一種道路照明照度測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)作為一種新型光源[1]，與傳統(tǒng)光源相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、重量輕、節(jié)省空間、光譜范圍廣、易于設(shè)計(jì)、能耗低等，而且可靠性好、壽命長(zhǎng)，有著廣闊的發(fā)展前景[2]。隨著國(guó)家城市建設(shè)進(jìn)程的加快和節(jié)能減排戰(zhàn)略的落實(shí)，LED路燈產(chǎn)品在實(shí)際中的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。

由于路燈鋪設(shè)在室外，具有環(huán)境變化大、供電時(shí)間集中、測(cè)試環(huán)境危險(xiǎn)和實(shí)施測(cè)試方案困難等很多特殊性，因此大型的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)設(shè)備不易甚至無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行實(shí)地測(cè)量任務(wù)[3]。而路燈的質(zhì)量及其穩(wěn)定性又直接關(guān)系到交通運(yùn)輸?shù)捻槙澈腿嗣裆?cái)產(chǎn)的安全，因此有必要選擇合適的設(shè)備和科學(xué)高效的方法對(duì)LED路燈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試。本文分析了兩種傳統(tǒng)的道路照明照度測(cè)量方法，結(jié)合其優(yōu)缺點(diǎn)并根據(jù)LED的特性提出了一種改進(jìn)的道路照明照度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，編寫(xiě)了相關(guān)的計(jì)算處理程序，大大提高測(cè)量工作效率，保證測(cè)量工作質(zhì)量。

1　照度參數(shù)和測(cè)量方法

道路照明的功能是為司機(jī)和行人提供良好的視覺(jué)條件，它直接關(guān)系到道路行駛安全。而道路照明測(cè)量方法則是評(píng)價(jià)道路照明功能的主要手段，它主要依靠測(cè)量和計(jì)算所得的參數(shù)對(duì)道路照明功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中平均照度是LED路燈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與評(píng)價(jià)的首要參數(shù)。平均照度是各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的照度的平均值，它表征了道路表面被照明的程度[4]。如果道路的平均照度值過(guò)小，則表明燈具照射的效果不達(dá)標(biāo)或照射程度不夠均勻。照度均勻度的計(jì)算方法是所有測(cè)量點(diǎn)中的最小照度與平均照度的比值，是衡量所測(cè)燈具照射均勻程度的重要參數(shù);如果這個(gè)均勻度的值過(guò)小，在路面上就會(huì)出現(xiàn)“斑馬線(xiàn)”或“斑點(diǎn)”，會(huì)嚴(yán)重影響到司機(jī)和行人的視覺(jué)效果。平均照度不僅是評(píng)價(jià)LED路燈是否能夠保證照明質(zhì)量的一個(gè)主要數(shù)據(jù)，而且還是計(jì)算環(huán)境比、照度均勻度、照度維護(hù)系數(shù)、照明功率密度和應(yīng)用光效等相關(guān)參數(shù)的重要數(shù)據(jù)。這些參數(shù)是評(píng)價(jià)道路照明的重要依據(jù)和主要組成部分，同時(shí)也是評(píng)價(jià)路燈的主體和最重要依據(jù)。

根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的選擇方式的不同，傳統(tǒng)的道路照明照度測(cè)量的布點(diǎn)方法主要有四點(diǎn)法和中心法兩種[5]。

1.1　四點(diǎn)法

四點(diǎn)法是把選定的同一側(cè)兩燈桿間的測(cè)量路段分成若干個(gè)大小相等的矩形網(wǎng)格，把測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在每個(gè)矩形網(wǎng)格的四角，如圖1所示。

式中，E″av為平均照度值;E″0、E″1、E″2所代表的測(cè)量點(diǎn)與四點(diǎn)法相同

由于路面上各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的照度測(cè)量值差異很大，因此既考慮到測(cè)量數(shù)值的特殊性，又考慮到計(jì)算的整體性[8]，采用了式(3)所示的平均算法，將測(cè)量區(qū)域歸如下分類(lèi)：位于燈桿正下方的4個(gè)位置、兩燈桿間道路中心的若干位置、除第一類(lèi)和第二類(lèi)之外的道路邊緣的若干位置。根據(jù)3個(gè)類(lèi)型測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量和司機(jī)的使用頻率，分別將其乘以系數(shù)1、2、3，并且也考慮到布點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格的數(shù)量(M 和N)，改進(jìn)的布點(diǎn)及計(jì)算方法所計(jì)算的平均照度值更加精確。

綜上所述，在測(cè)試區(qū)域相同的條件下，傳統(tǒng)的測(cè)量方法需要測(cè)量25個(gè)點(diǎn)(如圖1、2所示)，而改進(jìn)的測(cè)試方法法只需測(cè)量16個(gè)點(diǎn)。相比之下，測(cè)量時(shí)間節(jié)省1/5，而且有效地避免了傳統(tǒng)測(cè)試方法中機(jī)動(dòng)車(chē)道測(cè)量點(diǎn)與人行道測(cè)量點(diǎn)相重合的問(wèn)題，并且計(jì)算的平均照度值更加精確。

2.2　參數(shù)計(jì)算程序

為了簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)價(jià)的步驟，進(jìn)一步提高工作效率，本方案中的參數(shù)計(jì)算部分可以根據(jù)改進(jìn)的測(cè)試和計(jì)算方法使用計(jì)算機(jī)程序完成相關(guān)參數(shù)的計(jì)算[9]。應(yīng)用LabVIEW 軟件編寫(xiě)了一個(gè)計(jì)算機(jī)計(jì)算程序，在輸入各個(gè)測(cè)量點(diǎn)相應(yīng)的照度測(cè)量值之后，首先自動(dòng)計(jì)算出道路的平均照度、人行道的平均照度和照度縱向均勻度，再計(jì)算出照度均勻度、照度維護(hù)系數(shù)、照度功率密度、應(yīng)用光效和環(huán)境比的數(shù)值結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)5。如圖5所示，該程序?qū)abVIEW 軟件中數(shù)組函數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，用兩個(gè)二維數(shù)組分別包含機(jī)動(dòng)車(chē)道和人行道所有測(cè)試點(diǎn)，并使用數(shù)組拆分函數(shù)和概率統(tǒng)函數(shù)以及公式(3)計(jì)算測(cè)試點(diǎn)的道路平均照度和人行道平均照度，進(jìn)而計(jì)算出環(huán)境比;使用數(shù)組提取函數(shù)分別提取出數(shù)組中的最小照度和每一車(chē)道上的最小照度，并根據(jù)提取的值計(jì)算出測(cè)試路段的照度均勻度和照度縱向均勻度。最終完成了測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理任務(wù)，即根據(jù)測(cè)量的照度值計(jì)算出平均照度、照度均勻度、縱向照度均勻度、環(huán)境比、照度維護(hù)系數(shù)、照明功率密度和應(yīng)用光效等參數(shù)。

本程序還可以判定應(yīng)用改進(jìn)的方法測(cè)量和計(jì)算得出的參數(shù)是否符合國(guó)家道路照明規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。如圖5所示，燈亮為達(dá)標(biāo)，燈滅為不達(dá)標(biāo)。它的優(yōu)點(diǎn)還在于計(jì)算速度快，而且可以連續(xù)執(zhí)行，界面美觀、簡(jiǎn)明，將復(fù)雜的計(jì)算流程隱藏到程序后端，使用快速簡(jiǎn)便，繼而極大地簡(jiǎn)化了測(cè)試評(píng)價(jià)工作。圖5中，指示燈點(diǎn)亮的參數(shù)達(dá)到了國(guó)家道路照明標(biāo)準(zhǔn)的要求，相反指示燈未點(diǎn)亮的參數(shù)則沒(méi)有到達(dá)國(guó)家道路照明標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5為實(shí)際測(cè)試的計(jì)算和處理的界面。根據(jù)測(cè)試所得數(shù)據(jù)與國(guó)家道路照明規(guī)范所比較，在功率減小20%的情況下，所測(cè)路段的LED路燈平均照度值、環(huán)境比、照度功率密度和應(yīng)用光效同樣可以達(dá)到國(guó)家道路照明規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值的要求。由于平均照度值、環(huán)境比、照度功率密度和應(yīng)用光效這些參數(shù)是衡量照明效果與節(jié)能的重要參數(shù)，因此LED路燈在道路照明中達(dá)到了節(jié)能高效的效果。而照度均勻度和縱向照度均勻度這兩個(gè)參數(shù)未能達(dá)標(biāo)，說(shuō)明LED路燈在應(yīng)用與道路照明中存在“斑馬線(xiàn)”的問(wèn)題。

3　結(jié)　論

本研究提出了一種改進(jìn)道路照明照度測(cè)試方法。該方法與傳統(tǒng)方法相比，既節(jié)省了1/5的測(cè)量時(shí)間，避免了機(jī)動(dòng)車(chē)道測(cè)量點(diǎn)與人行道測(cè)量點(diǎn)相重合的問(wèn)題，又改進(jìn)了計(jì)算公式，使得計(jì)算得出的平均照度值更加精確，而且自行開(kāi)發(fā)的一個(gè)自動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算和處理系統(tǒng)，更適用于實(shí)際測(cè)量和記錄。本系統(tǒng)可以連續(xù)計(jì)算和處理數(shù)據(jù)，而不需要重新啟動(dòng)程序，并同時(shí)給出評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，提出的道路照明照度測(cè)試方法的結(jié)果對(duì)道路照明照度及測(cè)試工程的開(kāi)展和實(shí)施節(jié)能減排都有實(shí)際得參考價(jià)值。

公式(3)的系數(shù)是通過(guò)大量數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的結(jié)果，并且應(yīng)用到大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2009A18GX016)的實(shí)際測(cè)量中。具體說(shuō)，通過(guò)選取若干不同參數(shù)計(jì)算獲得照度值，而后依次與LED燈出廠狀態(tài)參數(shù)對(duì)比，與實(shí)際道路測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，通過(guò)選擇獲得本研究提供的系數(shù)。這些系數(shù)不但適合實(shí)際照度標(biāo)準(zhǔn)的獲得，而且具有計(jì)算方便快捷的特點(diǎn)。特別是在實(shí)際應(yīng)用中，道路中間測(cè)得的照度值與實(shí)際檢測(cè)獲得的照度值更接近，因此這種檢測(cè)結(jié)果也更適于實(shí)際道路照明檢測(cè)的需要，具有指導(dǎo)意義。