ）为灯具配光曲线的光强分布，H为灯具安装高度.由于驾驶员的观察角度范围通常在0.5o～1.5o，因此通常用α=1°.通过引入简化亮度系数r来表征路面的反射特性，只能知道灯具的配光曲线，就可以通过查看r（β，γ）即可推算出路面的亮度值.国际照明委员会CIE根据镜面反射系数S1的范围把路面分为两类或者四类［5］，其中

对于每一类路面，选定一个特征反射系数，并制作出用于计算路面亮度的R-Tables(Reflection Tables)［6］.

3 路面反射系数对亮度的影响

基于前面对应用技术型高校青年教师的现状分析，结合应用技术型高校的人才培养目标、办学定位、办学理念、办学模式以及办学规律，本文就应用技术型高校青年教师的培养提出了以下的一些措施和办法：

图1 复合漫反射

图2 确定路面亮度系数的角度

图3 R-table覆盖的平面区域

图4 观察者路面亮度值的计算示意图

国内的常用路面为C2路面，其简化亮度系数表R-Table可通过查阅照明标准获得.RTable覆盖了路灯下一定面积的区域，其中，以高度为h的灯杆为起点，向观察员方向延伸12h，远离观察员方向延伸4h，垂直于道路方向延伸3h，如图3所示.现考察宽度为10.5米（三车道）、灯杆间距为30米，灯杆高度为10米的道路照明场景.考察区域的亮度应该是道路上所有灯具在此区域上产生亮度的线性叠加，然而根据R-Tables中简化亮度系数数值与观察角度的关系，考察区域的亮度只需计算区域前方4个和后方2个灯就足够了，如图4所示.

不同的国家和地区会选取不同的R-Tables（道路类型）作为道路设计标准［7］.我国城市道路照明设计标准CJJ 45-2006中规定了水泥混凝土和沥青路面的R-Tables，它们分别对应着CIE中C1和C2.然而，CIE规定的R-Tables假定了路面是相对独立静止的，即并没有考虑路面由于老化和路面覆盖物的改变.德国科学家曾能经对沥青混凝土的路面进行长时间的亮度测试，发现镜面反射系数S1随着时间的推移呈下降趋势［3］.为了实现LED灯具配光的时效和通用性，有必要针对不同的R-Tables对灯具配光曲线进行深度优化，以满足灯具配光的稳定性和兼容性［8］.

CIE把路面分为4类，分别是R1、R2、R3和R4.其中R1路面有扩散反射光特性，如混凝土路面；R2路面有带有轻微扩散反射光特性，粗砾石的沥青混凝土路面；R3路面为带有轻微定向反射光的路面，国内城市道路的沥青路面主要属于这一种；而R4为定向反射光路面，如沥青路面因长时间被轮胎打磨而变得光滑.下面分别对两种配光曲线应该于各种路面进行照明分析.图5为典型的两种针对R1路面而设计的道路照明配光曲线图，分别为蝙蝠形配光与扇形配光.把此配光曲线也应用于其它路面R2，R3和R4，用Dialux进行道路照明模拟［9］，其结果如表1和表2所示.

图5 蝙蝠形配光与扇形配光曲线图

表2 扇形配光的道路照明模拟结果

表1 蝙蝠形配光的道路照明模拟结果

表1和表2中的Uo，UL，TI，SR和UE分别表示道路的亮度总均匀度，亮度纵向均匀度，眩光指数，周边照度系数和照度均匀度.对于陈旧的路面由于经过车辆的打磨和下压后，表面变得光滑，反射系数增大，这使得路面反射光线的方向性更强.由于在现实中，道路照明设计的验收主要是以测量路面的照度均匀度为主，使得灯具配光设计者过分追求照度均匀度而忽视了亮度均匀度［10，11］，因此出现了蝙蝠形的配光曲线.从表1和表2中可以看出，对同一配光曲线与照度相关的参数SR、UE保持不变，而与亮度相关的参数Uo，UL出现较大的变化.一般来说，R1路面（如水泥路面）的比R4（如陈旧的沥青路面）.其中，蝙蝠形的配光曲线亮度均匀度的稳定性过低而未能达到国家标准要求（国家标准要求Uo芏4.0,UL芏6.0,TI芨15）.

4 结论

路面亮度镜面系数对路面亮度的形成起至关重要的作用.在实际应用中，路面亮度镜面系数会随着使用时间和环境影响而发生变化，因此一个理想的道路灯具的配光曲线应具有能适应路面变化的镜面系数.本文从实际路面应用的角度，对比分析了蝙蝠形配光和扇形配光曲线在不同路面类型下的亮度均匀度的变化.道路照明分析结果表明，扇形配光曲线更能适应不同的路面类型，具有更加稳定的亮度均匀度.

［1］中华人民共和国行业标准.CJJ 45-2006城市道路照明设计标准［S］.中华人民共和国建设部.2006.

［2］施克孝.灯具的配光曲线及应用.演艺设备与科技［J］.2006,(01).

［3］H.W.Bodmann,H.J.SchmMt.Road surface reflection and road lighting Field investigations［S］. Lighting Res.Technol.1989,(21).

［4］吴春海，吴贵才，陈新，郑晓东.深圳市典型路面材料亮度系数的初步测量［J］.照明工程学报.2012, (06).

［5］国际标准.CIE 140-2000Road_Lighting_Calculations［S］. 2006.

［6］陈仲林，冷御寒.道路照明计算.灯与照明［J］.2001, (4).

［7］王巍，葛爱明，邱鹏，王俊伟，蔡金林.基于路面亮度系数表的路灯配光优化及透镜设计［J］.照明工程学报.2013(02)

［8］邹吉平，李丽.基于R_Table的LED道路照明配光研究与设计.海峡两岸第十八届照明科技与营销研讨会［C］.2011

［9］李翊君.DIALux软件在道路照明设计中的应用.城市道桥与防洪.2013(02)

［10］邹吉平，李丽，解全花，李志业，王俊.LED道路照明灯具配光设计的误区分析——照度均匀性并非亮度均匀性［J］.照明工程学报.2009(S1)

［11］黄瑞彬，程彦刚，梁建冬，农文捷，古念松.LED路灯的配光设计与照明计算.2013年中国照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛论文集［C］.2013.

［责任编辑：王晓军］

Research of Im pact to the LED Road Light Distribution by the Reflection Coefficient of Road Surface

GUAN Ye-feng1，CHEN Yong-zhu2
（1.Guangdong Shunde Industrial Design Institute,Foshan,528311;2.Schoolof Mechatronic Engineering, Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou,510635）

The impact to the road lighting by the road reflection coefficient is analyzed by the texture of road surface.The classification of road surface coefficient and its influence factor are theoretically analyzed.According to differentmirror coefficient of road surface,lighting effects of bat-style and fan-style light distribution curves are analyzed.Simulation results of road lighting show that fan-style light distribution curve has higher brightness uniformity than that the bat-style,and it ismore suitable for the roadswith different reflection coefficient.

LED;Texture of road surface;Light distribution curves;Reflection of road surface;Brightness

TM 923

A

1672-402X（2016）02-0033-04

10.13408/j.cnki.gjsxb.2016.02.007

2015-11-20

国家863计划（No.2013AA03A106）；国家自然科学基金面上项目（No.61475038）.

关烨锋（1986-），男，广东广州人，广东顺德创新设计研究院工程师.研究方向：照明与光学系统设计.