地下道路中的新型导光系统

刘兵

（重庆交通大学交通运输学院，重庆402247）

地下道路中的新型导光系统

刘兵

（重庆交通大学交通运输学院，重庆402247）

该文主要分析了以导光材料为基础的新型地下道路照明系统。通过对地下道路的行车环境以及路况的分析，在基于行车安全的条件下，给出了在一定行车速度和道路长度下，所需照明仪器设备的数量。根据当下LED灯的广泛使用和当前导光材料在照明方面的运用技术成熟的条件，分析了如何利用LED灯和光纤材料实现在地下道路中夜间照明的可行性。

地下道路井；石英光纤；LED灯；绿色环保

0　前言

在地下道路的使用过程中，如果地下道路的灯光设计不合理或者仅仅依靠道路进出口的通光半径的设计，不能有效解决司机的视觉疲劳，而且可能导致交通事故。目前大多数的地下道路或隧道所使用的灯光系统的能量来源主要依靠电能，所消耗的电量经济成本很大，为了节约地下道路等基础设施能耗使用成本，利用环保经济和被广泛使用的太阳能作为能量来源，将会有效地解决其使用成本问题。这种由以LED灯和太阳光作为光源的光纤导光系统能够使城市交通更低碳、经济和环保。

1　灯光照明系统介绍

这种新型的地下道路的灯光照明系统主要由地下道路井、太阳跟踪控制系统、聚光器、光纤以及LED灯组成，其工作流程图见图1。它能够有效利用太阳光解决白天地下道路的灯光照明问题和利用以LED等所制成的地面路灯作为光源发射器，然后依靠光纤的导光系统为地下道路提供照明条件。这种系统能够有效减少地下供电照明系统所带来的经济成本，又能够为在地下道路中行驶的车辆提供优质的照明环境。

地下道路井的建立主要是为地下照明系统的光纤布置提供通道，建立在地下道路的顶部与外界相连的通风装置。在利用石英光纤导光过程中，依据光纤材料自身的折射率，光照强度会随着距离的增加而不断变弱，不利于长距离的地下道路的照明。所以可以根据太阳光强度在传导过程的衰减规律，按照一定距离的划分设置地下道路井的数量和对其位置的选择。地下道路井的井口处可以安装太阳跟踪控制器系统和聚光器等装置完成太阳的聚集和光导纤维的接收过程。

太阳跟踪控制系统主要依靠GPS接收器接收所属地的经纬度和时间信息，将信息传输到控制芯片并计算出太阳的高度角和方位角，然后通过计算机控制平台进行调整具体方位，从而保证聚集更大强度的太阳光，以便为地下道路提供足够的光照强度。

聚光器的主要作用是聚集太阳光线，将平行射入的大面积太阳光通过折射或者反射作用聚成一个小面积的光斑，从而提高光的能量密度，增加单位面积上的光线数量。用聚光比来反映聚光能力，聚光比越高，聚光器的聚光性能也就越好，聚焦后所形成的光斑就会越小。

出于对材料的导光性能的比较和经济成本以及在光传导过程中的传输效率等方面的考虑，选用市场已经出现的石英多模光纤，光纤的数值孔径为1mm，在可见光范围内光纤的衰减为20db/km。石英光纤是一种高折射率的纯石英玻璃材料，具有孔径大、机械强度高、弯曲性能好和很容易与光耦合等优点，在其产品化和商业化之后其成本较低，使用技术比较成熟，控制精度高，灵活性强，便于数据的采集和分析。

在这种新型地下道路照明系统中，LED灯的使用主要是为了在夜间提供强度相对较强的光照，供给地下道路的夜间照明。LED灯的数量和安装的位置由地下道路井的位置和数量决定，它一方面可以为地面车辆或行人提供照明，另一方面能够提供足够的光线通过聚光器收集和光纤的传导，供给地下道路所需照明的光照强度。因为汽车在夜间行驶的过程中不会由于外界与地下道路的光照强度问题造成“白洞效应”和“黑洞效应”，而且汽车在地下道路夜间行驶的过程中也会有车身自带的照明系统，所以只要合理选择和使用LED灯，就可以供给地下车辆在行驶过程中所需要的亮度。

2　对相邻地下道路井之间距离的讨论

将隧道分为五段，分别为入口段、过渡段、基本段、过渡段、出口段。由于每一阶段的照明光线强度要求和标准不一样，所以在地下道路的照明系统中宜采取分段式照明，根据照明强度的标准进行光纤照明系统的布置和对太阳跟踪系统中的聚光器的个数设置，可以减少经济成本，也更有利于与实际情况相吻合。而对于相邻地下道路井之间的距离也与地下照明强度标准有关。本文以地下道路的入口段和过渡段进行分析，其他路段的分析原理相同。

2.1光纤传输效率分析

根据光纤的传输效率公式：φ=10-0.0021，其中l为光纤的长度，单位为m。则可得出不同距离长度光纤的传输效率，如表1。

表1　光纤传输效率随长度的变化

设光纤的输入端所接收的光通量为φ0，则可得到各个光纤长度的位置经传输后的光度，如表2。

表2　各个长度段所接收的光通量

根据光通量Φ与光强度l之间的关系可知，光通量越大其光强度越大。而对于地下道路来说采取分段式照明系统中每段的照明标准不一样，就可以对其光纤照明系统中的光纤耦合率和单个系统所需光纤的长度进行相应的设计，满足每段道路的照明要求。

2.2分段式照明的标准

根据照明设计规范，用Dth表示入口段的长度，用Lth表示入口段前D所需要的亮度，则入口段的后D的亮度为ththLth，各段所需的亮度与道路外亮度之间的关系为Lth=kL20，其中L20表示道路外的亮度值，k为折减系数，取0.375。过渡段1、2、3部分的亮度标准值与入口段的亮度值之间的关系如下：

Ltr1=0.3Lth

Ltr2=0.1Lth

Ltr3=0.035Lth

由上几式可得过渡段与道路外亮度的比值K1，见表3。

表3　过渡段与外界亮度比值K1

假设平均亮度与平均照度按照沥青路面的关系为151x/cd· m^（-2），光通量φ、光强度E、光亮度L之间的转化关系如下：

E=15L

E=φS

其中S表示光纤输出端在地面的光照面积。

根据上面几式可得地下道路中入口段和过渡段所需设计标准的光强度值E，同时可得到光纤传输到地下道路中的光强度值，见表4。

表4　各段所需的光强度值

为了满足地下道路中光强度的标准，光纤输出端的光强度值应该大于或者等于各段所需要的强度标准，根据上面的推导，在光纤长度为l的情况下可得到下面几个不等式：

入口段1：10-0.0021Sφ0＞=5.625L

入口段2：10-0.0021Sφ0＞=2.8125L

过渡段1：10-0.0021Sφ0＞=1.6875L

过渡段2：10-0.0021Sφ0＞=0.5625L

过渡段3：10-0.0021Sφ0＞=0.1969L

若将光纤的耦合效率定为50%，根据了解目前使用的太阳能定位系统的转化效率能够达到这个值，由于其光纤在地面的光照面积S与一个系统中透镜个数有关，透镜数目越多，传导在地面的受光面积越大，所以只要合适的透镜数目就可以确定各段所需的光纤长度，从而确定地下道路井的位置和数目分配，其具体的工作原理图如图2。

图2　白天照明系统工作原理图

3　如何利用LED灯与光纤导管系统实现夜间照明

汽车在地下道路的夜间行驶过程中不会受到外界与内部的光线强弱的影响，而且汽车都会有自身的照明灯，所以在夜间由地下道路的灯光系统所提供的光线并不需要多大。城市的地面道路都会设计夜间的照明系统，所以在夜间可以将地下道路和路面道路的照明系统相结合，供给地下道路中的照明。这种系统能够有效节约能源的消耗，降低城市基础设施使用的成本。

这种照明系统主要由以LED灯制成的地面路灯作为光源，光源接收器和光导纤维组成，如图3。而光源接收器可以利用太阳光接收系统实现，所以这种照明系统只要根据夜间地下道路照明的标准，合理的选择LED灯的功率，在理论上就可以实现夜间照明。这种设计能够有效减少城市交通的能源消耗和利于地下道路中照明设施的维修和检测，实现了地下道路和地面道路的照明系统的一体化。

图3　夜间照明系统

4　结语

由于地下照明系统的设计与机动车辆在地下道路行驶的时间和道路的设计车速有直接关系，所以这种新型的地下道路导光系统只能够用于单向行驶的道路。从建设成本方面考虑，其道路长度应该设计在500m及其以上，才能够体现出这种照明系统的优越性。在夜间照明系统中，通过LED灯作为光源达到了地面道路与地下道路照明系统的一体化，所以这种照明系统的使用也仅限于城市地下道路，包括城市隧道、下穿道。

无论是从建设经济成本，还是从环保、绿色的角度出发，这种以太阳光为光源的白天照明和以LED灯为光源的夜间照明都是行之有效的措施。这种新型的地下照明系统也有效地避免了传统的固定式照明方式，它能够根据外界光线的强度作出相应的光强度调整，通过采用分段式照明有效地节约了建设的经济成本。对于夜间的照明系统来说，能够实现地下道路和地面道路的照明系统一体化，极大地减少了能源消耗，节约了公共照明的电能消耗。在当下绿色健康城市发展的前提下，这种新型的照明系统对地下道路的节能减排来说是一项重要的举措之一。

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责任编辑：孙苏，李红

New Light Guiding System for Underground Road

The optical material-based new light guiding system for underground road is largely analyzed.According to the analysis on the underground driving environment and road situations，and based on the precondition of safe driving，the number of lighting equipment is given based on the conditions of a certain vehicle speed and road length.Given that the LED lights are being widely adopted and the technological application of light guiding materials in lighting is quite mature，the paper analyzes the feasibility of underground night lighting with LED lights and fiber optic materials.

underground road well；silica fiber；LED lights；green environmental protection

U453.7

A

1671-9107（2016）09-0021-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.09.021

2016-05-09

刘兵（1997-），男，重庆人，本科，研究方向为交通工程。