结合路面实况、优化配光设计减少光污染

吴春海 郑晓东 陈 新

(1.深圳市灯光环境管理中心，广东深圳 518036;2.浙江大学光电信息工程学系，浙江杭州 310027)

1 前言

在生态学上，夜间使用光照明是最显著的人类习性之一。人类使用夜间照明的原因很多，包括工作、出行、广告、引导方向以及减少对黑暗的恐惧等。近年来我国快速发展的城市夜景照明在提高城市商业及景观环境的同时也带来一些问题，由于个别项目缺乏合理规划和设计，审查环节把关不严，使光污染问题变得越来越突出［1，2］。根据王东等的调研，深圳市商业区照度的最大值为591lx，达到国际照明委员会CIE150标准E4区域25lx限值的20倍;休闲广场最大照度达47lx，超过CIE150标准E3区域10lx限值的5倍。有57%的小区外侧住宅窗表面照度超过 CIE150标准 E3区域10lx的限值［3］。可以说某些局部地区的光污染已经达到一种非常严重的地步。

过度的夜景照明将使生活在城市的孩子们无法体会星空的辽阔，宇宙的深远，使广大天文爱好者失去研究机会。所以，光污染的概念首先是由天文工作者认识到。最近人们更加重视的是“生态光污染”，光污染会影响鸟类的迁徙，海龟孵化，野生动物交配以及饲养习性，威胁生物多样性。室外照明光的来源有:广告、景观照明、运动设施照明、道路照明及家庭照明。研究表明，道路照明是光污染最主要的来源［4］。常常有超过一半的光能浪费在光污染上。调查发现，关闭路灯能够使天空亮度降低近一半。因此，优化道路照明设计是减少光污染的重要方面。半导体照明光源的迅速普及，使道路照明配光设计增加了新的自由度和优化参数。由于光电二极管 (LED)本身的发光体面积较小，与二次配光透镜结合可以实现非常灵活的配光设计，可以使光斑形状完美地匹配道路形状，并实现路面照度的均匀分布。由此可大大减少光污染的发生。

2 道路和景观照明与光污染

现在通用的路灯一般以高压钠灯或高压汞灯为光源，大部分都在不需要照明的方向存在大量光泄露，引起眩光、上射光等，造成能源浪费。但具体光污染中有多少是由道路照明引起的尚未看到国内有具体的研究数据。在这里我们引用德国科学家Helga等对柏林地区光污染情况的调研来说明道路照明所带来的光污染的问题［4］。

调查光污染数据一般有地面调查、航拍、卫星数据三种手段。地面调查一般需要耗费大量人力，而且仅限于获得非常局部地区的数据，而卫星数据能够覆盖全球，但卫星数据的分辨率相对较低。为了获得比较全面反映整个城市的光污染概况，同时兼顾相对较高的空间分辨率，Helga等采用的是航拍的方法。航拍图像的分辨率为1m，利用图像处理技术获得城市光污染的主要来源。其测试结果表明，柏林地区道路照明对光污染的贡献率为31.6%。加拿大的Hiscocks的研究结果是道路照明对光污染贡献为 50%［5］。

图1是现成实拍的传统路灯照明效果图。传统路灯设计存在眩光严重、路面亮度不均匀、路面外光泄露严重等几方面的问题。

图1 传统路灯照明效果示意图Fig.1 Road illuminated by traditional luminaire

早在1999年，CIE就发行了CIE132－1999《道路照明设计方法》［6］，2000年又出版了 CIE140－2000《道路照明计算》［7］。这些出版物首先明确了照明的质量判断标准，即目前国际通用的道路照明主要评价指标是:路面平均亮度Lav、亮度总均匀度Uo和纵向均匀度UL、眩光 (用阈值增量TI(%)表示)、环境比评价SR和光学引导性。照度仅用于评价道路两侧的步行区。

要减少道路照明光污染应首先考虑道路照明的目的。道路照明的目的是增加道路交通的安全性、流量和舒适性，通过照亮路面及其周围环境使路面上的目标为驾驶员所见。司机所感受的路面亮度取决于两个因素，照射道路的光源和路面材料对光的反射特性。我们观察到路面有一定亮度是因为路灯所发出的光经过路面材料反射后进入了人眼。目前，国内多数研究工作均集中在光源，即路灯的配光分布等对道路照明质量的影响，而完全忽略了路面本身的反射特性。

既然亮度而非照度是道路照明设计的正确评价指标，在道路照明设计过程中需要将路灯配光分布与路面材料的反射系数相结合才能实现准确的路面照明设计［6，7］。如果设计中使用的路面亮度系数比实际低，将增加道路照明的能耗和建设成本，反之则所设计的路灯配置将达不到标准要求的亮度，增加交通事故发生的概率。只有了解路面反射特性才能够优化路灯的配光设计和灯杆配置，提供安全、舒适、节能的照明环境。了解道路照明设计的基本要求之后，我们就可以充分优化路灯的配光设计，在充分满足道路照明的前提下，最大限度地节能并减少光污染。

3 道路照明设计

十几年前CIE在编写出版物CIE132、CIE140时，一般路灯还很难实现随心所欲的配光设计。道路照明设计师对路灯的配光设计没有多少选择余地。所以，CIE132、CIE140所给出的都是在已知路灯的配光及路面反射特性的前提下如何优化灯具分布以实现最优的亮度分布及光源利用效率。

CIE132和CIE140分别用I表和r表来表示。I表用于表示路灯的配光特性，r表用来表示路面的反射特性。为了道路照明设计的方便，CIE对I表和r表的数据点分布都给出了具体的规定，I表的格式如表1所示。

表1 用于道路照明设计的路灯配光I表数据格式［6］Table 1 I－table for road lighting luminaire

r表所表示的是不同角度时路面简化亮度系数［6］。路面亮度系数q(β，γ)为对于某个入射方向 (β，γ)的光线路面亮度与光所产生的水平照度之比L/E。路面亮度和光线在考察面上的入射角度余弦的三次方成正比。为了计算方便，一般将光源与考察点连线与路面法线的夹角，即光线入射角余弦的三次方与亮度系数q的乘积定义为简化亮度系数:

r表的数据格式见参考文献［6－8］。

路面反射特性的定义与司机对道路的使用状态直接相关。司机所关注的范围主要是其前方60－100m的范围，综合各种不同车辆的高度，司机视点高度约离路面1.5m。

路面的反射特性取决于所铺设的材料、路面的干、湿和材料磨损程度，包括使用年限和在车道中的具体位置。比如，道路中间线附近所受磨损的程度会远低于车道边缘对应车轮部分的磨损情况。

已知I表和r表，即确定所用路灯和路面反射特性之后即可计算路面亮度分布。计算公式是:

式中:β，C和γ为光线的角度;

h:路灯安装高度;

q(β，γ):路面亮度系数。

图2 各向同性光源在路面产生的等亮度分布曲线Fig.2 Relative isoluminance diagram

尽管CIE给出了非常完备的道路照明设计方法，但遗憾的是这些设计方法在我国很少获得实际应用。在多数情况下，人们仍习惯用路面照度作为评价道路照明质量的评价指标［8］。很少有人关心路面的实际反射特性。和人们想象的很不相同，由于驾驶员的视线是沿路长方向延伸的。路面的反射系数在司机朝向路灯的方向和离开路灯的方向是不一样的，如图2所示。图2是当光源配光为各向同性，即每个方向的发光强度均相等时路面的亮度分布。黑点处 (0，0)为路灯安装位置，X处为亮度最大点。图中的坐标均以路灯安装高度h为单位。由图2可见，对各向同性光源，路面最大的亮度点并不在路灯正下方，而是在距离路灯1h处，偏向驾驶员驶来的方向，即图的右侧。这很容易理解，因为道路表面对灯光总存在部分镜面反射，对于自右向左行驶的驾驶员来说，路灯右侧路面的镜面反射会增加路面亮度，而路灯左侧的镜面反射会降低路面亮度。在图左侧，偏离路灯安装位置3h处，路面亮度已经降低到最大亮度的2%以下，如果仅考虑单灯照明其结果是非常不均匀的。这很像高压钠灯路灯的路面亮度分布情况。图3是传统高压钠灯的配光分布测量结果。在灯罩所限制的发光角度内，在C0/180平面各方向的发光强度大致相同;通过调整灯的仰角，在C90/270平面内配光曲线峰值向道路一方偏转，有利于改善道路照明均匀性，减少眩光。由图2可知，这样的配光设计所产生的路面亮度是非常不均匀的。

图3 传统高压钠灯路灯的典型配光分布Fig.3 Typical radiation pattern of high－pressure Sodium lamp road lighting luminaire

为了改进路灯的光能利用率，针对LED器件发光面小，易于实现更合理配光分布的特点。人们开发了各种各样所谓蝙蝠型配光分布，如图4所示。这样的分布改善了道路照明的照度均匀性，但仍未考虑路面本身的反射特性。所以一般情况下，蝙蝠两个翼是对称的。这显然和图2所给出的路面非对称反射特性不相匹配。

图4 LED路灯的典型配光分布Fig.4 Typical radiation pattern of LED road lighting luminaire

为了获得真正亮度均匀的配光分布，必须综合考虑路灯配光和所对应路面的反射特性两个因素，在路灯配光设计阶段就将道路照明设计的因素考虑在内。在图5中，根据对深圳市滨海休闲带路面材料亮度系数的实际测量结果［9］，我们给出了一个理想的路灯配光设计方案。图5的横轴为路长方向，纵轴为路宽方向。刻度单位为路灯安装高度h。图中的等高线为路面各点所对应的路灯发光强度数值。由于仅为说明在综合考虑路面亮度系数的情况下，路灯应有的优化配光设计，图5的设计结果中未考虑多灯叠加的照明效果。

图5 结合路面反射系数后路灯的最佳配光分布Fig.5 Optimized luminous intensity distribution of a road lighting luminaire based on luminance coefficient of specific road surface

由图5的等高线分布可见，路灯的配光不仅仅在C0/180面内是非对称的，在其它方向也是非对称的，发光强度的最大值出现在图5的右上角位置。右上角所对应的发光强度几乎为左上角的1倍。在考虑多灯合成的情况下，由于相邻两灯相互叠加，对这种非对称的要求会有所减轻。

最近，台湾和墨西哥的研究工作者就设计了一种利用微透镜阵列的路灯，能够在提供良好照明的前提下，将光源的光能利用效率从原来的58%大幅度提高到81%，大大减少了光污染［10］，引起世界多个媒体的广泛报道。

4 结论

传统上，路灯设计和道路照明设计是分立的、不相关的两部分工作。路灯设计由路灯厂家完成，不考虑实际的路面反射特性;而道路照明由路政设计部门完成，其工作是在已知路灯配光分布和路面反射特性的前提下通过如何通过布灯优化路面亮度均匀性和光源的光能利用率。本课题组根据对深圳滨海地带路面材料亮度系数的测量结果，提出将路灯设计和道路照明设计合二为一，即在路灯设计阶段就将路面材料的反射特性考虑到路灯的配光设计中。这样能够大幅度提高实际的路面亮度均匀性，同时可以大幅度增加路灯的光能利用率，减少光污染。

致谢

本项目获得国家科技支撑计划课题“LED灯具在线检测、光谱分布与现场测试方法及设备研究”的资助，谨在此表示衷心感谢。

［1］朱平，肖辉，马振，等.城市商务区夜景照明亮度问题的思考［J］.照明工程学报，2012，23(10):23～28.

［2］刘鸣，张宝刚，潘晓寒，等.城市照明规划中光污染评价指标与方法研究［J］.照明工程学报，2012，23(8):22～27，55.

［3］王东，等.深圳市夜间光污染状况调查及对策研究［J］.中国环境管理，2013，2:36－40.

［4］K.Helga，K Christopher，R.Thomas，et al..Aerial survey and spatial analysis of sources of light pollution in Berlin，Germany，Remote Sens.Environ.，2012，126(11):39－50.

［5］P.D.Hiscocks，S.Guomundsson.The contribution of street lighting to light pollution［J］.Journal of the Royal Astronomical Society of Canada，2010，104(5):190－196.

［6］I.M.Bonomo.DESIGN METHODS FOR LIGHTING OF ROADS，CIE 132－1999.

［7］W.Adrian，et al..Road Lighting Calculations.CIE 140－2000，p.1.

［8］李铁楠，等.城市道路照明设计标准，CJJ 45－2006.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［9］吴春海，吴贵才，陈新，等.深圳市典型路面材料亮度系数的初步测量［J］.照明工程学报，2012，23(12):47～50.

［10］X.H.Lee，I.Moreno，C.C.Sun.High－performance LED street lighting using microlens arrays［J］.Optics Express，2013，21(9):10612－10621.