LED隧道照明興起，存在哪些技術挑戰(zhàn)？

一般隧道照明的主要目的是通過提供隧道路面上物體的最大可見度，來防止事故發(fā)生，并為穿過或進入隧道的駕駛員增強安全性和舒適性。

CIE 88-“公路隧道和地下通道照明指南”為隧道照明提供了一個指導方針，是許多國家法規(guī)的基礎。它根據(jù)每一個的具體要求將隧道分成不同的區(qū)域。

首先，入口段需要非常高的亮度值，以便于駕駛員的眼睛能適應隧道中較暗的照明條件。入口段的長度由隧道中的最高限速來決定，因為越高的限速要求更長的入口段。

其次，在過渡段，路面上的亮度緩慢降低，直到達到隧道內(nèi)部區(qū)域的照明水平，從而提供從入口處到中間段平滑的適應。在入口段的前半部分中，考慮維護因子為0.67，照明約為150-300 cd/m2，而內(nèi)部區(qū)域通常限制在2-6 cd/m2。

目前公認的道路隧道照明的質(zhì)量參數(shù)包括：總體和縱向道路表面照明的均勻性（理想的是沒有頻閃）、隧道墻面的照明、避免眩光以及色溫和顯色指數(shù)。近年來，半導體技術發(fā)展，LED逐漸取代傳統(tǒng)隧道鈉燈。許多國家標準將上述參數(shù)的要求進行了更新。

新的LED定制標準

除了例如瑞士ASTRA（BundesamtfürStra?en）提出的規(guī)定之外，奧地利ASFINAG的計劃手冊（PLaPB 800.562）是首個專門針對LED隧道照明系統(tǒng)的標準之一。

這個標準將集群引入到不同的隧道照明類別中，不僅詳細說明了每個集群的不同照明要求，而且還規(guī)定了從18米（集群標準）到連續(xù)照明帶之間燈具的不同距離。而且它還對能源效率、照明顏色及顯色性作了不同的要求。

雖然顯色性在隧道照明中似乎不是最重要的指數(shù)，但是鑒于道路隧道內(nèi)不同信號顏色的數(shù)量不斷增加，對于司機來說，快速區(qū)分黃色和紅色、或藍色和綠色至關重要。

而且，與傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)相比，LED系統(tǒng)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在真正的彩色照明、高光效和高效的透鏡分布。LED系統(tǒng)可以在隧道內(nèi)部和入口區(qū)域提供模擬調(diào)光，從而消除了關閉整組燈具引起的路面亮度均勻性問題。

目前的LED隧道系統(tǒng)已經(jīng)變成智能解決方案，可以將燈具的當前狀態(tài)與司機實現(xiàn)交流。但是，關于將支援和控制電子設備需要在哪里集成，仍然在討論中。一些隧道市場要求在燈具內(nèi)安裝智能驅(qū)動，而另一些則要求將所有電子設備安裝在隧道內(nèi)的維護間或入口處的控制建筑內(nèi)。這兩種解決方案都有優(yōu)點，后者減少了維護工作。

基本上，在德國、奧地利以及瑞士，隧道燈具的一般特性和要求從CRI 20-30的鈉燈轉(zhuǎn)變?yōu)镃RI為70甚至80、4000 - 4500 K的LED，甚至一些目前的項目需要功效甚至超過110 lm/W、系統(tǒng)壽命大于80,000小時（在此期間失敗率少于10％）的系統(tǒng)。

圖1 隧道亮度的適應曲線

燈具規(guī)格之外的要求

但是一些要求，盡管很重要，單靠照明設備是不能滿足的。特別是早期的LED燈具比傳統(tǒng)的燈具更耀眼，因此避免眩光就變得越來越重要。

一些規(guī)定已經(jīng)要求閾值增量為8％甚至只有6％，因為較低的閾值增量意味著較少的眩光。閾值增量是光幕亮度與路面亮度的相對關系，越低的光幕亮度或較高的路面亮度都能減少眩光。光幕亮度本身取決于燈具的光通量和光分布。

燈具制造商可以開發(fā)出能最大限度提高路面亮度、同時還可以提供相對較低的光幕亮度的燈具，但是有一個關鍵因素是無法控制的。這就是路面的亮度系數(shù)q0，它決定了照度（lx）和亮度（cd/m2）之間的關系。根據(jù)路面等級，亮度系數(shù)通常在0.05和0.07之間變化。所以，q0可以改變道路上的亮度值約30％。反過來，燈具的光通量必須增加30％，這樣會導致更高的光幕亮度和更高的閾值增量。

圖2 舒適的隧道照明集群

圖3 連續(xù)的隧道照明集群

功效要求及如何實現(xiàn)

一個有意義、但不一定能達到預期結(jié)果的要求就是發(fā)光效率，即lm / W。該值完美地描述了LED的效率，更高的發(fā)光效率代表更高的能源效率。對于所有具有對稱光分布的隧道燈具來說，情況也是如此，這普遍適用于隧道的內(nèi)部區(qū)域。由于市場上不同光學系統(tǒng)的透射率值差不多，幾乎接近90％，而且光分布也提供了類似的路面亮度，因此發(fā)光效率是確定整個燈具能效的最佳選擇。但是，入口段和過渡區(qū)的燈具呢？

通常，這些燈具會配備反光元件，可以將光線以非常水平的角度反射給駕駛員。

與對稱光分布的燈具相比，反光的燈具提供了更好的亮度值。因此，反光的燈具在過去一直是隧道入口區(qū)的選擇，既經(jīng)濟又高效。但是，這些燈具只能用于入口段和過渡區(qū)域，因為在這些區(qū)域，燈具距離較小。在中間段，反光的燈具在8-15m的照明距離會產(chǎn)生太多的眩光，同時也產(chǎn)生光線的均勻性問題。

如圖4所示，反光燈具的峰值強度處于60°以上的垂直角度，更重要的是，光線幾乎全部分布在一個方向上。這種“光線彎曲”會導致反射損失，從而降低透射率，導致燈具的發(fā)光效率降低。對于入口段和過渡段的燈具來說，發(fā)光效率值并未考慮在內(nèi)。假設相同流明輸入的情況下，60°以上峰值的反光燈具會在路面上產(chǎn)生相當高的亮度值，而55°的會小，盡管后者可能具有更高的透射率值和更高的發(fā)光效率。

圖4 反射光線分布

圖5 對稱的光分布

這里還需要注意的是，在垂直角度更高處具有峰值強度的燈具不一定會產(chǎn)生更多的眩光。

因此，具體的表面功率密度更適于描述和要求隧道入口照明的能量效率，其包括已知的亮度值、入口段和過渡區(qū)的長度、以及所有安裝的入口（反光）燈具的功耗。

結(jié) 論

幾乎所有LED燈具的新標準都朝著正確的方向前進，會讓照明質(zhì)量穩(wěn)步提升，當然也會讓燈具更安全、更高的能源效率和更可持續(xù)性。

目前最先進的高科技照明燈具，由高檔技術玻璃制成，可在8-12米的燈具距離內(nèi)提供超過0.95的縱向均勻度。這意味著行車道中間的亮度值在隧道中幾乎不會發(fā)生變化，從而實際上消除了路面上的所有頻閃。

最新一代的燈管系統(tǒng)可提供高達125流明/瓦的功率，并將駕駛區(qū)內(nèi)的燈具與維護室內(nèi)的電源和控制電子設備完全分開。但是，還要面臨一些挑戰(zhàn)，不僅是技術上，而且法規(guī)也在不斷發(fā)展中。