智能场景——开启道路照明新时代

自1417年英国伦敦市长亨利巴顿率先命令伦敦市道路悬挂灯具至今，路灯照明已经有600年左右的历史，光源也从最早的油灯先后发展到汞灯、高压钠灯、无极灯以及目前的LED，这其中每一种光源的出现和普及都是科技进步的象征。进入21世纪，随着传感技术、通讯技术及相关电子技术的成熟，LED智慧路灯逐渐由概念走向成熟，路灯通过智能控制实现了节能，同时作为构建智慧城市的重要物理载体，路灯杆也发挥了得天独厚的优势，但是即便如此，道路照明本身并没有本质的变化。

道路照明的目的是为车辆和行人提供安全的交通环境，由路灯和路面两个要素共同构成，路灯光色和路面的参数的配合程度决定了道路照明的效果，不同材料以及相同材料在不同干湿度条件下具有不同的复合反射系数，这个复合反射包含了漫反射和镜面反射。DIAlux针对不同的路面材料以及路面的潮湿情况给出了不同的设计基数，便于人们针对不同的路面材料选用与之对应配光曲线的路灯，使之达到符合标准要求的照明效果。在《CJJ 45-2015 城市道路照明设计标准》中提到“干燥状态下的照明指标在潮湿状态下就达不到，比如亮度总均匀度，干燥状态下为0.4的路面在潮湿状态下要达到0.2都很困难”，显而易见的是均匀度越低越容易引起交通安全隐患。国际照明委员会在CIE115中也是类似描述，并且建议潮湿街道的照明遵照CIE 47-1979《Road Lighting for Wet Conditions》进行设计。因此不同反射系数的路面需要不同参数的路灯与之适应，才能达到照明标准。

图1、CIE针对路面潮湿情况作了单独要求

　　一、目前道路照明存在的问题和不足

1、照明公司能力良莠不齐。很多照明公司并不具备扎实的道路照明设计能力，对道路照明的理解还局限于路灯的造型设计、功能集成、排列方式、工程施工等方面，对于道路照明标准的光学要求没有足够的设计能力，或者没有更丰富的产品应对;

2、路面材料技术和施工工艺发展日新月异。材料科学家们针对路面材料的老化、渗水性、摩擦系数等性能在不断努力，每一次的突破都代表材料的反射系数极有可能随之变化，而无论是DIAlux这样的企业还是CIE这样的国际组织，都很难及时将所有路面材料进行准确的反射系数测试，此外施工工艺的不同也有可能会造成反射系数的改变，没有及时准确的路面数据就无法为之设计更合适的照明;

3、路面材料老化、磨损和翻新导致反射系数发生变化。这点DIAlux给出了充分的考虑，并给出了R1~R4的分类，然而实际上路面的老化和磨损是一个线性的过程，对于路面材料变化的这一过程，目前的路灯无法做到适时调节参数与之适应，所以目前的路灯技术只能满足某一时间段拥有好的照明效果;

图2、路面材料老化、磨损或翻新

4、下雨天气导致路面反射系数发生变化。这点CIE、PHILIPS均给出了一致的意见：潮湿街道的照明应该按照CIE 47-1979《Road Lighting for Wet Conditions》进行设计，DIAlux也用W1~W4对潮湿路面做了分类。然而大部分地区都不会一直下雨或一直不下雨，无论是按照干燥路面进行照明设计还是潮湿路面进行设计，在天气交替的时候路面的照明效果就会变得糟糕。

图3、路面潮湿使得道路照明变得很糟糕

图4、常规照明下某道路同一位置干燥状态和潮湿状态时候的照明亮度对比

潮湿状态下路面平均亮度更亮，但是与干燥状态相比，亮的地方更亮，暗的地方更暗，均匀度极差，并且在平视范围出现很强的有害眩光。

　　二、创新设计

　　针对长久以来道路照明面临的问题，我们提出了路灯照明参数动态调节的方案，对未来照明设计、照明应用将带来新的改变。具体而言我们设计了路灯的光学组合方案，一盏路灯可以包含两种以上角度不同的模块，在路面反射系数的改变时调节不同角度模块的发光强弱，从而获得混光后灯具配光曲线的改变。

　　该方案的实现得益于各项技术的发展达到一定程度，首先，LED出现之前其他光源出现要实现这一目标则一盏路灯上至少要准备两个灯泡配备不同的光学反射器，从结构上难以实现，此外其他光源在无极调光方面也存在较大的技术困难，而LED光源体积和光学透镜都很小，一盏路灯上可以包含上百个独立光源，可以轻而易举实现两组不同配光曲线的模块;其次LED成本的降低，也催化了该方案的实现意义，该创新方案为了配光曲线的混合调节通常需要多安装30%左右的LED，早期LED光效低价格高，成本结构中LED占据较大部分，而目前LED占据路灯成本结构已经很少，多30%的LED对总体成本也没有大的影响;再者，随着NB-IoT\Lora\zigbee\PLC技术的逐渐完善，以及控制技术的成熟，都为这一创新方案的成熟奠定了基础。

　　目前可行的调节方案包括：

1、成熟的公共照明智能管理系统，通过NB-IoT\Zigbee\PLC等通信方案，人工远程调节，或者设置有数据接口从气象部门获得当地的天气，根据天气情况调节配光曲线;

2、设置路面湿度监测仪，对路面情况进行适时监测，为整条道路照明提供调节依据;

3、单灯集成雨水传感器，在下雨天气每盏灯都可以独立调节自身的照明参数;

4、由摄像头感知路面亮度分布，并对亮度进行分析计算反馈至路灯，直至得出最优化的亮度分布。

以上设计方案在成本、成熟度方面各有不同，实际应用过程中也会达到不同的效果。目前基于以上方案提出的设计技术已经获得了国家专利。

图5、技术方案简图

　　三、未来道路照明展望

　　采用创新的路灯设计概念，未来除了道路照明将变得更好更安全，项目实施方式也将有所改变。

　　道路照明设计方面：路灯角度可以调节，工程完工后根据路面情况，自动或人工修正至最佳的照明效果。因此，设计师无需担心路面材料参数和理论数据不一致，从而导致照明设计效果和实际效果的差异，照明公司无需担心照明效果差而遭到甲方苛责;

道路交通安全方面：在路面材料发生了老化、磨损，或因为天气变化导致路面环境发生变化，路灯参数适应性改变，始终为人们提供更合适更安全的照明。我国机动车数量增加迅速，城市交通日趋复杂对交通安全要求更高，而我国平均年下雨天数普遍在110~150天，下雨天数最多的遵义年下雨天数甚至达到240天，一年有1/3天数的夜晚因路面潮湿造成照明效果差引发安全隐患，是否值得我们重视并改善呢?交通部门统计，雨天交通事故率达到平时的5倍。照明企业有责任从照明角度为交通安全做力所能及改善。

图6、始终保持最佳的照明效果

图7、路灯照明参数随环境发生变化

　　四、合作

　　根据中国市政工程协会城市照明专业委员会统计，中国在2015年时路灯保有量为3000万盏，近千亿的市场规模，未来如果所有路灯都能够实现参数可调，将具有非常大的社会意义和经济意义，但是从技术实现到落地还任重道远，特别是在控制、软件、算法等方面还有大量的工作要做，以一己之力难以实现，市场是共有的、价值是社会的，我们将以开放共享的姿态与志同道合的同行携手推进，也欢迎大家探讨交流。