常见问题

1 道路照明质量与路灯配光

道路照明首先是服务夜间道路使用者(驾驶员和行人)的，这是建设者规划、设计和实施道路照明工程最基本的出发点，而要充分满足使用者的需求，最客观的评价指标就是《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)中关于机动车道、交会区、人行道及非机动车道照明标准值是否达标。

1.1 LED道路照明质量存在的问题

当前导致用户对LED照明产品产生疑虑的原因主要包括两个方面：

1)照明工程质量控制有待加强。在新建道路照明项目中，设计、采购和实施严格把关的项目满足道路照明标准往往不是问题，而在城市路灯的EMC改造和PPP项目中，往往会出现以牺牲道路照明水平来换取节能收益最大化问题。同时由于竣工验收仅考虑机动车道照度和均匀度水平，则会以下问题的出现：导致失能眩光、环境比以及纵向均匀度等项目不达标的情况；人行道垂直照度不达标现象也普遍存在。这就导致路面有斑马线和看不清别人的脸等现象。

2)相较于传统照明产品，由于LED照明产品发光机理与传统光源不同，造成其表面亮度和光谱差异，同时配光设计有些差别，因此引起用户对于LED路灯的视觉诱导性差以及不舒适眩光显著等问题的广泛关注。如此种种，以前采用高压钠灯不存在的问题，现在是很多用户抵触LED路灯的理由。

1.2 LED路灯配光问题

1)垂直照度问题：LED的光学特点是尺寸小、点光源，非常容易实现精确的配光分布。这就使得产品生产企业倾向于通过光学设计把尽量多的光分布在验收考核重点的机动车道，减少在机动车道外的出光量，从而实现更大的节能，增强产品在项目中的竞争力。

图1 LED路灯及高压钠灯在道路横向的光分布
Fig.1 Light distribution of LED and SON on road transverse direction

图1(a)(b)和图2(a)(b)分别是LED路灯和传统高压钠灯路灯在道路横向和道路纵向常见的光分布。由图定性可见，传统高压钠灯由于光源尺寸大，放电管长，经反射器后从灯具出射的光分布范围广，不仅容易满足环境比的要求，也常能满足人行道上1.5 m高度垂直照度和半柱面照度的标准，从而比较容易实现人脸识别。而LED路灯光分布范围小，在一定的高度及灯杆后一定的范围外光分布少，从而造成人行道脸部垂直照度低形成黑脸，而在机动车道上，则常见空间照度低，跟随在大车后的驾驶员就会发现行进过程中每经过一个路灯的区间，大车车厢尾部会明显的一明一暗的照度变化，见图2(a)，长时间就会引起视觉疲劳。

图2 LED路灯及高压钠灯在道路纵向的光分布
Fig.2 Light distribution of LED and SON on road longitudinal direction

表1定量比较了常见的150W LED路灯与3种250W高压钠灯路灯在同一个假定项目中的计算结果，可以发现无论是在机动车道还是左右两侧3.5 m宽的人行道上，LED路灯的垂直照度都比高压钠灯低，甚至远未达到人流量较低道路人行道最小垂直照度的要求，但人行道水平照度已超过流量较高道路的标准。无论人行道还是机动车道的最小垂直照度位置都在灯杆位置，这是因为该位置上方的灯具直射往下的光线对垂直照度没有贡献，如果相邻灯杆灯具的光照补充不充分，该位置的垂直照度就无法达标，从这个角度而言，路灯在大的垂直角度上的光强是不可缺少的。从照明设计实践来说，如果找不到合适的产品，可以考虑在单侧布灯的项目中采用高低杆设计，增设人行道侧的小功率侧发光庭院灯具。

表1 LED与高压钠灯的应用计算结果比较

Table 1 Calculation results of LED and SON road lamp installation

注：表中对应的道路状况为10 m宽沥青路面机动车道，左侧布灯，杆高10 m，间距30 m，仰角5度，挑臂1 m，维护系数0.7

2)诱导性问题：在道路纵向两种类型灯具的光分布不同还会在视觉诱导性上有很大的差别，特别是在雾霾天的夜晚，用户常会感觉钠灯照明的道路可以提供更好的诱导性。其主要原因是高压钠灯更好的诱导性首先来自于它在大的垂直角上的适量光强分布可以比LED路灯让人在更远的距离就发现它的存在，从而可以据此识别道路的线型特征，LED路灯在大垂直角上光截止过于锐利，又多数是平面发光，离开四五个灯杆距离就看不到发光面，因此，即使路面亮度并不低，但视觉诱导性差。如果适当保留灯具路侧C0～C10平面和C170～C180平面上大垂直角的适当的光强，比如I80，I85，可以提高LED路灯的视觉诱导性(图3)。

图3 路灯配光与垂直照度及诱导性
Fig.3 Light distribution of road lamp related with vertical illuminance and guidance

3)不舒适眩光问题：LED路灯引起的不舒适眩光取决于观察角度、距离和灯具表面亮度。对路灯而言，前两者是固定的，变量是发光面的表面亮度。在2014年之前，大量使用的大功率LED芯片的表面亮度已是107 cd/m2量级，LED路灯灯具在不同视角透镜表面亮度105～106 cd/m2量级，是高压钠灯路灯透光罩表面亮度的数倍，现在又比三年前提高了20%。飞利浦亚洲研究院、飞利浦荷兰研究院和埃因霍温技术学院的联合研究发现，在较短的观察距离上，高的发光面亮度引起更大的不舒适眩光[1]，LED的眩光主要影响的是行人和非机动车驾驶员，但机动车驾驶员观察距离较远，眩光没有大的差别。

随着LED芯片技术的发展，越来越高光效的芯片进入商业化应用，特别是道路照明市场。这对节能和降低道路照明成本带来了巨大机遇，同时它所引发的的不舒适眩光问题则日益突出。在同样的道路同样的安装条件下，路灯的光通量是基本确定的，降低灯具表面亮度的方法简单来说就是通过增大发光面积来实现。比如出光面增加玻璃将阵列式点发光改变为面发光，同样是阵列式LED路灯，芯片单颗功率小、颗数多的灯具表面亮度更低。

上面分析了各种照明质量问题的原因来自于LED路灯的配光，但这并不是LED的天生缺陷。LED可以精确配光的光学特性提供了许多可能，其中一个可能就是可以完全满足所有道路照明指标，目前出现的问题不过是制造商的商业驱动和用户的节能驱动造成的一种现象。LED路灯可以实现道路照明的节能，但片面强调节能就会带来上述后果。

总之，道路照明质量标准是非常综合的评价体系，片面追求照明节能必然会牺牲照明质量，如果政策和建设方仍旧片面强调节能，是不可能解决目前面临的照明质量问题的；而许多LED路灯的制造商对产品和应用的理解不足，出于商业目的一味迎合甚至误导建设方的观念也是很大的障碍。

2 LED路灯失效机制与结构设计

路灯的维护管理单位从建设方接收项目后，最核心的任务是保证亮灯率和照明水平不低于标准要求，对应的是路灯的失效率和光衰两个指标，因光衰过大导致照明水平低于应用标准也可以理解为失效的一个类型，但常规讲失效是特指灯具不亮，需要更换和维修。这里主要讨论LED路灯的常规失效机制。

路灯维护管理部门对灯具的期望是高可靠性低失效率从而减少维护频率，必须进行维护时希望需要更换的部件易拆易装从而减少高空作业时间。总之，希望降低维护成本。这就是产品设计努力的方向——提高可靠性，降低维护难度。

2.1 LED路灯失效机制

LED路灯失效而灭灯无非是两种原因：发光部件LED芯片损坏，或给LED芯片供电的部件和灯具内电气回路损坏(不考虑供电线路的问题)。从LED路灯的构成(图4)来看，多种部件的失效会造成电气回路不通而灭灯。

图4 LED路灯构成
Fig.4 Structure of LED road lamp

图5 LED灯具失效原因统计分析
Fig.5 Distribution of failures

直接原因比如浪涌保护器(SPD)、驱动电源和印刷线路板本身的损坏，间接原因比如由于密封问题使水汽进入导致的印刷线路损坏、因震动或安装问题导致的电气连接松动、因灯体机械强度不够导致的灯具断裂等等。

在采用传统光源的灯具中，易损部件是光源，所以光源的电气参数和安装接口的标准化是最基本的要求。但LED灯具的失效机制完全不同，光源(LED芯片)是固态发光，特点就是寿命长，可靠性高，往往灯具其他元器件坏了而光源还完好。根据美国Appalachian Lighting Systems, Inc的LED灯具失效统计分析(图5)，在其7年合计2.12亿h的产品使用周期中，累计失效率为5%，其中，由于驱动电源(含浪涌保护器SPD在内的供电部分)损坏导致的占比73%，而LED导致的仅占比7%，甚至比灯具密封问题12%的占比还小[2]。飞利浦照明中国的售后服务部的统计，LED路灯的总体失效率两年约1%，其中SPD(浪涌保护器)损坏在所有失效灯具中占比约90%，另外10%为驱动电源及其他，LED芯片失效率可以忽略。但某省高速隧道管理部门反馈的统计数据，他们使用的光引擎模块化(图4中的方框内的部件组合)LED隧道灯在非完全使用状态下四年(四年里陆续改造使用的20万套灯具)总的失效率高达30%。

这些的实践经验提示我们，延续传统灯具的失效机制来设计可替换的光引擎模块化LED路灯并没有达到理想中的降低维护成本的目标。

2.2 LED路灯的结构与失效率分析

由于各制造商都不公布自己产品的失效统计和分析，我们并没有足够规模的的统计数据比较模块化的LED路灯和整体式LED路灯的失效率高低，但我们可以从两者的结构来分析失效的概率。

整体式LED灯具结构总体分电气腔和光源腔两个相对独立的腔体，分别用硅橡胶密封圈通过机械压力实现IP65以上的防护等级，以保护腔体内的电器部件和LED及印刷线路板，两个腔体间的电气连接也在整体灯具内走线，只有外壳是外露的，因此，发光部件和供电部件都得到最好的保护，灯具失效完全取决于所采用的部件质量。

光引擎模块化结构灯具，光学部件与电器部件完全独立，两者之间的电气连接复杂且多数电缆外露，而且多个模块意味着密封失效的概率增高，故而灯具整体的失效不仅取决于所采用部件的质量，往往还受外界环境的影响，总体故障率因此会提高，从而增加了维护成本。

将灯具设计成光引擎模块化的结构，一个原因是考虑光维持率到70%的L70寿命比灯具其他结构件寿命低，在灯体寿命期内可能因为光衰过大需要更换光学模块。但根据美国能源部文件的预测，设计优良的LED灯具现在已远超5万h L70使用寿命，2020年产品即可实现近10万h的L70寿命(表2)[3]。对路灯应用来说，10万h意味着20年以上的达标使用(每年4 300 h左右使用时间)，这个时间甚至比灯具的灯体寿命还长。事实上，在2014年前的项目中，就有制造商对自己的LED路灯产品提供5万h的质量延保服务。可见，LED的灯具设计完全可以不考虑光引擎模块的更换和升级需求。

表2 LED灯具使用寿命预测

Table 2 LED luminaire lifetime projections

3 结束语

路灯工程影响深远，一旦安装就意味着在以后的长时间用户都得承受安装产品的照明质量，不论好与坏；维护管理单位承担安装产品失效后的维护，不论多与少。在LED路灯市场大爆发的应用推广时期，行业人员应该对LED路灯可能存在的问题、解决方向和路线有清醒的认识，引导和鼓励优质产品及解决方案的使用。设计和生产过程中，需进行合理的灯具结构设计、严格控制照明产品质量；项目设计和采购时，合理根据道路照明安装条件选择灯具，在保证机动车道照明质量的同时，还应综合考虑人行道垂直照度等指标，考虑产品的可靠性和维护的简便性，从而实现优质的照明水平和更低的运营维护成本。