隧道智慧照明中LED连续色温调节研究

徐锦颢，彭 力，高玉环

(1.重庆市规划设计研究院，重庆 401147；2.重庆大字 建筑城规学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；3.重庆建筑工程职业学院，重庆 400072)

LED研究

隧道智慧照明中LED连续色温调节研究

徐锦颢1，彭 力2，高玉环3

(1.重庆市规划设计研究院，重庆 401147；2.重庆大字 建筑城规学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；3.重庆建筑工程职业学院，重庆 400072)

智慧照明是隧道照明的发展方向。通过物联网隧道照明灯和隧道照明光环境智慧模式组成的智慧照明系统将广泛应用于公路隧道。与传统隧道照明方式相比，智慧照明不是静态地根据某种不利的环境条件进行照明参数的确定，而是考虑洞外全天候的复杂环境要素，根据车流及当地光气候的实时状况，迅速、精准、动态地解决按需照明的要求，使高速公路隧道照明达到安全舒适、节能最大化与人性化照明的高度统一。而解决隧道智慧照明的关键是LED连续色温调节问题。通过对国内外色温理论研究，选择了最合理的LED混合白光技术，得出任意2种不同光色混合后混合光源色温Tc的色坐标，对LED实现无级调节色温提出了方法建议。该研究成果充分考虑光源色温对视觉适应的影响，使隧道照明随环境变化动态调光，实现按需照明，达到隧道运营安全、驾驶舒适和节能降耗的目的，具有巨大的社会及商业价值。

智慧照明；色温理论；混光LED；无级调节

近年来，LED在智慧照明领域有着革命性的发展，正在取代荧光灯和钠灯等一系列传统光源。目前，LED照明只能实现单一色温。由于生活水平的不断提高，人们希望在同一空间里LED的光色随人的需求而改变，可以动态、不间断地实现连续调光，达到LED照明的智慧化。目前，LED调节色温的办法有2种：1)不同色温的LED，通过混合来生成白光，同时可以改变单色LED的强弱，来调节混合白光的色温，这种方式被称为RGB技术。但是，这种技术调配出来的混光显色系数太低，不适于室内照明的可调光源；2)采用多芯片集成混光LED，通过芯片组合和电流调节实现色温可调。该种方法的缺点是光通量密度低，光源质量不好。

智慧照明要求的是光源能实现无级调光，不仅仅是亮度上的无级调光，也有光色上的无级调节。为了达到这一要求，笔者通过对LED色温原理和混色理论的探讨，介绍达到色温无级调控的理论基础，为加入智能控制系统后光环境实现智慧照明提供参考。

1 色温理论

LED光源的色温由其光谱分布确定，在已有研究中，高斯模型是最常用的光谱模型，其表达式为

S(λ)=exp[-4In(2)(λ-λ0)2/(Δλ0)2]

(1)

式中：S(λ)是相对光谱功率分布，λ0为峰值波长，Δλ0为半高宽，单位为nm。在实际情况中，高斯模型与LED光谱差异非常大。为更好描述LED光谱，已有研究对高斯模型多有改进，Yoshi等提出了一种改进型的数学模型，即Y-model模型，其表达式为

S(λ)=[g(λ,λ0,Δλ0)+2·g5(λ,λ0,Δλ0)]/3

(2)

式中：g(λ,λ0,Δλ0)=exp[-(λ-λ0)2/(Δλ0)2]，λ0为峰值波长，Δλ0为半高宽，单位为nm。

在此基础上，沈海平等在第26届CIE年会上提出了一种改进型的高斯模型作为LED光谱分布的数学模型，其表达式为

(3)

式中：S(λ)是相对光谱功率分布，λ0为峰值波长，Δλ0为半高宽，单位为nm。

式(3)是现今研究色温理论中，最接近LED光谱功率分布的，但仍与LED的实际光谱存在一定差异。何国兴等提出了新的LED光谱模型，其相对光谱的分布公式为

S(λ,λ0,Δλ)=exp[-k1(λ-λ0)2/(Δλ)2] cosh[k2(λ-λ0)2/(Δλ)2]

本文充分考虑乡村植被与城市、自然生境的差异,从植被群落的稳定性、典型性、稀有性和乡土文化性等4个方面提出针对乡村植被保护的评价体系,为乡村植被保护和修复提供了方向。

(4)

2 LED混色调节色温原理

(5)

d1、d2按照式(6)计算

(6)

式中：m为等温线斜率。

根据式(5)、(6)，可以得出，单一的色坐标对应唯一的光源色温Tc，如果要将LED进行混色调节，从而改变色温，可以将式(4)设定为函数，将分别拟合出的2种光源的相对光谱功率分布S(λ1)、S(λ2)转化为绝对光谱功率进行叠加，然后将叠加后的光谱数值归一化后得到函数P(λ)，得到混光后的色坐标

(7)

将式(7)代入式(5)，即可求出2种不同光色混合后混合光源色温Tc。

3 隧道LED色温实现无级调节的方法

采用智能控制方式和无级调光控制法是实现隧道智慧照明的重要途径。目前，对公路隧道智慧照明的研究主要集中于智能控制系统运行方面，但是对于控制的内容，即针对外部不同环境变化对应的多种智慧子模式及其相应的光环境参数的研究还有待深入。LED色温实现无级调节就是一个重要的方面。

结合前文关于LED色温无级调节的理论背景，为实现隧道LED色温无级调节，笔者根据自己的研究进行梳理，综合出如下2点。

1)在隧道照明中采用 “蓝光芯片+红光芯片”模式，采用2种回路，在其表面封装荧光粉，分别进行色温调节研究。红光电流恒定不变的情况下，更改蓝光电流；蓝光电流恒定不变情况下，更改红光电流。加上控制回路，随时改变混光色坐标。

2)隧道智慧照明中应该增加以感测技术为主的传感设备，并深入研究适合于不同环境状况的智慧照明色温子模式及其光环境参数，建构集信息感知、数据挖掘、数据处理为一体的智慧照明系统，使其具有更强大的洞察力和决策力，并通过隧道照明智能控制平台来实现。

4 结 论

1)LED无级调节色温需要多个单色温的LED灯源组合实现。

2)LED无级调节色温可以由2种及2种以上色温相差较大的原光源混合调节实现。

[1] 彭力，翁季，杜峰，等.隧道智慧照明发展新方向研究[J].灯与照明,2016，40(3)：63-66.

[2] 吴金华.一种多光谱亮度可调的LED光照系统[J].照明工程学报，2016，27(3)：17-21.

[3] 刘康，郭震宁，林介本，等.高亮度白光LED混色理论及其实验研究[J]. 照明工程学报，2016，23(1)：51-57.

[4] 沈海平，冯华君，等.LED光谱数学模型及其应用[C]//走近CIE 26th 中国照明学会(2005)学术年会论文集，2005：83-85．

[5] 邸元国，郑利红，白光LED照明色温调节方法的研究[J]. 照明工程学报，2015，26(2)：60-62.

StudyonLEDContinuousColorTemperatureAdjustmentSmartLightingintheTunnel

XUJinhao1,PENGLi2,GAOYuhuan3

(1.Chongqing City Planning and Design Institute,Chongqing 401147，P.R.China;2.Faculty of Architecture and Urban Planning, Key Laboratory of Mountain Town Construction and New Technology of Ministry of Education,Chongqing University Chongqing 400045，P.R.China; 3.Construction Engineering Career Academy,Chongqing 400072，P.R.China)

Intelligent lighting is the developing direction of tunnel lighting. The Internet of tunnel lighting and tunnel lighting environment model of wisdom will be widely used in highway tunnel lighting system. Compared with the traditional way of tunnel lighting, intelligent lighting not only according to some adverse environmental conditions for the determination of lighting parameters, but also consider the complex environment factors of weather. According to the traffic light and local climate condition, it can solve the on-demand lighting requirements quickly, accurately and dynamically, to make the highway tunnel lighting to maximize safe and comfortable, energy-saving and high degree of unity humanized lighting. The key to solve tunnel intelligent lighting is to solve the LED color temperature adjustment problems. This paper summarized the theory of color temperature, and it choose the most reasonable LED to calculate the color temperature. This paper concluded two different light colors blend to mix light source of color coordinates, and suggested light color temperature of LED to adjust tunnel intelligent lighting. The research fully considered the impact of light color temperature on the visual adaptation, enabling tunnel dynamic light adjusting with the environmental changes, to achieve on-demand illumination, safe function of the tunnel, driving comfort and energy saving purposes. It has a huge social and commercial value.

smart lighting;color temperature;light mixing LED;stepless adjustment theory

2017-01-20

重庆市研究生科研创新项目(CYB16011)；国家自然科学基金(51278507)

徐锦颢(1985-)，男，硕士，重庆市规划设计研究院工程师。