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LED路灯道路模型与照明仿真分析
作者：许毅 刘畅 李永亮 来源：《科技资讯》2015年第09期
摘 要：针对目前LED路灯的道路照明问题，该文采用DIALUX软件对道路照明方案进行模型建立，以雷士照明灯具库为例，研究并分析在固定LED光源功率和配光曲线的前提下，LED路灯的照明效果是否满足国际照明标准CIE。根据光学仿真建模分析结果，得出影响LED路灯照明效果的关键因素：照明器的安装方式；LED灯杆的安装高度；LED灯杆的安装距离；照明器光源功率；照明器的配光曲线。并提出有效可行的LED道路照明解决方案，同时提高学生的学习兴趣和授课效果。 关键词：DIALUX LED路灯 仿真分析
中图分类号：TM923.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0085-02 《LED产品设计开发》是高职光电子技术专业一门重要的专业核心课，但是在LED路灯道路照明的教学环节中，存在很多实际问题，需要通过专业的光学设计软件DIALUX来进行模型建立与仿真分析，以具体的案例为主，通过改变相关参数来达到不同的仿真照明效果，让学生自己动手，以图像的形式展示，更好的提高学生的学习效果。
在道路上设置照明器是为了在夜间给车辆和行人提供必要的能见度。道路照明可以改善交通条件、减轻驾驶员疲劳、并有利于提高道路通行能力和保证交通安全。目前，随着大功率高亮度LED的迅速发展，由于其具有节能环保等优点，使得LED作为新一代照明光源被广泛关注。与传统的道路照明灯（高压钠灯和金属卤素灯）相比，LED路灯的主要优点是：光学性能佳、可快速启动、便于控制、高效、省电、节能环保、可靠耐用、寿命长等[1]。 道路通常用规定的路面平均照度和均匀度两个指标。前者的单位是lx，即每1m2水平照射面积上，均匀分布1lm的光通量；后者是最小水平照度与平均水平照度的比值。实际上道路的亮度分布与照度分布有相当大的差别。因此国际照明委员会建议用路面亮度、均匀度、眩光和诱导性四个指标衡量。建议城市干道、高速公路的路面亮度取2cd/m2，纵向均匀度取0.7，G=6[2-3]。
1 建立模拟仿真实训平台
目前，本文道路照明器选择雷士照明LED路灯，如图1所示，功率为200W。照明器要合理使用光能，防止眩光。照明器发出的光线要沿要求的角度照射，落在路面上呈指定的光斑，光线分布均匀，亮度大且眩光小，因此本文的眩光指数G=6，二次光学配光曲线为蝙蝠翼型，如图2所示。
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根据具体的道路断面形式、宽度、车辆和行人的情况，道路器可采用在道路两侧对称布置、两侧交错布置，一侧布置、分隔岛双叉布置和路中央悬挂布置等形式。该文的采用的具体参数如下：道路宽度25m；两侧交错布置；分隔岛宽度1m；三排双向车道；车道宽度3m；灯杆高度12m；灯杆安装距离25m；维护系数0.80；路面为R3柏油。
建立的LED道路照明的物理模型如图3所示。通过DIALUX光学设计软件，进行不同道路模型建立，分别为：
（1）两侧对称布置和两侧交错布置； （2）LED灯杆的安装高度12 m和15 m； （3）LED灯杆的安装距离20 m和25 m； （4）照明器光源为高压钠灯和LED光源； （5）LED光源功率为150W、200W和250W。
在不同的LED道路照明仿真模型下，仿真模拟LED道路照明实际方案，对道路照明的实际平均照度和均匀度进行计算，并给出相应的资料报表，可以保存为PDF格式文件，以供学生对不同的照明方案下的LED道路照明效果对比分析。对于某一具体实际道路，在选定照明器的前提下，能够给出该路段的LED道路照明方案，并进行仿真分析，研究该方案的可行性。
2 LED道路照明实例分析
下面以某市具体道路为例，此道路宽度为25m，双向三车道，车流量>2 400辆/h，限速100km/h，路面为柏油马路。
根据我国机动车交通道路照明标准值，此照明标准值适用于柏油马路，如表1所示[4-5]。 根据道路宽度25m；两侧交错布置；分隔岛宽度1m；三排双向车道；车道宽度3m等具体参数。该文选择灯杆高度12m；灯杆安装距离25m；维护系数0.80；路面为R3柏油。 打开DIALUX软件，选择新的道路照明设计方案，给定具体的参数，建立LED道路模型在计算平均照度和均匀度时，只要取其中的一个单位路段即可，因此该文对于平均照度和均匀度的计算采用25m×25m的计算面积为单位路段。
模型建立好之后，接下来是导入灯具资料，该文采用雷士照明的LED路灯，将设计好的蝙蝠翼型配光曲线IES文件导入DIALUX软件里就可以进行计算模拟。在模拟的过程中可以根据不同的模型来对比分析。例如，照明器的安装方式，两侧对称布置和两侧交错布置；LED
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灯杆的安装高度12m和15m；LED灯杆的安装距离20m和25m；照明器光源为高压钠灯和LED光源；LED光源功率为150W、200W和250W。
在布置好灯具以后就开始设定计算表面，也就是25m×25m的计算面积为单位路段，设定计算报表的内容，并开始计算。对于雷士照明LED路灯光源功率250W的照明器，两侧交错布置，灯杆的安装高度12m，灯杆的安装距离为25m时的平均照度计算结果，模拟计算照度分布表如图4所示，单位为cd/m2。
从表2中可以在25m×25m的计算面积内看到总共10列数据，最小照度值为18lx，最大照度值为54lx，平均照度值为30lx，最小照度值/平均照度值为0.62，最小照度值/最大照度值为0.34，数据结果显示，均满足我国道路照明的最低要求。
通过进一步仿真分析，得到照度分布表，如图4所示。可以观察到该道路中的照度值和均匀度均满足要求，而且没有黑斑的出现，能达到均匀照明的目的。 仿真结果照度伪色图，如图5所示。
可以看出，雷士照明的此款灯具，无论平均照度还是均匀度均达到国家要求，根据其仿真计算结果分析，该道路照明方案满足要求。综合不同模型道路模型，进行对比仿真结果分析，进一步得到，LED道路照明效果的关键影响参数：（1）照明器的安装方式；（2）LED灯杆的安装高度；（3）LED灯杆的安装距离；（4）照明器光源功率；（5）照明器的配光曲线。同时可以发现安装高度的越大，安装距离越远，LED光源功率越小，平均照度值也越小，而且均匀度下降。因此根据不同的参数进行调节，可以得到不同的道路照度值，进一步仿真分析得到最佳的道路照明方案。 3 结语
在LED路灯道路照明的教学环节中，通过DIALUX软件对实际道路情况进行仿真建模，学生通过亲自动手练习，更好的掌握LED道路照明效果的关键影响参数。通过对仿真结果的分析，进一步理解LED道路照明设计。同时，对不同的参数调节进行仿真分析，根据平均照度值和均匀度等照明质量指标，提出有效可行的LED道路照明解决方案。 参考文献
[1] 陈加琦，邹念青，张云翠，等.LED路灯的二次光学透镜设计[J].大连工业大学学报，2012（3）.
[2] 黄智炜.一种LED路灯透镜的二次光学设计与研究[J].华侨大学信息科学与工程学院，2010（Z1）.
[3] 罗晓霞.LED照明系统的优化设计[D].北京：中国科学院研究生院，2011.