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立交桥照明研究 2013/8/19 22:06:28
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立体光源对道路多层空间的照明研究

  1. 国内外现状

从古到今,道路照明工作者对道路照明做过许多的研究和试验,提出了不少的照明设计方法,这些方法的研究都有一个共同的目的就是让道路照明以最少的能耗,最优的效果为人们的生活服务,可以说人们对道路照明设计方法的研究从未间断过,所以道路照明指标也越来越多,道路照明设计的规范也在随之日益更新。

针对现在能源紧张、环境恶化的现实,国内外关于道路照明的研究人员越来越多,涉及的面也日益广泛,主要是针对道路照明的光源、灯具、控制、节能、视觉、艺术、光污染、照明与交通事故等等进行研究。

在道路照明光源上,道路照明的光源逐渐有低色温的高压钠灯到高色温的高压钠灯,到金卤灯到最近的LED灯;灯具一般还是采用截光、半截光、非截光三类;对路灯的控制方式现在比较多,集中控制、就地控制、光控、时控都可以做到;节能的方式更是枚不胜举。

在道路照明视觉上,由于国际上还没有中间视觉光谱光视函数推荐值,所以道路照明至今没有从明视觉变换到中间视觉,CIE已经成立了专门的研究机构进行中间视觉的研究[1]CIE的研究方法主要有基于视亮度的异色视亮度匹配法、基于亮度的闪烁光度测量法、基于反应时间的视觉功效法、基于光源的暗视觉与明视觉光通量之比的研究方法。其中视觉功效法被认为是最合理的方法,视觉功效法就是在不同的照明环境下人眼对背景中随机出现的目标的反应时间。

在道路照明的照度设计标准上,英国运输研究试验室(TRL)从20074月开始,进行一项有关车辆在夜间发生事故与道路照明关系的研究[2],为了弄清楚道路照明对交通事故的影响,将对所采用的照明系统相关联的数据进行分析。运输研究试验室的研究还将分析各种不同等级道路上照明水平和发生事故的频率与严重性的关系。这项目研究的目的是要分析并确定,是否有必要提高道路目前的照明等级,考虑采用更有效的现代照明设备取代目前的照明设备,以及在车辆设计与交通管理方面提出新的要求。具体研究结果目前还未公布。

在道路照明的光污染上,苏州科技学院的陈亢利对道路交通照明产生的光污染的环境以及污染产生的原因作出了研究[3],提出了树立环境道德,建设环境文化、健全法规,严格执法、加强光环境管理、加强科学研究,发展绿色照明技术等防止光污染的建议。

在道路照明的新指标研究上,重庆大学的陈仲林教授对到路照明阈限亮度差的实验研究和可见度的计算进行了研究[4],得出了在各种具体条件下具体的计算公式,为以后道路照明的“可见度”引入提供了一种有效方法。

在道路照明的照度计算上,有和室内照明计算相似的计算公式[5]。但是,道路飞铺,桥梁飞架的今天,道路照明发生了巨大的变化,照度不再是简单的平面照度计算,出现了立体光源对多层空间的照明,最典型的就是现代立交桥。由此给道路照明照度计算带来了一定的困难。现在国内外的照明照度的计算方法比较多,利用最多的是利用系数法[6-7]。一般都是利用计算机来计算,只要我们输入一些相关参数,工作面上的照度、亮度和眩光值我们一般都可以计算出来。比较有名的照明计算软件有德国的DIALux Autocad ,三雄·极光照明设计软件Litecalc,照明光学设计软件LightTools等等。

2 课题学术和实用意义

本课题是针对道路照明中的立交桥照明来研究的。人们一般把城市道路照明一般分为功能性照明和景观照明,两者相辅相成,共同构筑起现代城市的繁华外衣,体现着现代都市的文化层次和经济实力,更是展示城市特色,促进商业和旅游业繁荣以及迈向国际化的“硬件”条件之一。随着能源危机和光环境恶化的加剧,人们对照明的要求越来越高。所以城市道路照明照度的设计必须有一个合理的设计标准。照明设计者不能单单考虑平面的照度,还要加上空间立体的照度变化。照度的变化属于照度梯度的范畴,目前,对于这种立体照明的照度梯度的研究还不多。由于照度的梯度问题关系到人们如何科学的控光的问题,所以照度梯度的研究问题逐渐提到一个很高的日程。

照明照度梯度的问题归根结底是照明计算方法的问题,照明计算是照明设计的一个重要组成部分。在照明设计中,通过照明计算,不仅可以求出照明所需要安装的灯数和灯的功率,还可以对照明效果进行预测。值得说明的是现在道路照明的重要指标是亮度,拘于现在道路照明设计的现状,规范中要求的指标还多注重于照度值,而非亮度值。

观察一下身边城市立交桥照明的方式,还存在许多不合理的设计和规划。道路照明规范中规定“小型立交可采用常规照明,大型立交宜采用高杆照明”[8]。有的立交桥照明则是高杆照明和常规照明相结合的照明方式,这种方式下,由于光源不在同一高度上,由此产生了立体光源对多层空间的照明方式,特别是在多层立交的情况下。而且现在的道路照明灯具一般采用半截光的灯具,对于立交桥来说,由于有时立交桥的层数比较多,会造成上面的光源对下面的道路影响严重,当单独设计时,上层、中间层和下层的道路照度均达到要求的时候。由于单方向影响的作用,造成下层和中间各层的照度要求严重超标,这不仅造成能源浪费,而且光污染严重。

针对这种现实,必须在满足现代人们的交通和审美需求的要求下作出改进,这就要求采取合理的设计方案和科学的控制措施。为了在各层立交控制一个合理的照度值,必须把立体光源在空间立体上的照度变化规律研究清楚,才能更好地对立交桥进行照明设计。

. 课题研究目的、内容、技术路线

1.研究目的

通过研究几座典型立交桥的照明设计,运用一定的照明计算方法,找出照度的立体变化规律,找到合理的灯具布置数目和控光方式,达到节能增效和减少光污染的目的,使得照明质量、能源消耗、光污染等指标均满足要求。

2.研究内容

此课题是通过立交桥的照明研究,找出各层立交桥的照度变化,找出照度在空间立体上的变化,即照度在空间上的梯度。研究立体光源对立体空间的照明,研究光与空间、光与环境等的关系;确定最合理的灯具布置、控制方式和灯具数量以达到节能增效的目的;分析立交桥各层驾驶员附近的照度值变化与人视觉的关系,进而研究照度的变化与交通事故的关系;分析灯具的光通溢出,即给光污染的治理提供一些参考依据;

3.技术路线

采用现场软件仿真、实地测量、物理模拟实验的技术路线,对所得的数据进行分析,研究照度的变化规律,进而再次优化大桥的照明设计,再次仿真,模拟实验,以尽可能达到最佳的照明效果。具体的研究步骤如下:

1)首先选择几座典型的立交桥分析

典型的要求:(1)通过验收的、各项指标满足要求的立交桥;

            2)便于实地测量的立交桥;

对该桥搜集资料:(1)该桥的类型,包括桥的长度、级别等

2)光源的种类;

                3)灯具的种类;

                4)灯具的安装高度

                5)灯具的数量

6)灯与灯的间距

2)把该桥的相关参数输入软件,进行模拟,测量

1)把桥的相关数据输入软件,进行不同高度的照度测量,特别是低层立交层的照度值;

2)然后把这些相关数据运用一定的数学方法进行处理,绘出相关的曲线;

3)最后找照度的立体变化规律,归结为数学问题,就是找出照度的空间梯度,使得给桥梁照明设计提供一定的依据,关于照度的时间梯度则有控制来实现。

3)实地测量

选择一个合适的天气实地测量,观察所测数据。

4)模拟实验

充分利用照明实验室的设备,做一个小型的立交桥模拟实验,利用照度计和亮度计对所测立交桥进行模拟实验,观察实验数据并与实地测量和软件仿真的数据进行比较。

5)理论分析

1)根据相关照明理论,对照度在空间上的变化进行分析,研究光与空间、光与环境等的关系;

2)分析驾驶员附近的照度值变化与人视觉的关系,进而研究照度变化与交通事故的关系;

3)分析灯具的光通无效溢出,即光污染的问题,包括对周围动植物、人类、其他建筑的影响,特别是上层桥灯具对下层桥的影响。进而研究如何控制光的溢出。

6)总结与展望

找到照度在空间立体的变化规律,给立交道路照明设计提供一定的科学依据

.创新之处与拟解决的关键问题

1 创新之处

立交桥照明,光源在不同的空间高度上,各层桥也不在一个空间高度,由此出现了立体光源对多层立体空间的照明,所以不同于其他照明。现在由于照明软件比较发达,所以可以用软件来测量道路桥梁的照度值,许多照明设计者都是针对某一座桥梁或者某一条道路进行照度、亮度等指标的设计,而没有进行对照度的立体变化进行说明,标准中也只有平面的照度均匀度,而没有立体空间的均匀度,由此造成现在明亮的城市背后是巨大的能源浪费,故此研究方向具有一定的实际创新意义。

2. 拟解决的关键问题

1)研究立体光源对立体空间的照明,找出照度值在空间中的变化规律。研究光与空间、光与环境等的关系;确定最合理的灯具布置、控制方式和灯具数量以达到节能增效的目的;

2)分析立交桥各层驾驶员附近的照度值变化与人视觉的关系,进而研究照度的变化与交通事故的关系;

3)分析灯具的光通溢出,即给光污染的治理提供一些参考依据;

. 预期目标

⑴通过DIALUX软件,实现对大桥照明光环境的仿真,与实际测量、模拟实验结果进行比较;

⑵研究照度与空间、光与环境等的关系;确定最合理的灯具布置、控制方式和灯具数量,以达到节能增效的目的;

. 可行性论证

1. 学术条件

通过几个月的查阅相关方面资料,目前对这方面已经有一定的了解,而且我的导师姚加飞副教授曾经有过这方面的技术研究,所以学术条件具备。

2. 设备条件

重庆是一个立交桥众多的城市,闻名世界的立交桥也有几座,所以到实地测量的条件也具备;软件方面,我已经可以操作德国的照明设计DIALux 仿真软件,条件也具备。

3. 经费情况

落实

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