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复旦大学刘木清团队开发LED隧道照明系统技术

2017-11-07 09:41:51来源:海外网
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LED光源光效测试(钟晨洲 摄)_副本.jpg

LED光源光效测试 钟晨洲 摄

分布式光度计(钟晨洲 摄)_副本.jpg

分布式光度计 钟晨洲 摄

2009年10月31日,长约8.95公里的上海长江隧道建成通车。在此次隧道工程建设中,首次大规模应用了由复旦大学信息科学与工程学院教授刘木清团队开发的LED隧道照明系统技术。这项系统技术于2007年立项,十年后的今天,将以技术成熟和已大规模应用的姿态亮相2017中国国际工业博览会。

“将用电量缩减到原来的50%”

隧道需要24小时不间断照明,且入口段灯具功率大,由此带来大能耗;另一方面,隧道环境条件恶劣,灯具保养维护成本高。LED的问世,给隧道照明提供了一个突破性的选择。相比传统光源,LED绿色、高效、长寿命的优势使其理论上特别适用于隧道照明。

2007年上海长江隧道建设工程立项开工伊始,刘木清团队就加入其中,开始了LED照明技术的攻关。相比较传统光源,LED 在隧道照明中的应用可以带来30%的节能,加上团队研发设计的“大型隧道LED照明双向集群控制技术”,就可以将用电量缩减到原来的50%。

在传统的隧道照明背景下,保养和维护隧道灯具都是需要养护人员的实地观察检测,发现异常情况再加以维修,而这样的操作既耗时耗力又效率低下,一旦出现突发情况无法第一时间加以解决,存在着交通安全风险。

在采用团队研发的智能控制系统后,隧道照明系统就可以快速实现自动巡检,及时发现异常问题,更加重要的是,在大流量的隧道通行情况下,智能控制系统可以自动调高LED的亮度,以保障行车的安全和效率。相反在车流量小的时候,控制系统就会在保证安全行车的前提下调低亮度。正是智能的调光控制,将节能的效果大大提升。而调光基本不会影响的灯具寿命和光效也是LED的一项优势所在。

“其实之前有过LED照明应用在隧道照明中,但是效果并不理想。”刘木清团队成员、复旦大学信息科学与工程学院副教授沈海平介绍。而要想实现LED 灯在隧道照明中最理想的应用效果,就需要考虑到灯具光线照明的均匀度。事实上,把LED灯具无间距地线状安装在隧道中就可以实现这一点,但是这种配置下的工程造价就脱离了现实。所以研发团队需要做的就是寻找造价和照明效果之间的平衡点。

“不能让司机头晕目眩”

在隧道照明领域,有一个概念是所有设计师无法避免的,这就是“频闪”,带给人肉眼的感觉就是图像在闪烁,而这种感觉会对司机的安全驾驶带来极大的影响。刘木清团队通过建立了新的隧道照明频闪理论模型,突破了国际上现有标准的频闪效应限制,在合理造价的前提下带给司机更加舒适的驾车体验。

在原来的隧道照明中,经常会出现“斑马线”,也就是地面光线不均匀的情况,这也会影响照明质量和行车安全。研发团队采用的手段是在灯具内优化了“反射器”或“透镜”结构,极大地提升光线的利用率,使用“内表面自由曲面配光技术”控制光线以提高灯光在地面的均匀度。同时配合线性灯具设计实现横向配光控制截光,也就是距地两米高以上的区域没有照明,光线最大程度上都照射在有效区域。

值得一提的是,LED灯具本身的设计也充满着研发团队的智慧的。“模组化隧道照明灯具技术”,每个灯具中按照光输出需求安装数块并列的标准LED模组。相较传统的每一个LED灯具中都是一整个铝块板的设计,应用这项技术后,更换损坏的LED更加方便、经济,并对整体的灯具运行影响很小。

“还有一个很重要的工作要做,不然其他的都是白搭。”面向目标路面特性的道路照明光学设计方法就是沈海平口中的重要部分。

一般情况下,要想实现最佳的照明效果,就需要路面的反射特性与灯具的照明光线配置相匹配。而路面反射特性方面的国际标准数据对于国内路面材料而言基本上无法使用,这对团队来说就是一项从零开始的工作。研发团队首先通过搭建实验室装置采得参考数据,然后建造室外路面反射率测量仪器,在不同的路面条件下测得所需数据,最后通过科学的算法和软件运算得出最优的配置方案。

“想为国家建设出点力”

在项目刚开始时,团队遇到了极大的考验。面对全国几十家厂家投送过来的材料和样品,团队成员夜以继日地测量样品性能并进行筛选。在研发前期,团队就发明了“聚光器法”和“窄光束标准灯法”两项新型LED光通量和光效测试技术,操作更简单、测试时间更短、精度更高的优势加快了筛选的进度。

最终,团队选出了四款样品进入了长达九个月的现场试验阶段,要想选出最优的LED来投入安装使用,就离不开不间断的现场测试,包括实地的驾车进行心理物理学方面的评估测试。隧道通车以后,按照计划,研发团队还需要对LED灯进行质量监控和光衰测试,测试数据显示,LED平均1000小时光衰0.79%,这大大低于传统荧光灯或高压钠灯。考虑到隧道恶劣的环境和交通流量的变化,这些测试往往都需要凌晨去做。

刘木清带领团队创造的成果形成了1部专著,发表了18篇论文,获得了8项专利授权(其中2项测试方法均获美国专利授权),写入了2项标准,实现了产业转化,除了上海长江隧道,还成功应用到了青岛胶州湾隧道、杭州钱江隧道等重大工程中。

“其实最让我们高兴的是我们所做的这些工作能为国家的基础设施建设出点力。”沈海平这样表达他对项目的感情。(钟晨洲)

责编:耿佩

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