劉兵

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶402247）

地下道路中的新型導(dǎo)光系統(tǒng)

劉兵

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶402247）

該文主要分析了以導(dǎo)光材料為基礎(chǔ)的新型地下道路照明系統(tǒng)。通過對(duì)地下道路的行車環(huán)境以及路況的分析，在基于行車安全的條件下，給出了在一定行車速度和道路長(zhǎng)度下，所需照明儀器設(shè)備的數(shù)量。根據(jù)當(dāng)下LED燈的廣泛使用和當(dāng)前導(dǎo)光材料在照明方面的運(yùn)用技術(shù)成熟的條件，分析了如何利用LED燈和光纖材料實(shí)現(xiàn)在地下道路中夜間照明的可行性。

地下道路井；石英光纖；LED燈；綠色環(huán)保

0　前言

在地下道路的使用過程中，如果地下道路的燈光設(shè)計(jì)不合理或者僅僅依靠道路進(jìn)出口的通光半徑的設(shè)計(jì)，不能有效解決司機(jī)的視覺疲勞，而且可能導(dǎo)致交通事故。目前大多數(shù)的地下道路或隧道所使用的燈光系統(tǒng)的能量來(lái)源主要依靠電能，所消耗的電量經(jīng)濟(jì)成本很大，為了節(jié)約地下道路等基礎(chǔ)設(shè)施能耗使用成本，利用環(huán)保經(jīng)濟(jì)和被廣泛使用的太陽(yáng)能作為能量來(lái)源，將會(huì)有效地解決其使用成本問題。這種由以LED燈和太陽(yáng)光作為光源的光纖導(dǎo)光系統(tǒng)能夠使城市交通更低碳、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保。

1　燈光照明系統(tǒng)介紹

這種新型的地下道路的燈光照明系統(tǒng)主要由地下道路井、太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)、聚光器、光纖以及LED燈組成，其工作流程圖見圖1。它能夠有效利用太陽(yáng)光解決白天地下道路的燈光照明問題和利用以LED等所制成的地面路燈作為光源發(fā)射器，然后依靠光纖的導(dǎo)光系統(tǒng)為地下道路提供照明條件。這種系統(tǒng)能夠有效減少地下供電照明系統(tǒng)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)成本，又能夠?yàn)樵诘叵碌缆分行旭偟能囕v提供優(yōu)質(zhì)的照明環(huán)境。

地下道路井的建立主要是為地下照明系統(tǒng)的光纖布置提供通道，建立在地下道路的頂部與外界相連的通風(fēng)裝置。在利用石英光纖導(dǎo)光過程中，依據(jù)光纖材料自身的折射率，光照強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增加而不斷變?nèi)酰焕陂L(zhǎng)距離的地下道路的照明。所以可以根據(jù)太陽(yáng)光強(qiáng)度在傳導(dǎo)過程的衰減規(guī)律，按照一定距離的劃分設(shè)置地下道路井的數(shù)量和對(duì)其位置的選擇。地下道路井的井口處可以安裝太陽(yáng)跟蹤控制器系統(tǒng)和聚光器等裝置完成太陽(yáng)的聚集和光導(dǎo)纖維的接收過程。

太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)主要依靠GPS接收器接收所屬地的經(jīng)緯度和時(shí)間信息，將信息傳輸?shù)娇刂菩酒⒂?jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角，然后通過計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整具體方位，從而保證聚集更大強(qiáng)度的太陽(yáng)光，以便為地下道路提供足夠的光照強(qiáng)度。

聚光器的主要作用是聚集太陽(yáng)光線，將平行射入的大面積太陽(yáng)光通過折射或者反射作用聚成一個(gè)小面積的光斑，從而提高光的能量密度，增加單位面積上的光線數(shù)量。用聚光比來(lái)反映聚光能力，聚光比越高，聚光器的聚光性能也就越好，聚焦后所形成的光斑就會(huì)越小。

出于對(duì)材料的導(dǎo)光性能的比較和經(jīng)濟(jì)成本以及在光傳導(dǎo)過程中的傳輸效率等方面的考慮，選用市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)的石英多模光纖，光纖的數(shù)值孔徑為1mm，在可見光范圍內(nèi)光纖的衰減為20db/km。石英光纖是一種高折射率的純石英玻璃材料，具有孔徑大、機(jī)械強(qiáng)度高、彎曲性能好和很容易與光耦合等優(yōu)點(diǎn)，在其產(chǎn)品化和商業(yè)化之后其成本較低，使用技術(shù)比較成熟，控制精度高，靈活性強(qiáng)，便于數(shù)據(jù)的采集和分析。

在這種新型地下道路照明系統(tǒng)中，LED燈的使用主要是為了在夜間提供強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)的光照，供給地下道路的夜間照明。LED燈的數(shù)量和安裝的位置由地下道路井的位置和數(shù)量決定，它一方面可以為地面車輛或行人提供照明，另一方面能夠提供足夠的光線通過聚光器收集和光纖的傳導(dǎo)，供給地下道路所需照明的光照強(qiáng)度。因?yàn)槠囋谝归g行駛的過程中不會(huì)由于外界與地下道路的光照強(qiáng)度問題造成“白洞效應(yīng)”和“黑洞效應(yīng)”，而且汽車在地下道路夜間行駛的過程中也會(huì)有車身自帶的照明系統(tǒng)，所以只要合理選擇和使用LED燈，就可以供給地下車輛在行駛過程中所需要的亮度。

2　對(duì)相鄰地下道路井之間距離的討論

將隧道分為五段，分別為入口段、過渡段、基本段、過渡段、出口段。由于每一階段的照明光線強(qiáng)度要求和標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所以在地下道路的照明系統(tǒng)中宜采取分段式照明，根據(jù)照明強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行光纖照明系統(tǒng)的布置和對(duì)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)中的聚光器的個(gè)數(shù)設(shè)置，可以減少經(jīng)濟(jì)成本，也更有利于與實(shí)際情況相吻合。而對(duì)于相鄰地下道路井之間的距離也與地下照明強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。本文以地下道路的入口段和過渡段進(jìn)行分析，其他路段的分析原理相同。

2.1光纖傳輸效率分析

根據(jù)光纖的傳輸效率公式：φ=10-0.0021，其中l(wèi)為光纖的長(zhǎng)度，單位為m。則可得出不同距離長(zhǎng)度光纖的傳輸效率，如表1。

表1　光纖傳輸效率隨長(zhǎng)度的變化

設(shè)光纖的輸入端所接收的光通量為φ0，則可得到各個(gè)光纖長(zhǎng)度的位置經(jīng)傳輸后的光度，如表2。

表2　各個(gè)長(zhǎng)度段所接收的光通量

根據(jù)光通量Φ與光強(qiáng)度l之間的關(guān)系可知，光通量越大其光強(qiáng)度越大。而對(duì)于地下道路來(lái)說(shuō)采取分段式照明系統(tǒng)中每段的照明標(biāo)準(zhǔn)不一樣，就可以對(duì)其光纖照明系統(tǒng)中的光纖耦合率和單個(gè)系統(tǒng)所需光纖的長(zhǎng)度進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，滿足每段道路的照明要求。

2.2分段式照明的標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)照明設(shè)計(jì)規(guī)范，用Dth表示入口段的長(zhǎng)度，用Lth表示入口段前D所需要的亮度，則入口段的后D的亮度為ththLth，各段所需的亮度與道路外亮度之間的關(guān)系為L(zhǎng)th=kL20，其中L20表示道路外的亮度值，k為折減系數(shù)，取0.375。過渡段1、2、3部分的亮度標(biāo)準(zhǔn)值與入口段的亮度值之間的關(guān)系如下：

Ltr1=0.3Lth

Ltr2=0.1Lth

Ltr3=0.035Lth

由上幾式可得過渡段與道路外亮度的比值K1，見表3。

表3　過渡段與外界亮度比值K1

假設(shè)平均亮度與平均照度按照瀝青路面的關(guān)系為151x/cd· m^（-2），光通量φ、光強(qiáng)度E、光亮度L之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：

E=15L

E=φS

其中S表示光纖輸出端在地面的光照面積。

根據(jù)上面幾式可得地下道路中入口段和過渡段所需設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的光強(qiáng)度值E，同時(shí)可得到光纖傳輸?shù)降叵碌缆分械墓鈴?qiáng)度值，見表4。

表4　各段所需的光強(qiáng)度值

為了滿足地下道路中光強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，光纖輸出端的光強(qiáng)度值應(yīng)該大于或者等于各段所需要的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上面的推導(dǎo)，在光纖長(zhǎng)度為l的情況下可得到下面幾個(gè)不等式：

入口段1：10-0.0021Sφ0＞=5.625L

入口段2：10-0.0021Sφ0＞=2.8125L

過渡段1：10-0.0021Sφ0＞=1.6875L

過渡段2：10-0.0021Sφ0＞=0.5625L

過渡段3：10-0.0021Sφ0＞=0.1969L

若將光纖的耦合效率定為50%，根據(jù)了解目前使用的太陽(yáng)能定位系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到這個(gè)值，由于其光纖在地面的光照面積S與一個(gè)系統(tǒng)中透鏡個(gè)數(shù)有關(guān)，透鏡數(shù)目越多，傳導(dǎo)在地面的受光面積越大，所以只要合適的透鏡數(shù)目就可以確定各段所需的光纖長(zhǎng)度，從而確定地下道路井的位置和數(shù)目分配，其具體的工作原理圖如圖2。

圖2　白天照明系統(tǒng)工作原理圖

3　如何利用LED燈與光纖導(dǎo)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)夜間照明

汽車在地下道路的夜間行駛過程中不會(huì)受到外界與內(nèi)部的光線強(qiáng)弱的影響，而且汽車都會(huì)有自身的照明燈，所以在夜間由地下道路的燈光系統(tǒng)所提供的光線并不需要多大。城市的地面道路都會(huì)設(shè)計(jì)夜間的照明系統(tǒng)，所以在夜間可以將地下道路和路面道路的照明系統(tǒng)相結(jié)合，供給地下道路中的照明。這種系統(tǒng)能夠有效節(jié)約能源的消耗，降低城市基礎(chǔ)設(shè)施使用的成本。

這種照明系統(tǒng)主要由以LED燈制成的地面路燈作為光源，光源接收器和光導(dǎo)纖維組成，如圖3。而光源接收器可以利用太陽(yáng)光接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所以這種照明系統(tǒng)只要根據(jù)夜間地下道路照明的標(biāo)準(zhǔn)，合理的選擇LED燈的功率，在理論上就可以實(shí)現(xiàn)夜間照明。這種設(shè)計(jì)能夠有效減少城市交通的能源消耗和利于地下道路中照明設(shè)施的維修和檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了地下道路和地面道路的照明系統(tǒng)的一體化。

圖3　夜間照明系統(tǒng)

4　結(jié)語(yǔ)

由于地下照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與機(jī)動(dòng)車輛在地下道路行駛的時(shí)間和道路的設(shè)計(jì)車速有直接關(guān)系，所以這種新型的地下道路導(dǎo)光系統(tǒng)只能夠用于單向行駛的道路。從建設(shè)成本方面考慮，其道路長(zhǎng)度應(yīng)該設(shè)計(jì)在500m及其以上，才能夠體現(xiàn)出這種照明系統(tǒng)的優(yōu)越性。在夜間照明系統(tǒng)中，通過LED燈作為光源達(dá)到了地面道路與地下道路照明系統(tǒng)的一體化，所以這種照明系統(tǒng)的使用也僅限于城市地下道路，包括城市隧道、下穿道。

無(wú)論是從建設(shè)經(jīng)濟(jì)成本，還是從環(huán)保、綠色的角度出發(fā)，這種以太陽(yáng)光為光源的白天照明和以LED燈為光源的夜間照明都是行之有效的措施。這種新型的地下照明系統(tǒng)也有效地避免了傳統(tǒng)的固定式照明方式，它能夠根據(jù)外界光線的強(qiáng)度作出相應(yīng)的光強(qiáng)度調(diào)整，通過采用分段式照明有效地節(jié)約了建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本。對(duì)于夜間的照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能夠?qū)崿F(xiàn)地下道路和地面道路的照明系統(tǒng)一體化，極大地減少了能源消耗，節(jié)約了公共照明的電能消耗。在當(dāng)下綠色健康城市發(fā)展的前提下，這種新型的照明系統(tǒng)對(duì)地下道路的節(jié)能減排來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要的舉措之一。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

New Light Guiding System for Underground Road

The optical material-based new light guiding system for underground road is largely analyzed.According to the analysis on the underground driving environment and road situations，and based on the precondition of safe driving，the number of lighting equipment is given based on the conditions of a certain vehicle speed and road length.Given that the LED lights are being widely adopted and the technological application of light guiding materials in lighting is quite mature，the paper analyzes the feasibility of underground night lighting with LED lights and fiber optic materials.

underground road well；silica fiber；LED lights；green environmental protection

U453.7

A

1671-9107（2016）09-0021-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.09.021

2016-05-09

劉兵（1997-），男，重慶人，本科，研究方向?yàn)榻煌üこ獭?/p>