关键词 车载路灯检测 照度 光通量 亮度 GPS
随着城市建设的发展，市政道路建设对道路照明的要求越来越高。对于路灯改造项目的立项、新建路灯工程的竣工验收等多项工作均需要以路灯照度等数据为参考依据，同时对于未来的路灯节能、路灯/线缆监控等新设备的投用也需要以路灯照度等数据为考核标准。在以往的路灯照度测量工作中，我们采取的是人工测量的方法，该方法存在着测量速度慢、测量数据不准确、受人为因素、外界环境影响大、测量人员在路面作业不安全等多种不足和安全隐患。而采用车载路灯照度测量系统具备测量范围大、测量速度快、测量数值准确、不受人为因素、外界环境影响等多项特点，可以解决以往人工测量方式中存在的诸多问题。
另方面，随着路灯管理技术的发展，GIS系统（地理信息系统）越来越多的被应用在管理中，如何实时录入显示路灯位置，如何显示当前路灯的照明情况，这些都是在将来要面对的问题。
我局与武汉鸣鸿科技发展有限公司、德国UST传感器科技公司共同开发的车载路灯照度测量系统很好地解决了在上述实际产生的问题。
本系统是通过车载的路灯测量设备，实时地采集、计算、分析测量数据，自动判断所采集数据的道路照明情况，并采用多种图形、表格实时输出分析结果。
一、车载路灯照度检测技术功能：
1、路灯照度测量：
能通过车载照度测量车辆在道路上的行驶，在行驶过程中实时测量并记录下照度值；能通过测量所得的照度值/照度曲线，根据CIE标准，计算出路面的平均照度等数值。
2、路灯位置记录：
配合GPS定位，车辆在路面上行驶时，能自动排除路面光干扰，准确识别路灯并记录路灯的GPS地址。
3、综合信息处理：
支持将路灯位置、照度值等信息发送到GIS系统中，GIS系统独立显示。在综合系统分析后，系统自动根据路面照度进行路灯使用状态提醒。
4、基本物理概念：
（1）亮度：是指围绕某表面上的一点微单位面积，在给定方向所发射的发光强度以该单元投影到同一方向上的面积，单位是：cd/m2（坎德拉/米2）。
（2）照度：是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量，照度的单位是每平方米的流明（Lm）数，单位是Lx（勒克斯）：1Lx=1Lm/m2，式中：Lm是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度（约1770℃）时，其1/60m2的表面面积于1球面度的立体角内所辐射的光量。
（3）光通量：是指光源在单位时间向周围空间辐射的，能引起视觉反应能量，即可见光的能量。它描述的是光源的有效辐射值，单位是Lm（流明）。
（ 4 ） 发光强度（ 光度） ： 常用单位为烛光（cd，坎德拉），国际标准烛光（1cd）的定义为理想黑体在铂凝固点温度（1769℃）时，垂直于黑体（其表面积为1m2）方向上的60万分之一的光度，所谓理想黑体是指物体的放射率等于1，物体所吸收的能量可以全部放射出去，使温度一直保持均匀固定，国际标准烛光（candela）与旧标准烛光（candle）的互换关系为1 candela=0.981candle。
（5）照度与光度、距离间的关系是：E（照度）=I（光度）/2（距离平方）
二、CIE照度（亮度）定义及测量方法：
1、灯具坐标系统的定义：
在CIE34号文件中，对道路照明的坐标系统进行规定，推荐采用C-r的测试系统，并指出道路灯具安装于分布广度计上测试时，道路两边方向与C-r角度的对应关系如图一所示。即将平行路边纵轴的半平面定义为C=0°和C=180°，将垂直于路轴线的半平面上C=90°定义为路边，C=270°定义为屋边。
2、空间光分布精确测试方法的实施：
空间光分布的精确测试是路灯检测系统测量依据的基础。
分布光度的测量平面有以下三种：
（1）A-平面：是由一组平面组成，这一组平面的相交线经过光度测量中心，平行于反光面，并垂直于光源的假设轴线。如图二所示：
（2）B-平面：是由一组平面组成，这一组平面的相交线经过光度测量中心，而且平行于光源的假设轴线，垂直于B-平面的交叉线（如图二所示）。A-平面组和B-平面组都要求它们与光源的状态一致，如果光源倾斜，整个系统也要倾斜。
（3）C-平面：是由一组平面组成，平面的相交线垂直于光度测量的垂直中心线。C-平面通常在空间固定方向，不随光源的倾斜而变化。C-平面的交线仅在光源的倾斜度为0时（&=0），垂直于A-平面和B-平面的交线（如图三所示）。对于某些分布光度计而言，在一个锥面上测量和表示某个固定的极坐标角各方向上的光强分布是非常方便的，圆锥的轴线对应于C-平面的相交线，如图三所示：
上述提到，CIE标准中推荐道路灯具采用C-r的坐标系统，因此路灯的光度测量中一般均采用C-平面作为测量平面。
三、车载路灯照度检测技术测量原理：
照度测量：车载路灯照度检测技术的照度测量中采用C-平面作为测量平面（见图一所标注）。被测区定义为城市道路表面，测试单元划分为2×2m（或更小）的正方形网络，考虑到车辆宽度等因素，网络边线一般距路边0.5～1m，可免被反射光影响。进行水平照度测量时，根据CIE标准测量片面一般距地面高度应该为0.8m；实际高度为车顶高度+20cm（设备安装后高度。）
1.采用该测量方式所获得的照度实测数据及公式，E=l/r?即照度等于光度除于距离的平方，该公式根据CIE标准照度公式运算得出：
式中：l—光敏传感器所检测到的光度，单位为坎德拉（cd）；R—车顶与发光源之间的距离。
2.车体高度引起的误差与误差分析：
按照CIE标准，在C-面测量照度时，与路面的距离应该为0.8m，实际测量中的距离为车顶高度：h；照度测量误差因此而产生。
①照度理想测量值：E?=l/r?r在此处为光源与CIE定义测量平面的距离。
②照度实际测量值：E=l/R?=l/(r-h+0.8)?
根据①与②可以得出理想照度测量值与实际测量值的比为：
β=(r-h+0.8)?/r?=1-[2(h-0.8)/r]+[(h-0.8)?/r?]一般来说车顶高度在1.5m-2m之间，光源与路面距离在15m之内，由此可以得出β∈[0.84640，0.90885]。纠偏后的照度：E′=β?E≈[0.84640，0.90885]β?E3.行驶线路造成的误差与误差分析：
由于1.3中的误差分析是针对测量面垂直于光源面的一种分析，因此显然车载高度引起的误差分析仍旧是一种理想情况下的误差分析，实际使用过程中，我们并不能保证车辆在行驶过程中一定会以垂直于光源的线路行驶。因此，车载路灯照度检测技术中的成像像机的作用就显尤为重要了，该像机可以确认行驶路线与光源的夹角，如图六所描述的，测量面与光源的夹角α。由此得出，实际测量值的距离与理想测量值的距离误差为[(h-0.8)/sinα]与车载高度测量误差中运算方法同理，我们可以得出β=[r-(h-0.8)/sinα]?/r?。
4.综合上述误差分析后，我们可以得出的纠偏后的照度运算公式为：
E?=β?E={[r-(h-0.8)/sinα]?/r?}?E①其中E为车顶所测量获得的照度值；②h为车顶高度；③r为光源与C面的距离即[(hL-0.8)/sinα]；?hＬ为灯杆高度④α为行驶线路与光源的夹角；四、车载亮度检测技术测量原理：
车载路灯亮度测量中也采用C-平面作为测量平面。仍为图一中所标注测量面。被测区定义为城市道路表面，测试单元划分为2×2m（或更小）的正方形网络，考虑到车辆宽度等因素，网格边线一般距离路边0.5～1m，可避免被道路侧反射光影响。
①.取值点与待测点距离为：h；②.理想测量球面半径为：r；③.测量夹角为：α；④.亮度与距离的平方成反比关系；根据如上四点可以得出：
l′=k（h?/r?）l式中：l′为亮度理想测量值，l为实际测量值，由于车体长度固定，理想测量半径r为0.8m，因此唯一仍需要确认的是系数k的取值范围以及运算公式。
而该项数据需根据大量的长时间实际使用中所获得的数据进行分析，并因此建立起新的数学模型。
五、车载路灯照度检测技术基本实施方案：
1. 基于图像处理的检测系统：本技术中将采用光敏数字成象技术对光源进行扫描。其基本原理与数字相机相同，采用数字成像技术，通过光源的形状，我们可以在城市道路上的无数发光点中准确寻找并确定路灯位置。
2.数据处理原理：
(1)路灯照度检测以及定位：在汽车行驶过程中,系统对每一盏路灯进行数字成象, 并且在限定时间内对成象后的数据进行识别,排除外围环境干扰(如月光, 行使车辆灯光,周围建筑灯光等相干光源)然后将处理后的数值记录下来,同时记录下同照度测量仪器所测得的照度值，与其GPS地址构成基本数据单元。
系统可以连续性的对所经过地域的路灯照度进行记录,也可以选择性的对仅在GPS地图上已经标注了的路灯进行照度检测。
(2)数据库数据处理：数据库的每个单项数据元均包涵有图片,处理后的照度与地址三项参数,用以区别不同地点路灯。并且可以根据需要添加时间参数,以便进行更精确和多样的检测来满足用户要求。
(3)数据的输出可以按照用户需求,对被检测的路灯给出平均照度,并且在地图上标出照度低于平均照度值的路灯地址。
事先给出标准照度的范围, 这样可以在检测中实时确定损坏的路灯。对于标准的照度范围可以根据实际测量值或者用户本身的使用经验确认。
3.系统组成：
(1)数字成象的主要功能为检测光源的各组数据，并测量记录照度值。
(2)GPS接受器的主要功能为接受GPS信号并输入数据处理终端。
(3)数据处理终端的主要功能为：将照度数据结合GPS信号进行定位；将数据单元录入数据库，以备GIS系统调用；在GPS地图上实时标注出检测出的损坏路灯的地址和参数。
「参考文献」《城市道路照明设计标准》，中国建筑工业出版社。
2007国际照明委员会（CIE）文件。