浙江大學(xué)紫金港校區(qū)

浙江大學(xué)紫金港校區(qū)路燈規(guī)劃問(wèn)題的探討楊靚媛蔣博赟劉仁丁摘要紫金港校區(qū)是一個(gè)處在建設(shè)中的校區(qū)，路面的狀況并不是很好，下了晚自修走在東區(qū)或西區(qū)通往寢室的大路上，經(jīng)常會(huì)因看不清路面而撞到地面上的磚塊石頭，掉進(jìn)因施工挖起的小溝里，或踩進(jìn)路面的水坑。凡此種種，給同學(xué)們的生活帶來(lái)了不便，甚至?xí)l(fā)交通事故。路上雖然有路燈，但這樣的情況還是時(shí)有發(fā)生，所以，帶著這些切身體驗(yàn)，我們自然的想到了路燈的規(guī)劃問(wèn)題。究竟怎樣選取光源，怎樣布局，才能在滿足一定的照亮度的前提下，節(jié)省費(fèi)用，提高使用效率？對(duì)此我們做了研究，通過(guò)我們的研究結(jié)果可以對(duì)現(xiàn)在紫金港校區(qū)路燈的狀況給出評(píng)價(jià)，并對(duì)今后的建設(shè)提出一點(diǎn)建議。主要參數(shù)設(shè)定：參數(shù)意義L路的長(zhǎng)度a相鄰路燈的間距H路燈高度W路寬N1km道路內(nèi)燈的個(gè)數(shù)p每盞燈的功率每盞燈的光通量I每盞燈發(fā)光強(qiáng)度B地面亮度U0最小亮度與平均亮度之比U1沿車道中軸線方向的最小亮度與最大亮度之比G眩光度eB亮度期望值eU均勻度u0的期望值eU1均勻度ui的期望值eG眩光度G期望值正文一、一、問(wèn)題的提出：怎樣選擇光源，安放路燈是合理的？要求：1．滿足一定的照明需要，即亮度和均勻度應(yīng)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)；2．眩光度不能太高。目標(biāo)：在滿足要求的前提下，盡量減少路燈的數(shù)目，以降低成本。帶著以上的要求和目標(biāo)，我們對(duì)如下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究：1．在路燈的功率、高度和道路的寬度給定的前提下，怎樣選取合適的路燈間距；2．采用怎樣的路燈排列方式為宜。二、問(wèn)題的分析：以下是幾個(gè)評(píng)估照明狀況的指標(biāo)：1．亮度水平：道路表面亮度水平影響著駕駛員的對(duì)比敏感度，因而也影響著知覺(jué)的可靠性。通過(guò)一系列試驗(yàn)表明，路面平均亮度（在觀察者前面60—160m距離間）為1.5—2cd/m2，對(duì)駕駛員是合適的。而作不同用途的道路，對(duì)照明的要求也是不同的。2．亮度均勻性：為使路面亮度均勻，路燈的間距要減小，或要求照明器的配光能更合理些這勢(shì)必增加照明設(shè)備的投資。從知覺(jué)可靠性的角度來(lái)看，亮度均勻度min/B-0.4是合適的，然而，即使在這種情況下，路面仍有一塊亮一塊暗min的不舒適感覺(jué)。所以從知覺(jué)的舒適性出發(fā)，應(yīng)考慮縱向均勻度U1二BmJBmax（沿每個(gè)車道中軸線方向的最小亮度與最大亮度之比），要求U1-0.5-0.7。3．眩光：從限制不舒適眩光出發(fā)，要求眩光指數(shù)G限制在一定范圍內(nèi)。G可用下式表示:G=ISB+0.97lgB+4.411gh'—1.46lgN+CISB13.843.31lgI1.3(lgI/I)1/20.08lgI/I1.29lgF上式中參數(shù)意義如下80 8088 8088B：路面平均亮度(cd/m2)h':從駕駛員眼睛高度到照明器間的高度血)F:照明器表觀發(fā)光面積(C。平面上76。方向)(m2)N：1km道路之內(nèi)的照明器數(shù)目C:不同光源的光色對(duì)G的修正系數(shù)低鈉:+0.4；高鈉:+0.1；高汞:-0.1；其他燈泡:0。I80:與道路軸向平行的Co面內(nèi)垂直角為80。的照明器的光強(qiáng)(cd)I88:與道路軸向平行的C0面內(nèi)垂直角為88。的照明器的光強(qiáng)(cd)G=1時(shí)，不能忍受；G=3時(shí)，感到心煩；G=5時(shí)，可以接受；G=7時(shí)，令人滿意；G=9時(shí)，不引人注意。綜合這三個(gè)因素，我們可以對(duì)路燈的照明狀況進(jìn)行分析和評(píng)估，標(biāo)準(zhǔn)參考了國(guó)際照明委員會(huì)對(duì)各級(jí)道路照明的建議，詳見(jiàn)表1。表1國(guó)際照明委員會(huì)對(duì)各級(jí)道路照明的建議道路等級(jí)環(huán)境明暗程度路面平均亮度B(cd/m2)均勻度U不舒適眩光控制指標(biāo)&B/BminB/Bmin max高速車道明，暗20.40.76主干車道明20.40.75暗20.40.76城市過(guò)境放射式道路明20.40.55暗10.40.56主要街道明，暗20.40.54住宅道路明10.40.54暗0.50.40.55二、二、建立數(shù)學(xué)模型:考慮亮度MinN 1km內(nèi)燈的數(shù)目最少S.t：B>eBUo〉eu0U1〉=G〉eG從上面的分析可以得出：=1(cd/m2)=0.4=0.5=4四、算法的提出：1．亮度的定義和計(jì)算：定義：亮度是表征發(fā)光面發(fā)光強(qiáng)弱并與發(fā)光表面特性有關(guān)的物理量，可以用單位面積的光源表面在法線方向的單位立體角內(nèi)傳送出的光通量數(shù)值來(lái)量度。B—計(jì)算：p 4兀R22?給出兩種布局下，xy平面上亮度的函數(shù):TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"f(x,y)= = X4兀(x2+y2+H2)4兀H2 (x/H)2+(yH)2+1F(x,y)—藝[f(x-ia,y)+f(x-ia,W-y)]\o"CurrentDocument"對(duì)稱排列： i—0\o"CurrentDocument"F(x,y)—S[f(x-ia,y)+f(x-a-ia,W-y)]交錯(cuò)排列： i—0 23?計(jì)算兩種函數(shù)對(duì)面積的均值，及最大最小值（mathematica4.1實(shí)現(xiàn)）：即得到對(duì)照明質(zhì)量的評(píng)估，均勻度的評(píng)估，和眩光的評(píng)估。

B=屮Xn/(LXW)(屮是對(duì)B的積分)五、紫金港校區(qū)實(shí)際情況：路寬：18m兩燈間距：23m,采取對(duì)稱的排列方式。燈高：4.4m校區(qū)中一般采用的是250瓦高壓鈉燈，其光通量為275001m。我們?cè)谶@些數(shù)據(jù)給定的情況下,從以下幾個(gè)角度進(jìn)行分析:1.1.亮度對(duì)稱排列和交錯(cuò)排列時(shí)，平均亮度相等。B=0.6205(cd/m2)，這一亮度顯然不令人滿意。若間距縮小為14米左右時(shí)，B大約為1cd/m2，符合要求。2．均勻度藍(lán)色(1)(1)均勻度U1的分析考察車道中軸線的亮度，如圖所示：藍(lán)色1.41.2: 4:0.80.6路燈對(duì)稱排列 紅色一一路燈交錯(cuò)排列對(duì)稱排列：U1=0.585交錯(cuò)排列：U1=0.619⑵(2)均勻度U0的分析在每一個(gè)長(zhǎng)為A,寬為W的單元內(nèi)，作出兩度分布的曲面圖:0.80.64左圖——路燈對(duì)稱排列0.80.64右圖一一0.80.64左圖——路燈對(duì)稱排列0.80.64右圖一一路燈交錯(cuò)排列對(duì)稱排列：U0=0.749交錯(cuò)排列：U0=0.774從上面的分析中可以看出：交錯(cuò)排列時(shí)，光線的均勻度較好。3．眩光度考察當(dāng)路燈間距變化時(shí)，眩光度與間距的關(guān)系從上圖可以看出，當(dāng)間距從0增大到14-15米時(shí)，眩光度G快速增長(zhǎng)；而當(dāng)間距在增大時(shí)，眩光度G得增長(zhǎng)速度明顯減緩。且當(dāng)間距為14-15米時(shí)，眩光度G的數(shù)值以滿足要求，故再增大間距來(lái)提高眩光度G效果不明顯，反而會(huì)影響亮度。六、提出改進(jìn)方案1．光源的選用：在諸種光源中，高壓鈉燈有很高的光效，壽命又長(zhǎng)，當(dāng)對(duì)顏色要求不太高時(shí)，可采用之。在現(xiàn)今的例子中，宜采用非對(duì)稱光束的燈具，因?yàn)榕c圓形光束燈具相比，具有較寬水平光束的燈具可以更好地覆蓋被照面。2．布局改進(jìn)：將對(duì)稱排列改為交錯(cuò)排列?？s短路燈間距至14米左右。七、模型評(píng)估：根據(jù)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，路燈間距最大值應(yīng)為路燈高度的3.5倍，根據(jù)紫金港校區(qū)的情況，路燈間距不應(yīng)大于15.4米。這與我們分析的結(jié)果是相符的。本模型的不足之處是沒(méi)有考慮空氣的散射和周圍物體的漫反射，因此不可能做到最優(yōu)的結(jié)果。參考文獻(xiàn)：