港珠澳大桥照明工程中的LED照明技术

杜 金，周士康，陈春根，何孝亮

(上海三思电子工程有限公司，上海 201100)

引言

近年来，LED照明技术不断成熟，在城市夜景照明、公路隧道照明、建筑照明中的应用越来越多，在大型照明工程项目中的应用案例也越来越多[1-5]。港珠澳大桥全长为55 km，是现今世界最长的跨海大桥。其东接香港特别行政区，西接广东省珠海市和澳门特别行政区，是国家高速公路网规划中跨越伶仃洋海域的关键性工程，对于连通香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区三地具有重大的政治以及经济意义。与此同时，港珠澳大桥主体工程“海中桥隧”全线22.9 km长的桥梁和6.7 km长的隧道照明以及各人工岛组成的支线照明工程全部采用LED照明灯具及其控制系统，因此也成为LED照明工程应用的典范。本文将剖析港珠澳大桥照明工程中所使用的LED照明技术。

1 LED照明技术设计重点

1.1 港珠澳大桥的环境特点

港珠澳大桥位于北回归线以南，横跨伶仃洋海域，属于热带季风型气候，其气候主要特点为全年高温，最冷月平均气温也在18 ℃以上，同时受热带季风影响，多强风、多雷雨且天气突变频繁。港珠澳大桥严苛的工作环境，给LED照明应用技术带来了新的挑战，包括：如何抗强风风载；如何耐高温、防湿热；如何防盐雾、耐腐蚀；如何进行IP防护设计(防大量降水)。

1.2 LED照明关键技术

针对港珠澳大桥的上述气候特点，上海三思电子工程有限公司(以下简称三思)对目前LED照明应用技术进行整合，提出了以陶瓷平台为载体的一系列应用于LED照明的关键技术。

1)抗风载。流线型的灯具外形，能使大风经过灯具时具有较高的速度，从而减少其对灯具表面的压力，降低了大风对灯具与灯杆连接处等薄弱环节的影响，提高了灯具抗风载能力，见图1。

一开始气氛上不来，主要原因是酒喝得相当谨慎。钱多多建议每人讲一段子，无论什么段子，只要能将大家伙逗开心就行。

图1 灯具抗风载设计示意图Fig.1 Design of anti-air load for lamps

2)耐高温。优秀的散热能力是解决高温下持续工作的关键。三思的散热技术依托于单个陶瓷平台(称之为陶瓷像素)，从影响散热的两个关键因素出发[6-8]，以达到整体散热的目的：

①从导热上讲，LED芯片直接焊接于陶瓷散热体上，其间无传统意义上的绝缘层或者热阻层，因此能更加高效地将LED芯片散发的热量导出并散走，避免产生散热热岛效应；

②从对流上讲，LED陶瓷散热像素的蜂窝状散热结构能够有效增加散热面积，并保证气流自下而上流经散热器，路径不受阻碍，见图2。

以上从港珠澳大桥照明工程所需灯具的可靠性方面对LED灯具的关键技术进行了分析。实际上，随着LED照明技术与智能控制技术等的不断融合，港珠澳大桥照明工程的成功运行已经不仅仅是LED灯具技术本身的应用，更是LED照明整体解决方案的应用。因此，以下将主要从港珠澳大桥照明工程中所使用的路灯技术、隧道灯技术、智能控制技术三个方面，来阐述港珠澳大桥照明工程中的LED照明整体解决方案。

图2 灯具陶瓷模块的散热结构Fig.2 Heat dissipation structure of ceramic module of lamps and lanterns

3)防湿热。港珠澳大桥常年处于高温高湿状态,空气中大量的湿热气体很容易受热膨胀破坏灯具结构或受冷凝结成水雾影响照明效果。为此,三思将设计重点集中于如何降低电气腔体和光源腔体的体积上：

这时，同学们才小声议论，并陆续举报：“白虎队”成员小王在班上扯女生头发，小曹拿别人东西不还，小黄和值日生“叫板”，小但总在放学路上欺侮同学，小胡经常逼迫别人叫他“老大”……做错事不可怕，可悲的是他们似乎并不知道自己错在哪里。

图3 灯具防湿热结构Fig.3 Anti-wet and heat structure of lamps

②考虑到传统整体玻璃面罩大腔体结构在密封、散热上的缺陷，港珠澳大桥光源腔体采用开放式结构，以单个透镜和陶瓷像素所形成的整体为单元按一定的顺序安装于结构模条上，每一个单元也形成独立的光源腔，密封腔体同样很小，有别于一体式玻璃罩结构的大密封腔灯具，可避免温湿突变玻璃罩上结雾。

④包括透镜在内的所有灯具部件，均具有抗紫外老化的能力。

在城市发展过程中，桥梁发挥着极大的作用，在桥梁工程的施工过程中，预应力技术的使用，可以减轻桥梁结构的自重，并且提高梁部的抗压能力，避免或减少结构表面的裂缝现象，从而保证整个桥梁工程的稳定性。此外，预应力技术可以避免不同项目节点之间出现明显的接缝现象，确保项目表面满足平整性和美观性等要求。

①电气腔独立防水，内置浪涌电压保护，密封腔体相对较小(如图3中的密封电气腔)，可避免湿热气体受热膨胀破坏灯具密封结构；

图4 灯具防盐雾、耐腐蚀以及抗老化结构Fig.4 Lamps salt spray, corrosion resistance and anti-aging structure

①灯具表面采用氟碳喷涂处理，可有效防止盐雾腐蚀；

三思陶瓷路灯散热设计依托于陶瓷像素结构的强大散热能力如图7所示: 采用了厚膜烧结技术，导电线路直接烧结于陶瓷上，大大减少了热阻；LED直接焊接于陶瓷上，不需要基板与导热硅脂，提高了散热的可靠性；通过近端对流，将LED芯片产生的热量及时带走，避免了热量的聚集，使热量分布更加均匀，消除热岛效应。表2所示为单颗陶瓷像素在环境温度为40 ℃时的散热模拟情况，芯片结温为96.6℃,远远低于允许的最高结温温度，证明了陶瓷散热结构是可靠的。此外，采用陶瓷像素结构还具有耐盐雾(半永久)、绝缘性强、可有效防击穿、安全可靠等优势。

②灯具紧固装置均使用不锈钢材料，可有效防止盐雾腐蚀；

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4)防盐雾、耐腐蚀、抗紫外老化。防盐雾、耐腐蚀、抗紫外老化性能是照明灯具在港珠澳大桥上持续工作的保障。三思采用自身技术研发与外协厂家专业技术相结合的方式，通过将以下四个方面的实用技术应用到照明灯具产品中，从而实现灯具的防盐雾、耐腐蚀以及抗紫外老化的功能(见图4)：

2 港珠澳大桥LED照明整体解决方案

对处理好的试样进行单轴压缩试验。在实验压缩过程中，轴向荷载加载速度控制在0.50 MPa，然后在岩样与实验机之间应适当涂抹润滑剂，以便减少“端部效应”对实验结果的影响。观察试验过程中岩石试样破坏特点，记录岩石在压缩过程中轴向应变、横向应标数据，绘制试验的应力—应变全过程曲线，分析盐岩的单轴压缩条件下的力学特性及遇水软化特性。

2.1 路灯技术

三思模块化陶瓷路灯设计能够轻松实现120 W与180 W两种规格的路灯设计要求，如图5所示，其中180 W路灯主要应用于港珠澳大桥主体工程“海中桥隧”的桥梁主线道路上，120 W路灯主要应用于港珠澳大桥人工岛支线道路上，两种功率的路灯详细参数如表1所示。

图5 模块化路灯技术Fig.5 Modular street lamp technology

表1 港珠澳大桥照明工程所用的陶瓷路灯技术参数

1)路灯结构与散热技术。三思陶瓷路灯结构设计主要从可靠性与维护的便利性两个方面来着眼，如图6所示，从最外层的免工具搭扣，到灯杆连接处的防坠落组件，再到水平仪与角度调节装置的安置，体现了设计人员在维护的便利性上的细节考虑；而表面氟碳材料喷涂、进线防水接头以及不锈钢紧固件的整体设计又体现了设计人员在灯具可靠性方面的努力。

图6 路灯结构详细设计图Fig.6 Detailed design of street lamp structure

1990年新年，憨豆先生再次出现。原本这仅仅是一次喜剧表演。但该角色取得了成功，20世纪90年代，艾金森又拍摄了多部续集。最终，该剧被制作成为电影，艾金森从此成为国际影星。他的视觉喜剧风格让他获得了“带着橡皮脸的男人”的昵称。

图7 单颗陶瓷像素散热模拟云图Fig.7 Simulation cloud image of single ceramic pixel heat dissipation

表2 单颗陶瓷像素散热体散热模拟结果

2)光学技术。陶瓷路灯光学技术同样依托于陶瓷像素平台, 通过透镜、密封圈与陶瓷散热体的紧密配合实现LED芯片与透镜的精确定位；而在透镜设计上，则采用逆向设计的原则，同时考虑灯具配光与路面的反射特性(反射系数表格r-table)[9]，通过数值计算与模型试错相结合的方法来实现。港珠澳大桥主线桥梁的道路模拟参数如表3所示，主线桥梁采用三思180 W路灯对称布置形式，模拟设计结果如图8所示，三思路灯配光系统针对道路桥梁实际使用者(汽车司机)的视线(灯下60 m远处注视)[10]，实现了驾驶视觉上的亮度均匀(UL>0.9,U0>0.6，图8方框内容)。此种设计方式称为等亮度配光设计，相对于传统等照度配光设计更符合客户的实际需求，而实际港珠澳大桥验收现场(图9)达到了令人满意的亮度均匀性效果, 其路面参数实测结果(表4)与设计结果几乎一致,甚至在总均匀度(U0)上高于设计结果。

结合本地区种植制度、气候环境、地理优势和土壤条件，科学选择高产优质的杂交水稻品种，并对杂交水稻品种科学布局。最近几年，宜香3003、宜香4245、宜香305、两优2161、两优6等水稻品种不管是在抗病性能、产量和生育周期方面都显著优于传统栽植的品种。在同一个地区，可以选择1-2个主栽品种，搭配1-2个水稻品种，有效避免水稻不单一化或多乱杂的现象，一般水稻品种为宜香优2115和宜香4245。

表3 港珠澳大桥主线桥梁的道路模拟参数

表4 港珠澳大桥主线桥梁道路照明均匀性测试结果

图8 港珠澳大桥主线桥梁道路模拟结果Fig.8 Simulation results of main line bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

图9 港珠澳大桥主线桥梁道路照明效果实拍Fig.9 Lighting effect of main line bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

2.2 隧道灯技术

三思提供的“M”型反射式隧道灯技术(图10)是保证港珠澳大桥6.7 km长隧道照明舒适性的关键技术。表5为三思隧道灯的技术参数，可以发现港珠澳大桥隧道主体工程针对其过渡段照明和加强段照明共使用60 W和120 W两种功率的隧道灯具。

表5 反射式隧道灯技术参数

图10 隧道灯外观Fig.10 Appearance of tunnel lamps

1)隧道灯结构与散热技术。反射式隧道灯结构具有一体式灯具外型，搭配可拆卸式光源模块可轻松改变光源功率，而对光源本身的发光效果没有任何影响，灯具背面安装有横向和纵向角度调节装置，能够根据现场实际情况对灯具安装姿态作出必要的调整如图11所示。

图11 反射式隧道灯结构特点Fig.11 Structural features of reflective tunnel lamps

散热方面，整个灯具外壳采用拉伸型材工艺且与光源模块组成紧密的散热通道，能够顺利地将光源产生的热量散走。图12所示为120 W隧道灯具散热模拟云图，在环境温度为40℃的前提下，隧道灯LED光源的结温温度为96.9℃，与壳体温度84.5℃十分接近，也可说明散热达到了满意的效果(表6 为120W隧道灯散热模拟的结果)。

③采用耐腐蚀性能优异的陶瓷像素材料作为灯具构成的基础单元；

图12 120 W隧道灯模拟云图Fig.12 Simulation cloud map of 120 W tunnel lamp

表6 120 W隧道灯热模拟结果

2)隧道灯光学技术。隧道灯光学系统采用独特的反射式配光形式[11]，通过巨大的“M型”漫反射腔体(这也是此灯被称为“M型”隧道灯的原因)，将倾斜入射的LED光源光线均匀地散射于路面上如图13所示。从配光类型来看，整个隧道灯属于沿着路面与垂直于路面两个方向的非对称近朗伯型配光如图14所示，能够实现路面亮度均匀的照明效果。同时反射式的配光形式，灯具点亮时人眼看不见LED的发光点，从视觉舒适性上也达到了“见光不见灯”的效果。

图14 隧道灯配光曲线图Fig.14 Light distribution of tunnel lamp

图15、图16所示为港珠澳大桥隧道照明模拟设计效果与实测对比图，证明三思反射式隧道照明技术在港珠澳大桥隧道项目中取得了令人满意的成果。

图15 港珠澳大桥隧道照明模拟设计Fig.15 Simulation design of tunnel lighting for Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

图16 港珠澳大桥隧道照明效果实拍Fig.16 Lighting effect of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge

2.3 智能控制技术

1)智能控制的实现。港珠澳大桥的陶瓷路灯技术与反射式隧道灯技术需要在智能控制技术的整合下方能发挥最大的作用。大桥全线采用三思自主研发的智能控制系统，不仅实现单灯可调，而且能对大桥照明运行状况进行实时监控[12]。图17所示为智能控制系统网络拓扑结构图，该控制系统使用LC300智能集中控制器实现路灯隧道灯单灯的独立监控，其统一采用的RS485信号编码模式与灯具通信，可同时控制最多250盏灯具，而与系统中心则可采用多种方式，如GPRS/3G/WiFi/TCPIP/RS485等，通过自组网进行通信连接，实时在线收发信息。

图17 智能控制系统网络拓扑结构图Fig.17 Network topology diagram of intelligent control system

同时，该系统可外挂多种设备，如亮度传感器、车辆检测器等，具有时钟和预设控制功能，亦可进行现场操作控制，自主巡检与故障上报，具有自诊和自恢复功能。

2)智能控制的优势。三思智能控制系统具有以下四大优势：①从二次节能方面来考虑，可精确到单灯的开/关控制、调光控制，根据实际情况进行调整，避免了传统的定时、常亮的单调控制方式，节约能源，达到以人为本的照明原则；②从智能监控方面来考虑，准确地对每盏灯具的运行状况进行监管，可任意时间段对照明及时调整，从而应对不同的运营模式和自然环境，避免了传统控制无法监管的问题；③从灯具寿命方面考虑，由于在照明设计时加入了维护系数，初安装时的照度一般会高于设计值，调光至设计值，一方面可以实现节能，另一方面可降低芯片结温，从而延长灯具的使用寿命；④从人性化管理方面考虑，远程监控，故障提醒反馈，方便运营单位的维护及检修，提高工作效率，方便应对突发情况。

3 总结与展望

本文从陶瓷路灯技术、反射式隧道灯技术以及智能控制技术三个方面，剖析了港珠澳大桥照明工程中的LED照明应用技术。路灯方面，通过其独特的陶瓷平台技术以及二次配光技术，实现了可靠性、维护便利性与路面亮度均匀性的统一；隧道灯方面，通过其独特的反射式配光技术，实现见光不见灯的舒适性效果；智能控制方面，则通过采用RS485编码信号的智能集中控制技术，实现了对路灯隧道灯的单灯独立控制，且能在任意时间对任意灯具进行监管和调整，同时也实现了灯具的二次节能。

由表1可知，试验组用合缘虾宝替代30%饲料喂养60 d，试验组合计产量较对照组增产60.5 kg，折算每公顷平均增产139.5 kg，增产幅度17.4%。

随着人们生活质量的提高，对LED照明的需求已经从单纯地追求高效节能转变为对视觉舒适性、产品可靠性、智能控制等多方面的综合要求[13-16]，这也将推动LED照明技术不断向大纵深、多维度发展。因此，高质量、多学科交叉融合的LED照明应用系统解决方案将成为LED照明企业以及LED照明工程项目关注的重点。