道路照明基本理论与计算的研究与探讨.docx
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道路照明基本理论与计算的研究与探讨
目录：
第一部分道路照明基本概念
第二部分道路照明灯具
第三部分道路照明计算
第四部分道路照明测量
第一部分道路照明基本概念
一、光的度量
1、光通量——光源在单位时间内发出的光量称为光通量，符号Φ，单位是lm（流明）。
2、光强（度）——光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量被定义为光源在该方向的光强（度），符号为I，单位为坎德拉（cd）。
I=dφ/dΩ（Ω为立体角）
3、（光）照度——表示表面被照明程度的量称为（光）照度，它是每单位面积上接受到的光通量数，符号为E，E=dφ/ds，单位为lx（勒克斯），1lx即1lm/m2。
一些实际情况下的（光）照度值
情况
照度值（lm）
情况
照度值（lm）
夜间在地面上产生的
（光）照度
3×10-4
晴朗的夏日在采光良好的室内的（光）照度
100～500
满月在地面上产生的
（光）照度
0.2
太阳不直接照到的露天地面的（光）照度
103～104
工作场地必需的光照度
20～100
正午露天地面的
（光）照度
105
4、（光）亮度——光源在某一方向上的单位投影面在单位立体角中发射的光通量，称为光源在某一方向的（光）亮度，符号为L，L=dI/ds，单位为cd/m2（过去常用单位为nt（尼特），1nt=1cd/m2）。
5、发光效率
（1）光源发光效率——指一个光源所发出的光通量φ与该光源所消耗的电功率P之比，
即：
η=φ/P。
（2）灯具效率——指在规定条件下测得的灯具发射的光通量值与灯具内所有光源发出的光通量的测定值之和的比值。
6、对比感受性
视觉认知的基本条件：
亮度对比和颜色对比（在此忽略）。
亮度对比是视野中目标和背景亮度差与背景（或目标）亮度之比，符号C，即：
式中：
L0—目标亮度（nt）；Lb—背景亮度（nt）
人眼刚刚能够知觉的最小亮度比，称为阈限对比，符号
。
阈限对比的倒数，即表示人眼的对比感受性，也称为对比灵敏度，符号Sc，即：
式中：
Sc——对比感受性；
—阈限对比
Sc显然不是一个固定不变的常数，它的变化与以下因素有关：
1、照明条件；
2、观察目标的大小；
3、观察目标呈现的时间。
在理想条件下，视力好的人能够分辨0.01的亮度对比，即人的对比感受性最大可达100。
由图中可以看出，Sc随Lb而上升，到大于100nt
以后即接近最大值，之后，尽管Lb在绝对数值上仍有比
较大的上升，但Sc已无大的上升空间，相反，当Lb大于
1000以后，Sc反而有所下降，这主要是由于背景亮度过
大而产生眩光的缘故。
特别要提醒大家的是：
照度是一个客观值，而亮度是一
个主观值。
对比感受性与背景亮度关系图
横轴Lb，纵轴Sc
二、关于道路照明的几个术语：
（参见新版《城市道路照明设计标准》）
1、灯具的安装高度——灯具的光中心至路面的垂直距离，符号为h。
2、灯具的安装间距——沿道路的中心线测得的相邻两个灯具之间的距离，符号为s。
3、悬挑长度——灯具的光中心至邻近一侧缘石的水平距离，即灯具伸出或缩进缘石的水平距离，符号为O。
4、道路有效宽度——与道路的实际宽度、灯具的悬挑长度和灯具的布置方式等有关的理论距离，符号为weff。
当灯具采用单侧布置方式时，道路有效宽度为实际路宽减去一个悬挑长度。
当灯具采用双侧（包括交错和对称）布置方式时，道路有效宽度为实际路宽减去二个悬挑长度。
当灯具在双幅路中间分车带上采用中心对称布置方式时，道路有效宽度就是道路实际宽度。
道路有效宽度计算示意图
5、环境比——车行道外边5米宽的带状区域内的平均水平照度与相邻的5米宽车行道上平均水平照度之比，符号为SR。
6、（道路）照明功率密度——单位路面面积上的照明安装功率（包括镇流器功耗），符号为LPD，单位为W/m2。
三、道路照明的质量评价指标
1、路面平均亮度（Lav）或照度（Eav）
在道路上行驶时驾驶员观察路面障碍物的背景主要是驾驶员前方的路面，因此，障碍物本身的表面和路面之间至少要有一定的、最低限度的亮度对比，驾驶员才能观察到障碍物。
路面平均亮度越高则眼睛的对比灵敏度越高，驾驶员觉察路面障碍物的可靠性越高。
路面平均亮度水平也直接影响到驾驶员的视觉舒适程度。
平均亮度越高（但需限制在产生眩光的亮度水平以下），驾驶员就越舒适。
2、路面亮度（或照度）均匀度
路面亮度（或照度）均匀度包括亮度（或照度）总均匀度和亮度（或照度）纵向均匀度。
（1）总均匀度（U0）
道路照明设施，即使能为路面提供良好的平均亮度，但也很可能在路面上的某些区域产生很低的亮度，因而在这些区域里对比值（C）低、阈限对比（
）高。
同时，视场中大的亮度差，也会导致眼睛的对比灵敏度（Sc）下降和引起所谓瞬时适应问题（视觉疲劳），结果是驾驶员的视看能力的下降。
为了保证驾驶员对路面上各个区域都有足够的视看能力，就需要确定路面上最小亮（照）度与平均亮（照）度之间的允许差值。
亮度（或照度）总均匀度定义：
路面上最小亮（照）度和平均亮（照）度之比，即
，式中：
Lmin——路面上的最小亮度值；Lav——路面上的平均亮度值
（2）纵向均匀度（UL）
当驾驶员在路面上行驶时，一般情况下总是沿着某一条车道行驶，而在驾驶员前方路面上反复相间出现的亮暗区对驾驶员的干扰（即所谓的“斑纹”效应）很大。
因此，为了减少这种干扰，就必须限制沿车道中心线上最高区和最暗区的亮度差，以提高驾驶员的视觉舒适感。
亮度（或照度）纵向均匀度定义：
路面上通过观察者位置并且平行于路轴的直线上（即车道中心线上）最小亮（照）度和最大亮（照）度之比，即
，式中：
L’min——车道中心线上的最小亮度值；L’max——车道中心线上的最大亮度值
注意：
一条道路有N条车道就有N个UL值（评价时用其最小值）。
3、眩光限制
是一项十分重要的评价指标，分为两类：
（1）失能眩光——损害视看物体的能力，直接影响到驾驶员觉察障碍物的可靠性，影响行车安全。
（2）不舒适眩光——引起不舒适感觉和视觉疲劳，影响到驾驶员的舒适度。
平时往往不予足够的重视，有也只是定性的评价，实际是可以通过计算来定量分析的（尤其是新标准已经提出了具体的数值要求）。
（1）失能眩光（生理眩光）
眩光导致视觉能力的损失，是由于光在眼睛里发生散射而造成的。
没有眩光时，直接视场里的景物的清晰图象聚焦在眼睛
的视网膜上，引起的视感觉与景物的亮度成正比；
有眩光时，眩光源的光线在眼睛里不聚焦，发生散射，
在视网膜方向上的散射会起到光幕作用叠加在清晰的图象上。
这层光幕可以看作有一等效亮度，强度与视网膜方向的散射
程度成正比。
视感总强度=景物亮度+等效光幕亮度
由于眩光而引起的光在眼睛里的散射图
研究发现等效光幕亮度取决于眩光源在眼睛上产生的照度（Eeye）以及观察方向和从眩光源来的光线入射方向之间的角度（θ）。
通常情况下，道路照明中路面亮度在0.05cd/m2—5cd/m2，θ一般在1.5—60°（对驾驶员而言是20°）范围内，等效光幕亮度可以用以下经验公式计算：
=
式中：
Lv—等效光幕亮度（cd/m2）；
Eeye——眩光源在观察者眼睛上（在垂直于视线（不完全水平）平面上）所产生的照度（lx）；
θ—视线和从眩光源来的光线入射方向之间的角度；
K—比例常数，当θ以度为单位时K=10，当θ以弧度为单位时，K=3×10-3
在实际应用中，视场中往往出现多个眩光源，这时总的等效光幕亮度等于各个眩光源所产生的等效光幕亮度的叠加，即
把等效光幕亮度加在背景亮度和目标亮度两者之上后，
一方面，由于背景亮度增加而引起阈限对比减小即对比
灵敏度增加；另一方面，对比又减小了。
但是，对比灵敏度［
］
增加的正效应还不足以补偿对比减小的损失。
这意味着，没有眩光时一个刚刚可以看见的物体，在有眩光时就看不见了，除非增加实际对比，称为阈值增量，定义：
在眩光条件下又能刚刚看见物体所需增加的额外对比除以有效对比。
（它是一个百分比）
对于道路照明中路面亮度在0.05cd/m2—5cd/m2，阈值增量可用下式计算：
式中：
TI—相对阈值增量（%）；
Lv—等效光幕亮度（cd/m2），假定观察者总是以与水平线成1°夹角注视与路轴平行的正前方（即一直注视着前方90m路面上的一点）；
Lav——路面上的平均亮度
我国即将重新颁布的《城市道路照明设计标准》规定，对于快速路、主干路和次干路，TI应小于10%，对于支路，TI应小于15%。
（2）不舒适眩光（心理眩光）
可以用眩光控制等级（G）来度量驾驶员所感受到的不舒适眩光，主要取决于特定灯具指数和道路照明设施的特性。
眩光控制等级（G）可以用以下经验公式计算：
G=13.84－3.31lgI80+1.3（lg
）1/2－0.08lg
+1.2lgF+0.97lgLav+4.41lgh′－1.46lgP+c
式中：
I80、I88—灯具在和路轴平行的平面内，与向下垂轴形成80°、88°夹角方向上的光强值（cd）；该值可以通过灯具的光强表查得，适用范围50≤I80≤7000（cd）；1≤I80/I88≤50；
F—灯具在和路轴平行的平面内，投影在76°角方向上的发光面积（m2）；该值可以通过实际采用的灯具计算而得，适用范围7×10-3≤F≤4×10-1（m2）；
Lav——路面上的平均亮度（cd/m2）；0.3≤Lav≤7（cd/m2）；
h′—水平视线（1.5m）距灯具的高度（m）；5≤h′≤20（m）；
P—每公里安装灯具数目；20≤P≤100；
c—光源颜色修正系数，对低压钠灯c=+0.4，对其它光源c=0。
举例：
以宁波燎原灯具NBDD—18为例
灯具尺寸图
该灯具的总尺寸为875mm×373mm，计算可得（更可以实际测量）发光面积为372mm×260mm，近似为0.09m2，76°投影面积为0.087m2（sin76°）；
不舒适眩光感觉和G值的关系表
G值
眩光感觉程度
评价
1
不可忍受
不好
3
感到烦恼
不足
5
刚刚可以接受
尚好
7
感到满意
好
9
感觉不到眩光
很好
4、诱导性——重要性很突出，但它是一个定性评价指标。
（1）视觉诱导——采用诱导辅助设施，如路面中线、路缘、或路面标志、应急路栏。
（2）光学诱导——通过灯杆和灯具排列、灯具式样、灯光颜色或其强度变化。
举例：
1）在设置连续照明的道路上，灯具排列整齐；双幅路上将灯杆设置在分车带中央；曲线路段灯杆设在外侧；在T型交叉路口在道路终端对面设灯等。
2）根据需要，通过改变照明系统、改变光源颜色、改变灯具的样式或安装高度、改变灯具的布置方式来获取良好的诱导性。
机动车交通道路照明标准值（2006）
道路级别
路面亮度
路面照度
眩光限制
TI（%）
最大初始值
环境比
SR
最小值
平均亮度
Lav（cd/m2）
维持值
总均匀度
Uo
最小值
纵向均匀度
UL
最小值
平均照度
Eav（lx）
维持值
均匀度
UE
最小值
快速路
1.5/2.0
0.4
0.7
20/30
0.4
10
0.5
主干道、迎宾路、通向政府、大型公共建筑的主要道路、市中心或商业中心的道路
1.5/2.0
0.4
0.7
20/30
0.4
10
0.5
次干道
0.75/1.0
0.4
0.5
10/15
0.35
10
0.5
支路
0.5/0.75
0.4
——
8/10
0.3
15
——
注：
1、表中所列的平均照度仅适用于沥青路面。
若系水泥混凝土路面，其平均照度值可相应降低30%。
2、表中各项数值仅适用于干燥路面。
3、表中对每一级道路的平均亮度或平均照度给出了两档标准值，由XX/XX表示，“/”的左侧为低档值，右侧为高档值。
道路照明标准（1991老版）
级
别
道路类型
亮度
照度
眩光限制
诱导性
平均亮度
Lav（cd/m2）
均匀度
Lmin/Lav
平均照度
Eav（lx）
均匀度
Emin/Eav
Ⅰ
快速路
1.5
0.4
20
0.4
严禁采用非截光型灯具
很好
Ⅱ
主干道及迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路、市中心或商业中心的道路、大型交通枢纽等
1.0
0.35
15
0.35
严禁采用非截光型灯具
很好
Ⅲ
次干道
0.5
0.35
8
0.35
不得采用非截光型灯具
好
Ⅳ
支路
0.3
0.3
5
0.3
不宜采用非截光型灯具
好
Ⅴ
主要供行人和非机动车通行的居住区道路和人行道
——
——
1～2
——
采用的灯具不受限制
——
注：
①表中所列的平均照度仅适用于沥青路面。
若系水泥混凝土路面，其平均照度值可相应降低20～30%。
②表中各项数值仅适用于干燥路面。
5、（道路）照明功率密度（适应绿色照明要求2006版标准提出的新的指标）
（1）定义——单位路面面积上的照明安装功率（包括镇流器功耗），符号为LPD，单位为W/m2。
（2）LPD的计算方法
1）照明安装功率（W）
包括镇流器功耗，若无法了解镇流器的准确功耗值，可以按照占灯功率的15%计算，如400W高压钠灯，其总功率为400×（1+15%）=460W。
2）计算面积（S）S=W×L
①路宽W:
分别根据道路断面（几幅路、有无分车带等）、路灯布置方式确定。
如单幅路，W为整个路宽；
双幅路，有中央分车带，且很宽，两侧对称布灯，原则上分车带不照亮，则按照两条道路来处理。
双幅路，中央分车带很窄，两侧或中央布灯，分车带也照亮，则按照一条道路来处理。
②间距L:
单侧布置：
两灯杆距离。
中心对称布置：
两灯杆距离。
双侧对称布置：
两灯杆距离。
双侧交错布置：
同一侧两灯杆距离的1/2。
③计算功率密度：
功率密度LPD=P×N/S
（其中：
P为每台灯具中的光源功率与镇流器功率之和；
N为系数，双侧对称布置时N=2，其他布置时，N=1）
各级机动车交通道路的照明功率密度值
道路级别
车道数
（条）
照明功率密度（LPD）值（W/m2）
对应的照度标准（lx）
快速路
主干路
≥6
1.05
30
＜6
1.25
≥6
0.70
20
＜6
0.85
次干路
≥4
0.70
15
＜4
0.85
≥4
0.45
10
＜4
0.55
支路
≥2
0.55
10
＜2
0.60
≥2
0.45
8
＜2
0.50
注：
本表仅适用于高压钠灯，当采用金属卤化物灯时，应将表中对应的LPD值乘以1.3。
第二部分道路照明灯具
灯具的作用是把光源发出的光按需要重新加以分配，以提高光源光通量的利用率，并使路面获得良好的均匀度。
一、道路照明灯具的基本性能与分类
1、基本性能
光学性能、机械强度、防尘防水、耐腐蚀、耐热、电气绝缘以及重量、安装、维护和外观要求。
（1）光学性能
1）合理的配光是基本要求。
配光：
灯具在空间各个方向上的光强分布状态。
合理配光：
有一定的布光角度，以保证灯具所发出的光在路面上有一定的覆盖范围。
越大越好？
不是的，太大了会产生眩光。
光分布不应有明显的突变，配光曲线比较光滑，以确保路面上的均匀度。
灯具的合理配光和不合理配光图
1—合理配光；2—不合理配光
2）灯具效率要比较高。
灯具效率：
灯具发出的光通量与灯具内点燃的光源所发出的光通量之比。
《城市道路照明设计标准》未对选用灯具时的效率指标作出明确规定，但在一般情况下，常规道路照明灯具的效率不应低于60%，这一指标来源于对大量国产灯具的实测结果。
同时必须指出，60%这一要求不适用于泛光灯具，因为泛光灯具的效率通常要低一些。
（2）机械强度
（3）防尘防水和耐腐蚀性能
（4）耐热性能
（5）电气绝缘性能
（6）重量、安装、维护和外观
2、分类
（1）按用途分类
功能性灯具：
灯具内装有控光部件（反光器），以便重新分配光源光通量，使配光符合道路照明要求，光的利用率得以提高，眩光也受到限制。
包括常规路灯头、泛光灯具，适用于一般道路、大型广场、停车场、立交桥等场所。
装饰性灯具：
采用装饰性透光部件围绕光源组合而成，以造型美观、美化环境为主，适当兼顾效率和眩光限制等要求。
包括庭院灯头、装饰灯头等，适用于庭院、商业街道、人行道、景观广场等场所。
（2）按灯具的光强分布分类
1）—1965年国际照明委员会建议根据灯具在最大光强方向以及在90°和80°角方向上的光强值（即眩光控制程度）分类。
灯具按光强分布分类（CIE，1965）
灯具类型
最大光强方向
在90°和80°角方向上所发出的光强最大允许值
90°
80°
截光
0—65°
10cd/1000lm（注）
30cd/1000lm
半截光
0—75°
50cd/1000lm（注）
100cd/1000lm
非截光
—
1000cd
—
注：
不论光源发出多少光通量，光强最大值不得超过1000cd。
目前，我国的《城市道路照明设计标准》就是按照本办法对灯具进行分类。
2）—1977年国际照明委员会提出了根据灯具的三个属性即射程（throw）、扩散（spread）和控制（control）的新的分类方法。
原因：
1965年的分类方法是基于评价灯具在一个平面或一维方向上的配光，而没有考虑其它方位角上的配光。
1射程：
表示灯具发出的光沿着道路纵方向投射的范围，
由灯具光束中心的高度角γmax所决定。
它等于通过最大光
强Imax的平面内2个90%Imax方向的高度角之平均值。
“射程”的定义示意图
②扩散：
表示灯具发出的光在道路横方向的扩散的程度。
可以画2条与路轴平行且刚好与90%Imax在路面上的轮廓
线相切的直线，取离灯具最远的一条，这条线的位置用γso
表示，即是在垂直于路轴的平面内向下垂线与从灯具到该线
的方向之间的夹角。
“扩散”的定义”示意图
③控制：
表示灯具对眩光的控制程度。
它由灯具的特征指数决定。
（尚未找到有关该方面的详细论述）。
灯具按光强分布分类（CIE，1977）
射程：
γmax＜60°为短射程；60°≤γmax≤70为中射程；γmax＞70°为长射程。
扩散：
γso＜45°为窄扩散；45°≤γso≤55°为平均扩散；γso＞55°为宽扩散。
控制：
SLI＜2为有限控制；2≤SLI≤4为中等控制；SLI＞4为严格控制。
（3）按灯具的防尘防水性能分类
我国的《灯具外壳防护等级分类》（GB7001—86）标准分类如下：
1、灯具的防尘性能分级2、灯具的防水性能分级
1级：
防大于50mm的固体异物；1级：
防垂直落下的雨滴；
2级：
防大于12mm的固体异物；2级：
防以最大15°的倾斜角落下的雨滴。
3级：
防大于2.5mm的固体异物；3级：
防淋水；
4级：
防大于1.0mm的固体异物；4级：
防溅水；
5级：
防尘；5级：
防喷水；
6级：
尘密。
6级：
防猛烈海浪；
7级：
防浸水影响也称“水密”；
8级：
防潜水影响也称“加压水密”。
通常所说的IP65就是要求该灯具为尘密并防喷水。
二、道路照明灯具的光学特性
道路照明灯具的光学特性数据是正确进行道路照明设计、计算的依据。
灯具生产厂商都应提供详细的数据（现实情况是大多数相对规模较小的灯具生产厂商都不能提供）。
光学特性数据分为两类：
基本数据—光强分布（非常重要）
导出数据—利用系数曲线图、等照度曲线图、等亮度曲线图和亮度产生曲线图等。
1、基本数据—光强分布
在试验室内用分布光度计测量而得。
道路照明常规灯具的光强分布通常采用c—γ坐标系统。
测量道路照明常规灯具光强分布的c—γ坐标系统图
该坐标系统的中心与灯具的光学系统中心重合，系统的垂直轴——从灯具的光中心向受照平面作的垂线。
垂直半平面绕轴转动，平行于路轴c=0°和c=180°，垂直于路轴c=90°（车道侧）和c=
270°（人行道侧）。
在每一个c平面内，高度角用γ表示，垂直向下γ=0°，垂直向上γ=180°。
显然，空间的任意一个方向都可以由c和γ来确定，确定路面这一参照平面后，路面上的任意一点的c和γ都是确定的。
1）光强表（I表）
光强表是利用计算机进行照明计算的必备参数表。
光强表格式示例（cd/1000lm）需要给出光强值的γ角和c角
由该表可以查出灯具指向路面上任意一点的光强值（结合使用内插法）。
按照国际照明委员会（CIE）建议，常规灯具应列出1872对c和γ（36个γ角×56个c角）所对应的光强值。
一般情况下，灯具的配光是对称的，所以只需972对即可。
2）光强分布（配光）曲线
一般以通过光中心的几个垂直平面上的极坐标光强分布（配光）曲线图和等光强曲线图的方式给出。
按CIE建议需给出光强分布曲线的垂直平面包括：
（1）包含最大光强的垂直平面，称为主垂直平面。
（标明c角）
（说明与反光器形状的关系），从该图中可以查得包括Imax、γmax等参数，并且可以大致了解I80和I90。
（2）平行于路轴的垂直平面（c=0°）。
（在该平面内的最大光强的方向）
（3）垂直于路轴的垂直平面（c=90°）。
（在该平面内的最大光强的方向）
（4）主圆锥表面
概念：
通过最大光强方向，γ=常数的圆锥表面称为主圆锥表面。
图中γ=65°。
主垂直平面上的平行于路轴的垂直平面垂直于路轴的垂直平面主圆锥表面上的
光强分布曲线上的光强分布曲线上的光强分布曲线光强分布曲线
索恩Civic2的光强分布曲线图GE（SKY.GEN）的光强分布曲线和利用系数曲线图
3）等光强（曲线）图
等光强（曲线）图可以表示灯具在空间各个方向上的光强分布状况。
天顶等面积网等光强图
注意：
需要考虑灯具仰角的不同，若仰角为0°，则可以直接读数（或内插）；若仰角不是0°，则需要用透明图的办法读取数值。
（顺时针旋转）
——坐标系变换。
（2）直接由光强表读取数值（可以用计算机计算）。
计算路面上任意一点的照度的另外一种方法是使用等照度曲线图，实际上计算的过程就是读图的过程。
（在等照度曲线图上标出P点的位置，考虑3个灯具）
2、路面平均照度计算
（1）根据点照度计算数值计算（按照测量的布点方法）
计算式：
式中：
Eav——路面平均照度；
Ei——第个计算点上的照度；
n——计算点的总数。
（2）按照利用系数曲线图进行计算——目前使用比较多的一种计算方法
计算公式：
式中：
η——利用系数。
根据道路的宽度和灯具的安装高度、悬挑长度和仰角，从灯具的利用系数曲线图中查得（方法后面举例说明）；
M——维护系数，随灯具的密封程度、使用环境条件及维护状况的不同而不同，一般为——建议按《道路照明指南》的方法确定数值；（例题中介绍）
Φ——光源光通量；
w——路面宽度；
s——灯间距。
3、照度均匀度计算
照度均匀度g=Emin/Eav，有时还需要考察Emin和Emax的比值。
（1）如果
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