雾霾天气情况下的智能路灯分级调控系统

田博文, 李 琼，吴晨江，张 钊，王贵红，尹春杰，戴 源

(华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

随着我国经济的发展，城市交通得到了迅速的提升，人们对城市交通的道路照明质量提出了越来越多的要求。根据国际照明委员会调查报告表明：夜间良好的道路照明至少会降低城市道路交通事故率30%，高速公路交通事故率减少30%，乡村道路交通事故率45%。而数据表明雾霾天气的交通事故率比平常多了20%，其主要原因是由于路面可见度太低造成的。近几年，Kurniawan B A、Dumont Eric 、徐何辰[1-3]等学者的研究实验表明：在雾环境下，一般情况下短波 LED 比长波 LED 更易发生散射，RY 色比 RB 色 LED 更为可见，且对于RY 色 LED，其饱和度和亮度受雾影响最小。禚宝国、韩帅[4-5]等根据车辆在雾霾下行驶的特点，人工模拟出了不同浓度的雾环境和霾环境。分析了不同环境下，LED灯具、金卤灯以及钠灯三种典型户外光源灯具的透射率，从而得出在不同浓度的雾以及不同浓度的霾中各种光源的穿透性。在前人的研究实验中，很少有人对交通事故率进行系统的分析并将其和提高路面可见度紧密联系，本实验为了降低雾霾天气情况下的交通事故率并提高雾霾天气情况下的路面可见度，分别研究LED灯的透雾性和透霾性，并通过改变现有LED路灯的色温及光照强度来改变路面可见度。本实验中的LED灯更适合于减少雾霾天气情况下的交通事故率并提高路面可见度。并且本实验利用大量数据的采集将雾霾浓度分为三个等级，使得在不同雾霾等级情况下都能有效控制路面可见度，从而降低交通事故率。

1 数据测量及采集

1.1 国标

根据表1所示，可知不同路段及不同交会区的平均照度要求，在支路、次干路等车流量较小的路段照度要求较低，一般为10LX左右；而在主干路及其交会区等，多为30LX左右[6]。这里我们主要研究主干路及其交会区的照明问题。

表1 各路段照明要求

1.2 数据测量方法

根据表1给出的各路段所需照度，利用亮度计测量在不同路段不同时间段以及不同天气情况下的流明[7]，从而改变路灯的开启，以达到表1中所示的相关路段的平均照度及所允许的最小照度均匀度为标准。本项目调试了不同色温、光类别对应不同雾霾浓度时的可见度，并在保证功效和经济效益下适合的流明数。

图1 交通测点图

本文测量了华北科技学院主路段、路段交叉口及其附近相关道路的的照明情况(如图1所示)。通过路灯在不同雾霾浓度情况下的照射，同时利用照度计对流明进行记录。实测仪器如表2所示。

表2 实测仪器表

根据测得的浓度值，改变光的色温、照度及相关参数是流明数达到正常阈值，选用LED白光灯、LED暖光灯对其进行进一步测量，并将测量结果记录、数据分析，最终确定一套完整的三级调控下的浓度值、光照强度及色温等。

选取图1中的测量点，在测点上安装2 m高的模拟路灯来代替实际路灯进行试验。在路灯下面放上照度计来显示地面光照强度，调节LED路灯光照强度和色温来观察并记录照度计的示数。分析不同雾霾浓度下照度最大值所对应的光照强度和色温。通过改变电路定值电阻的大小，在不同雾霾浓度条件下，通过放大电路后路灯的亮度和色温改变，最终得到可见度最佳值。

1.3 实测结果分析

以测量华北科技学院主干路为主，测量其周边交汇口及次干路的影响。主干路段车流量较大，以傍晚车流量为主，每小时车流量为1200辆左右，午间及清晨车流量较少。

随着雾霾浓度的增长，路面可见度越来越低，所测得的流明数也呈下滑趋势，并对交通造成直接影响。根据数据统计雾霾天气情况下的交通事故率比正常天气状况下多30%。也同时测得随着LED灯的色温升高，流明数呈现曲线上升并逐渐趋于平衡，若只改变光照强度依然得到相似曲线，若同时提高色温及光照强度则曲线上限则会提高，故可知在同时调节的情况对道路照更有利。

该试验对测得数据进行汇总分析(如表3所示)，并根据中中央气象台发布的空气质量标准将雾霾等级分为三等[8]，分别0～150,150～300,300～500(μg/m3)三个等级，并在不同雾霾浓度下选择光源的开启，通过大量数据测得具体的色温及光照强度，使雾霾对路面可见度的影响降低。由图2可知，2016年第四季度雾霾等级三级为13天，二级为24天，一级为54天。可知2016年雾霾浓度等级主要集中在第一等级。图3表明，路灯工作时段雾霾浓度分布情况在夜间6点到凌晨2点呈上升趋势，在两点之后的雾霾浓度逐渐下降。其中车流量高峰期也在夜间6点到凌晨1点钟左右，雾霾等级主要集中在第二等级。

表3 测量数据表

图2 雾霾季浓度折线图(2016年第四季度)

图3 路灯工作时段雾霾浓度随时间变化曲线

2 透雾、透霾性研究方案

2.1 透雾性研究

如图4可知，在雾浓度不同情况下。黄光透雾性能最好、红光和绿光的透雾性能次之、蓝光的透雾性能最差，白光 LED 的透雾性能与红光、蓝光差不多。即使目前为止没有一个公式表明雾以及污染物的颗粒散射光强与波长的关系，但是多个实验的结果表明了黄光波长的光受到的散射最小，穿透力最强[9-10]。

由于LED灯的白光透过率不如黄光，所以我们在原有路等中加入感应开关，并根据雾霾浓度的变化依次亮起不同色温、不同类型的灯光，使其能够在不同雾浓度情况下提高路面可见度。

图4 雾霾浓度与穿透率的关系

图5 光类型与穿透率的关系

2.2 透霾性研究

不同种光源在不同霾浓度下的透过率变化趋势如图7所示， 在同一霾浓度下(2档)各光源的透过率对比如图5至图6所示。(1)随着霾浓度的提高，所有光源的透过性都有所下降。(2)不同光源透霾能力不同，他们的透过率大小为：LED灯>金卤灯>白炽灯>钠灯。LED灯具透霾的能力最强。 (3)对于白光LED，色温越高，透霾的能力越强。(4)在霾浓度较大时，不同颜色LED等透霾能力依次为：黄光>红光>绿光>蓝光。

图6 灯的类型与穿透率的关系

综上所述，提高光的色温可同时增强透雾及透霾能力，而LED灯的透霾能力在各光源间也是最强的，故本实验通过对雾、霾的独立分析得出能够控制可见度的影响因素。

图7 不同霾浓度下光照度的变化

3 路灯分级调控系统设计

3.1 控制元件

本文通过激光对光敏元件的照射控制其阻值的大小，输出电压通过运算放大器与标准值比较，从而控制继电器的开关，使路灯的照度和色温发生变化。如图8所示，当没有光照射时光敏电阻的阻值很大，也是最大的时候，此时流经电路的电流最小，随着光照强度的增加会引起光敏电阻的阻值下降，同时电流增大，电路中的电流就随之急剧增加。

图8 光敏电阻示意图

3.2 路灯设计

图9为路灯设计方案，控制装置中，气体通过进气口进入腔道，通过挡光板后外界光照对腔道内影响趋近于零。此时激光对光敏电阻进行照射，到达光敏电阻的激光直接影响其电阻变化，如果大气中雾霾浓度升高，根据其升高的幅度光敏电阻也会呈现相应的阻值，从而改变光照及色温。

图10为路灯内部具体原理图，通过放大器放大光敏电阻的阻值，从而影响整个电路，使得电路阻值变大，路灯两端电压变大，功率增大路灯变亮。本文使用三级变光，并通过色温及功率的双重调控改变可见度，通过前期调查研究可行方案找到合适的雾霾浓度对应合适的光照及色温，从而提高整个路灯的可见度。并将这套原理放入上述电路图中。

图9 路灯原理图

图10 电路原理图

4 结论

(1) 对华科附近快速路、主干路及其交会口的雾霾浓度车流量的测量，结果显示雾霾浓度主要集中在150～300(μg/m3)之间。

(2) 通过实验分析可以得出在雾霾浓度升高时提高路灯色温和照度会提高灯光的穿透性，来提高雾霾天气下路面可见度。

(3) 将雾霾浓度分为三个等级，在不同等级下采用不同色温和照度的灯光，使得在不同雾霾浓度下的可见度达到标准值。

[1] Ar ief K B, Yoshio N, Mamoru T, et al. Visual Perception of Color LED Light in Dense Fog[J]. Journal of light and visual environment, 2007, 31(3):152.

[2] Ar ief K B, Yoshio N, Mamoru T, et al. Perceived Brightness and Saturation of Color LED Light in Dense Fog at Night Time[J]. Journal of Light & Visual Environment,2009, 33(2):107-109.

[3] 徐何辰.中间视觉下LED透雾性与光度特性实验研究[D].镇江：江苏科技大学,2013.

[4] 禚宝国,徐青龙,张航.雾霾下车辆前照灯自适应系统浅析[J].河北农机, 2014(2):40-41.

[5] 韩帅，唐宇，李坤，等.模拟雾霾条件下光源的透过性实验研究[J].照明工程学报，2014，25(5):111-115.

[6] 邵茂丰.道路照明随雾霾变化的光学特性及评价研究[D].杭州：中国计量学院，2015.

[7] 陈海波.LED路灯的透雾性研究和最优化设计[J].中国照明电器，2012(7):5-8.

[8] 中华人民共和国《中央气象台空气质量标准》[S].CJJ45-2006.

[9] 冯世良，陆哲.论城市道路LED路灯的色温选择[J].建设科技,2016(9):61-63.

[10] 薛晓晓.LED路灯性能要求和检测方法研究[D].杭州：浙江工业大学，2015.