基于DIALux仿真分析的两阶段道路照明优化设计

张 曼，孟冠宇，夏道澄，朱建聪

(扬州市职业大学，江苏 扬州 225009)

0 引言

道路照明是城市建设中的关键组成部分，“十四五”时期国家战略性新兴产业发展导向中加快发展特色新兴产业中指出要重点发展半导体照明等产业。其中，LED作为第四代绿色半导体照明光源，具有节能环保、光效高、显色性好等优点，用于道路照明，不仅可以提高夜间车辆行驶和行人行走的安全性，还可以降低城市电力消耗，节能环保。

随着现代网络技术的普遍应用，道路照明中的节能手段除了使用节能灯具以外，还可以利用智能控制方式，如间隔开关设置、分时段智能调光设置进行节能控制。间隔开关设置指在凌晨时间段，随着车流量和人流量的下降，人们对道路的亮度需求降低，这时可以间隔关闭一部分路灯，以达到节省电能的效果。分时段智能调光设置指借助各类通信网络，例如载波通信、ZigBee等技术，根据不同时段车流量的差异而改变道路照明灯具的亮度，以实现节能式的集中管控[1]。

通过两种方式的对比发现，间隔开关设置的方式虽然在综合节能率上比分时段调光控制方式高一些，但是照明效果和质量却没有保障，间隔照明容易给行人以及行车司机造成视觉盲区，引发危险[2]。

分时段智能调光模式可以将照明时段分为全亮阶段和感应照明阶段。夜晚中当车流量大时，使用全亮模式；当后半夜车流量比较小时，进入感应照明阶段，路灯进入亮度比较低的状态。那么，不管是哪个阶段，都要对道路进行照明设计，全亮阶段要保证道路的照度、照度均匀度、眩光等级、环境比等参数达到国家标准，以减少甚至避免各种摔伤、交通事故等意外的发生；感应阶段要在最大限度节能的前提下，保持一定的亮度均匀度，以免发生眩光。

在国内，很多道路照明设计结果往往是灯具设计者根据照明标准和经验计算得到的，而非客观数据，缺点是效率低，可靠性差，而且也很少有人会根据智能道路照明系统的调光模式进行两阶段模式的照明设计。现在专业人士都使用虚拟现实照明灯具的辅助照明设计应用软件，比如利用德国 DIAL GmbH公司开发的照明设计软件DIALux进行模拟仿真，计算速度快、准确率高，还可以提供3D可视化、光迹追踪伪色彩效果图和室内外参数计算表格等辅助设计功能，可以为智能道路照明系统的两阶段照明方式进行照明设计，获得最直观、准确、最优的设计方案。

1 目标路段分析

设计方案的目标路段位于扬州市翠岗路(见图1)，道路西始润扬北路东至百祥路段，道路总长度为439 m，道路总宽度为32 m(包括绿化带、非机动车道、辅路)，有效宽度为16 m，双向四车道，自行车道宽3.5 m，自行车道与机动车道之间的绿化隔离岛宽度0.5 m，属于城市次干路，道路级别为Ⅱ级。

图1 目标路段

2 道路照明设计内容

2.1 道路照明设计标准

根据《城市道路照明设计标准》(CJJ45—2015)(以下简称《标准》，见表1)中的规定和目标路段的类型，路面平均亮度为0.75/1.0 cd/m2，亮度均匀度为0.4，纵向均匀度Ul为0.5，路面平均照度为10/15 LX，照度均匀为UE为0.35，眩光限制T1最大初始值为10，环境比SR最小值为0.5。除了机动车道需满足照明标准以外，人行道的照明也要满足照明标准中对人行道及非机动车道的相关要求，平均照度≥10 LX，并满足环境要求[3]。

表1 机动车交通道路照明标准值

2.2 光源的选择与布灯方式

2.2.1 光源的种类

目前用于道路灯具中的光源类型有金属卤素灯、低压钠气体放电灯、高压汞灯、LED灯等。高压钠灯色温低、呈暖色、透雾性比较好；LED灯寿命长、显色性好、光效高、色温范围广。每种光源都有各自的优缺点，设计者在进行光源的选择时，应从节能性、显色性、寿命、重量等方面综合考虑。

2.2.2 光源配光的选择

常规的道路照明灯具按照配光曲线可以分为截光型、半截光型和非截光型，如图2所示。截光型灯具的最大光强方向在0°～65°；半截光型灯具最大光强方向在0°～75°；非截光型灯具不限制最大光强方向角度，比较适用于明亮的、繁华的商业街道，不适合主干道。本设计方案可选用截光型或半截光型灯具。

图2 不同配光曲线类型的道路灯具

2.2.3 光源功率选择

光源功率在进行选择时，应遵循两个原则：第一，满足城市道路照明设计标准中对道路的平均照度、亮度维持值的要求；第二，满足照明功率密度(Lighting Power Density,LPD)的要求。一般情况下，光源的功率越大，光通量越高，光效越高，越容易满足道路对照度和亮度的要求。但是，一味地追求高亮度的照明效果，使用大功率的灯具，LPD可能会超过国家标准，造成电能的浪费，所以设计者在选择灯具时要充分考虑灯具的功率，既要满足照明效果，又要满足LPD值的要求[4]。

2.2.4 布灯方式

在道路照明设计初期，设计者应该根据目标路段的宽度、形状、道路环境、车流量以及夜间行人通行情况等要素，对灯具的布置方式进行确定。通常，1个路灯灯杆顶端可以安装1～2个路灯，然后将路灯按照一定间距连续地、均匀地、有序地排列在道路上，可以按照单侧布置、中间布置、双侧交错布置、双侧对称布置，如图3所示。本文设计目标路段宽度为16 m，双向四车道，根据国家道路标准中关于道路路灯照明布置参数，路灯布置方式选择对称式布灯。

a 单侧布置；b 中间布置；c双侧对称布置；d双侧交错布置；e 链式布置

2.2.5 安装高度

目标路段灯具可选择半截光型灯具，布灯方式选择双侧对称布置，根据道路照明标准中关于灯具配光类型、布灯方式与灯具的安装高度、间距的关系(见表2)，本设计方案中路灯的安装高度(H)应≥0.6 Weff，灯杆间距(L)应≤3H，其中Weff为道路宽度，计算可得，H≥9.6 m，L≤35 m[5]。

表2 灯具的配光类型、布置方式与灯具的安装高度、间距的关系

4 目标路段照明仿真计算

DIALux是一款可以模拟光环境并进行照明仿真计算的软件，可灵活用于室内、室外、道路等环境的照明设计。根据目标路段的路面亮度系数(Q0)和镜面系数，选择R3，路面比较干燥，Q0选择0.07，道路模型如图4所示。

图4 翠岗路道路模型及详细参数

4.1 不同配光灯具的仿真结果分析

根据《城市道路照明设计标准》设置道路照明标准，道路模型和标准设置完成后，笔者选用了两款配光曲线不同的LED灯具，具体参数如图5所示，两款灯具均为COOPER品牌的灯杆式路灯，A款灯具光通量为11 820 lm，功率为109 W，光效为114.6 W/lm；B款灯具光通量为12 196 lm，功率为96 W，光效为127 W/lm。两款灯具的发光效率差不多，但是A款的配光曲线属于对称式，B款属于非对称式(纵向长配光、横向短配光)。

图5 LED灯具参数

笔者将两款灯具的IES分别导入模型，进行仿真计算，布灯方式均为：双侧对称布灯，每根灯杆2个灯头，灯杆间距30 m，安装高度12 m，臂架倾斜度为10°，悬臂长度为2.5 m。仿真结果如表3—4所示，两款灯具的照明效果均达到了国家标准，但是B款灯具的道路照明评估区域平均照度和亮度维持度比A款稍好，这样更有利于两阶段调光时的亮度维持度更高。两款灯具的能耗结果如表5—6所示，B款的电能消耗量每年可以比A款能节省208°电。

表3 A款灯具照明仿真结果

表4 B款灯具照明仿真结果

表5 A款灯具照明年消耗量

并且通过计算灯具利用率[5]，笔者发现A款灯具的利用率为：

表6 B款灯具照明年消耗量

B款灯具的利用率为：

两款灯具的利用率相差8.3%，这说明对称式的灯具在使用时会有很多的光线超过评估区域的范围到达道路的外面，造成光线的浪费；而非对称式的灯具，由于横向短配光，会使得更多的光线落在道路上，利用率更高。

4.2 两阶段照明仿真结果分析

通过以上分析，笔者发现，A款灯具虽然在全亮模式能满足《标准》，但是在感应模式中调光值为70%时，亮度维持值(Lm)仅为0.88，小于标准中的1.0，具体数值如表7所示，未满足《标准》要求。

表7 A款灯具感应模式(70%调光值)仿真结果

选用B款非对称式LED灯具进行两阶段(分时段)的照明设计。进行分时段智能调光模式进行节能控制时，除了使用通信手段判定车流量以外，还需要对调光值的大小进行分析计算。全亮模式和感应模式均需满足《标准》，通过使用B款灯具调光值为70%的模式进行仿真计算，发现平均照度、照度均匀度、亮度维持值、亮度均匀度、眩光限值、环境比均满足了《标准》中的相关规定，具体数据如表8所示。若路灯每天点亮时间按11小时，采用智能调光模式时，每天按7小时全亮，4小时调光(70%)，每年消耗量为1 367.8 kWh/年，与全亮模式相比可节约11%的电能。

表8 B款灯具感应模式(70%调光值)仿真结果

5 结语

综上所述，城市道路照明对城市的发展有着非常重要的作用，在进行城市道路照明设计时，设计者要全面考虑道路照明的需求，从光源的选型、布灯方式到节能性，每一个设计部分都至关重要。不同类型的灯具应用于不同的环境中会表现出不同的优劣性，设计者要根据它们的特点进行合理设计；为了达到节约电能的目的，在使用通信手段进行智能控制的同时，也应确保照明设计方案是否满足相关标准，是否符合人性化、舒适性的要求。笔者以扬州市翠岗路中一段439 m的道路为设计对象，研究不同配光类型的路灯在道路中的照明效果、利用率的区别，并以此为基础，选用合适的灯具进行两阶段(全亮、调光)的照明仿真设计，得到了一个照明效果完全符合《标准》、可节约电能达11%的照明设计方案，为城市道路照明设计的可靠性提供了有利的数据方案。