安全人机工程学产品设计

创新设计安全型路灯

——安全人机工程学产品设计

院（系）华北科技学院安全工程学院

专业班级安全B082班

指导老师姚建

设计学生孟昭钊（组长）鲜俊

武小龙郝欢欢孙龙

设计时间 2011.3.9-2011.3.18

目录

1.设计背景

2.市场应用价值

3.产品设计原理

4.产品使用方法

5.产品创新点

6.备注及注意事项

（一）产品设计背景

随着科学技术的不断发展，国民经济水平的不断提高。我国的公共设施建设也日臻完善，比如说路灯的使用和发展，给我们夜间出行带来了极大的便利。现在我们早已习惯了在通明的路灯下走路或驾车，然而我们也经常发现有些地方的路灯一旦坏了，很长一段时间内得不到维修。严重的影响了我们的生活，为什么会这样呢？先让我们一起回忆一下陈佩斯演过的一个小品《修路灯》。在这个小品里，陈佩斯师徒二人只为修一曲曲两米多高的路灯，先后上演了登高坠地和修灯触电两起事故，可见修个路灯并非十分安全，十分容易，十分方便！加之现在的路灯已经不是两三米那么高了，一般来说街旁，路旁的路灯有六七米高，特殊工作场所如机场等地的路灯安装的更高。

那么下面我们点击一下百度，结果马上知道：

1）路灯坏了如何报修？

2）路灯坏了谁来修？

3）路灯坏了很久没人修！

4）路灯坏了哪个部门来修，怎么还不修？

......

类似上面的帖子还有很多，不难看出修路灯还真是个事，难道真的象有些人说的那样，装灯容易，修灯难！那么修灯究竟难在何处呢？我们从各大网站上得到的信息总结一下，可以看出，修灯难的原因：

一、专门修路灯的公司或单位，不会因为某处坏了一个两个路灯，

就会兴师动众的去修，同时对我们个人而言，又修不了路灯，有力用不上。

二、修路灯需要专门的高车，十分麻烦，同时有一定的危险性！

真是又搭工又撘料，自己修不了，上报不知往哪报，报对部门得盼着，不知师傅何时到？工人师傅也不易，登高修灯换灯炮，生怕自己往下掉！其实这些完全没必要，我们的新产品能将所有问题解决掉！

老式的路灯设计将灯泡安放再灯柱的最顶端，结合我们的人机工程的学习，此种设计不符合我们安全的要求，无法使人操作方便，省力，快捷而准确。更不能保证人的工作条件和工作环境的安全。其本身就是一种事故隐患，路灯的维修并非易事其根本原因是路灯的设计无法达到最高的工作效率。

我们的新式路灯就可以合理的解决路灯的维修过程中的不安全因素。

（二）市场应用价值

本产品安全可靠，操作方便，具有常规路灯没有的人性化设计，

“路灯坏了不可怕，自己动手往上挂”的良好效果，省去了传统路灯换灯泡时需要特殊登高设备才能完成的复杂过程，方便了路灯的检修，避免了高空作业，解决了换灯难，修灯难的问题。

路灯外形设计新颖前卫，架设方便，适合城建部门大批量购买用于街道照明！前景光明。

（三）基本设计原理

本设计原理是基于光的反射与散射，采用高发光率的光源，如高压钠灯，利用反射镜使得散射光线在灯管内汇聚成定向光源，接近顶部后又由平面镜两次偏折最后反射出灯管，然后透过半透明灯罩使定向光线散射成柔和灯光照亮路面。

其偏折角度与方向根据<路灯施工设计规范>的要求进行调整，起光源的射程，扩散，和控制均可由反射镜的安放角度及方向进行调节。

产品示意图

一、光源光强的选择

1.光源光强的选择根据表格调整

级别道路类型

路面亮度路面照度眩光限制

阈值增量

T1(%)

最大

初始值

环境

比

SR

最小

值平均亮

度

L av

(cd/m2)

总均匀

度

U o

最小值

纵向

均匀度

U L

最小值

平均照

度

E av(lx)

维持值

均匀度

U E

最小值

Ⅰ

快速路、主干路

(含迎宾路、通向政府机

关和大型公共建筑的主

要道路，位于市中心或

商业中心的道路)

1.5/

2.0 0.4 0.7 20/30 0.4 10 0.5

Ⅱ次干路0.75/1.0 0.4 0.5 10/15 0.35 10 0.5 Ⅲ支路0.5/0.75 0.4 —8/10 0.3 15 —

如果光源在管径内传播光线损耗过于大，则考虑将灯柱内壁处理，使其内壁全部形成镜面反射，光在传播过程中的损耗就会极大减小，但是成本会相应增高，顾不进行考虑。

2．高杆灯照明

本设计主要针对主辅路照明，一般采用高杆灯照明，采用高杆照明方式时，灯具及其配置方式，灯杆安装位置、高度、间距以及灯具最大光强的投射方向，应符合下列要求：

1 可按不同条件选择平面对称、径向对称和非对称三种灯具配置方式。布置在宽阔道路及大面积场地周边的高杆灯宜采用平面对称配置方式；布置在场地内部或车道布局紧凑的立体交叉的高杆灯宜采用径向对称配置方式；布置在多层大型立体交叉或车道布局分散的立体交叉的高杆灯宜采用非对称配置方式。无论采取何种灯具配置方式，灯杆间距与灯杆高度之比均应根据灯具的光度参数通过计算确定；

2 灯杆不得设在危险地点或维护时严重妨碍交通的地方；

3 灯具的最大光强投射方向和垂线交角不宜超过65°；

4 市区设置的高杆灯应在满足照明功能要求前提下作到与环境协调。

针对高杆灯照明要求，进行合理改进，如果高杆灯要求多方向照明，则依旧利用反射原理在顶部将光柱分散成多条分光柱后再散射出去即达到要求

原理图

针对高杆灯的不同配置要求改变反光镜的布置和角度，均可满足要求

高杆灯灯具配置方式

(a)平面对称；(b)径向对称；(c)非对称

3．光源的校准及方向的确定

为了防止光柱在管道内传播过程中倾斜，光源通过螺丝固定在底座，同时在光源旁边设计一个插口放置红外线作为基准线，如果在安装调试过程中发现红外线无法顺利通过管道射到地面，则说明安放灯泡的基座不平，需要重新加以调试。

原理图

(a)

(b)(c)

4．安全辅助措施

（1）灯具保护措施

为防止人为偷取灯泡或者破坏照明设施，调试窗口设计双重保护，统一的锁打开，并且采用特殊螺丝，保证普通螺丝刀无法随意打开，窗口高度设计高于人平均身高，保证了非专业检修人员不会随意触碰，在基座下设计备用灯泡储存位置，使得特殊情况下灯泡的更换更加方便。

（2）系统接地保护

1.本工程设计采用接地保护系统

2.箱式变压器的接地才用敷设成闭合环形的人工接地装置，防雷接地、保护接地公用防护装置，要求实测接地电阻小雨4欧姆

3.由于路灯的灯杆皆为金属灯杆，灯杆的良好接地非常重要，根据规范灯杆要设接地极。通过焊接将标准接地极与路灯的金属底座连接，同时电缆再同该电缆支路每个路灯底座连接。从而组成一个大的接地系统，以确保人身安全。要求系统实测接地电阻小雨4欧姆，并要求所有金属外壳、配线钢管等所有照明设施等所有设施的金属部分均与接地系统连接。

5.扩展及改进

扩展一：

经过改进该设计还可用于装饰照明，将灯管一部分使用带颜色的半透明材料。当管径内光线通过时可以透过半透明材料照射出去，达到辅助光源作用。又合理利用了光源在灯管内部的损耗，将交通道路两侧设置装饰照明和功能照明结合起来统一设计。

机动车交通道路的主要功用是供机动车通行使用，首先要考虑功能性照明的设置，保证功能性照明不受到其他照明的干扰，所以，将功能性照明和装饰性照明结合在一起考虑，既能有效协调两者之间的关系，又利于保证功能性照明的效果；而当两者发生矛盾时，装饰性照明必须服从功能性照明的要求。设计避免了机动车交通道路两侧设置的装饰照明可能造成对驾驶员视觉干扰

二．光源的选取原理

对不同的路面状况和环境可以采用不同的光源

(1) 通过对各种光源性能参数的比较，同时考虑道路照明的要求，高压钠灯具有光效高、寿命长，显色性也符合一般道路照明要求的特点，所以将高压钠灯作为机动车交通道路照明的首选光源，可在各类道路上使用。如果从光源发光效率的角度来看，低压钠灯是目前光效最高的光源，但它的显色性不好，而且高压钠灯的光效仍在不断地提高，比较而言，低压钠灯已无优势。所以，本标准不推荐在快速路使用低压钠灯。高压汞灯的光效较低，而且光衰也比较严重，通常情况下也不考虑。

(2) 商业区和居住区的人行道路照明光源，可考虑选择金属卤化物灯、细管径荧光灯或紧凑型荧光灯，因为这些光源的显色性好，并且在居住区环境要尊重人的感受，强调以人为本的理念，同时，这些光源的发光效率也比较高。

(3) 对颜色识别要求较高区域的机动车交通道路，出于显色性方面的考虑，使用金属卤化物灯。研究工作的结果表明，与高压钠灯相比，金属卤化物灯光源的光谱分布有较高的蓝绿成分，因此，在道路照明（非明视）条件下可以产生更高的可见度，因此达到相同的视觉效果所需要的光源功率，金属卤化物灯就要比高压钠灯低很多。

扩展二：

经观察，为了节省灯柱的材料以及增加灯柱的抗风险，路灯的灯柱一般采用圆台形式，在底部设计凹面镜，将光源偏折汇聚

1.光源损失的计算

打开照明设备时，灯光会在光源（灯或镇流器）和照明设备（如灯罩或透镜暗灯槽）中穿行，直到它到达需要它的工作平面为止。在此过程中，传播的光线数量将会根据光源、照明设备和其他环境因素逐渐减少，并逐渐变模糊。光损失系数可测量灯光从光源发出后在传播过程中的减少量。

定义“光损失系数”时，请按以下方式定义参数。要获得特定类型灯的相应“光损失系数”值，请咨询灯制造商。

参数说明

温度损失/增加系数对于荧光灯光源，用于测量由于理想运行温度的上下

偏差而损失或增加的光线数。有效值介于 0 和 2 之

间。值为 1.0 表示没有因为温度改变而损失或增加任

何光。值大于 1.0 表示灯光增加。值小于 1.0 表示

灯光有所损失。

电压损失/增加系数测量由于提供给光源的电压中的波动而损失或增加的

光线数。有效值介于 0 和 2 之间。值为 1.0 指示没

有由于电压变化而损失或增加任何灯光。值大于 1.0

表示灯光增加。值小于 1.0 表示灯光有所损失。

流明损失系数一起作为一个系统运行时，灯和流明会有损失。流明

损失系数是由给定的流明产生的灯的初始额定流明的

百分比。有效值介于 0 和 1 之间。例如，值为 0.95

指示流明产生其初始流明的 95% 并损失 5%。

灯倾斜损失系数对于金属卤化物灯，测量由于灯的位置损失的光线数。

灯的角度偏移灯泡的冷点时发生的灯光的减少。值小

于 1.0 表示灯光有所损失。

表面减光系数测量由于照明设备表面老化而损失的光线数。例如，

污点和脱色的屏蔽材质会改变发出的光线数。值小于

1.0 表示灯光有所损失。

灯流明降落随着灯老化，它会在预期的曲线上产生减少的灯光数

量。典型策略是在达到其寿命的 40% 时使用平均“灯

流明降落”(LLD) 值。有效值介于 0 和 1 之间。例

如，小型荧光灯的 LLD 系数为 0.85，指示平均输出

为其初始流明的 85%，在灯老化之后损失平均 15%。

灯具尘埃减能测量由于照明设备弯曲处的环境污物和尘土而损失的

光线数。有效值介于 0 和 1 之间。例如，值为 0.9

指示设备产生其初始流明的 90%，由于弯曲处的污物

和尘土损失 10%。

光总损失系数测量在考虑到遮挡或减少发出的光的各种环境因素之

后，灯产生的光线数。“方法”为“简单”时，请使

用滑块或文本框来指定值。“方法”为“高级”时，

此参数显示一个只读值，该值是通过将其他参数的值

相乘计算出来的。有效值介于 0（光总损失）和 4（光

增加至 400%）之间。值为 1 指示没有光损失（100%

的初始灯光亮度）。

如何减少光源传播过程中的损耗

为了减少光源在灯柱中的传播的损耗，本设计灯柱主体及以上部分采用整体设计，灯罩设计密封后，在使用时从底部注入氦气或者氮气，使内部的压力高于外部大气压，然后将开口密封。从而使外部的污染空气和灰尘无法进入灯柱内部，减少了光线在管中的传播损耗，同时减少了外部湿润空气对器具的腐蚀。

2. 路面亮度系数和简化亮度系数表

A.0.1 亮度系数（q）为路面上某点的亮度和该点的水平照度之比（即q=L/E）。它除了与路面材料有关外，还取决于观察者和光源相对于路面所考察的那一点的位置，即q=q(β,γ)。其中β为光的入射平面和观察平面之间的角度，γ为入射光线的垂直角(图A.0.1)。

γ

H

δ

β

图A.0.1 确定路面亮度系数的角度

A.0.2 根据亮度系数的定义，可按下式进行亮度计算： L=qE=q(β,γ)E(c,γ)

=γγγβ3

2

cos ),(),(?H

c I q =r(β,γ)

2

),(H

c I γ

r(β,γ)=q(β,γ)cos 3

γ 式中 r(β,γ)——简化亮度系数；

I （c,γ）——灯具指向c 、γ所确定的方向上的光强。

3.聚光灯照的设计要求

按照本路灯的要求，由灯泡直接射出和经灯罩反射后的光线应该最大程度的沿直线传播。灯罩内部为水银镜面涂层，呈弧面，其弧度可由高等数学计算算出，表现在平面直角坐标系中，结果如下：

y 2=2*C*（x+C/2） C 为常数

在该函数下光可由灯罩弧面完全反射直线输出

三. 节能原理

1.合理选择照明器材是实现节能的有效手段之一。 ①可以采用深夜能自动降低路灯光源功率的装置，如双功率镇流器或有载调压变压器等。

②采用深夜关掉不超过半数灯具的办法，其优点是简单使用，缺点是会道路路面亮度（或照度）均匀度降低。采取这种办法时要注意的是不允许关掉道路纵向相邻的两盏灯具，以避免均匀度降低得过多。

2. 选择合理的控制方式，采用具有可靠度高和一致性好的控制设备也是一项重要的节能措施。控制装置设置于路灯的底座部分，可方便的手动和自动调节，控制方式选择合理，控制设备质量可靠，做到需要开灯时能即刻开启，需要关灯时马上就能关闭，准确控制全年的灯具燃点时间，达到节能目的。

3. 清扫和维护灯具等照明设备对节能有着重要的现实意义。本灯具上部分采用良好的密封整体设计，对清洁和维护要求较低，下部分清洁方便，对灯具来说，若能按半年或一年周期进行一次彻底擦拭的话。即可以通过擦拭灯具来提高光源光通量利用率，这样就有可能在满足照明数量和质量要求的前提下，通过选用功率较小的光源，从而达到节能的目的。

（四）路灯使用方法

一、工序流程

施工中采用以下流程；

定灯位——挖沟——管理——浇注路灯基础——铺设电缆——绝缘测试——路灯安装——电气设备安装——实验、调试——自检——竣工验收

二、施工方法

1、定灯位：按照施工图及现场情况，以灯位间距为35米为基准确定路灯安装位置。

2、挖沟及埋管：以距路基石50cm为中心，开挖宽30cm深50cm电缆管预埋沟，按照施工图纸预埋相应的电缆管。

3、浇注路灯基础浇注：按甲方提供路灯基础图纸预制金属构件开挖相应尺寸的基坑，金属构件进行热镀锌处理，防腐质量应符合现行国家标准《金属覆盖及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验》（GB/T9700）、《热喷涂金属件表面预处理通则》（GB/T11373）、现行行业标准《钢铁热浸铝工艺及质量检验》（ZBJ36011）的有关规定。

4、敷设电缆：应符合下列要求

1)电缆型号应符合设计要求，排列整齐，无机械损伤，标志牌齐全、正确、清晰；

2)电缆的固定、间距、弯曲半径应符合规定；

3)电缆接头良好，绝缘应符合规定；

4)电缆沟应符合要求，沟内无杂物；

5)保护管的连接、防腐应符合规定；

5、路灯安装规定

1)同一街道、公路、广场、桥梁的路灯安装高度（从光源到地面）、仰角、装灯方向宜保持一致。

2)基础坑开挖尺寸应符合设计规定，基础混凝土强度等级不应低于C20，基础内电缆护管从基础中心穿础并应超出基础平面30～50mm。浇制钢筋混凝土基础前必须排除坑内积水。

3)灯具安装纵向中心线和灯臂纵向中心线应一致，灯具横向水平线应与地面平行，紧固后目测应无歪斜。

4)灯头固定牢靠，可调灯头应按设计调整至正确位置，灯头接线应符合下列规定：

5)在灯臂、灯盘、灯杆内穿线不得有接头，穿线孔口或管口应光滑、无毛刺，并应采用绝缘套管或包扎，包扎长度不得小于200mm。

6)路灯安装使用的灯杆、灯臂、抱箍、螺栓、压板等金属构件应进行热镀锌处理，防腐质量应符合现行国家标准《金属覆盖及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验》（GB/T9700）、《热喷涂金属件表面预处理通则》（GB/T11373）、现行行业标准《钢铁热浸铝工艺及质量检验》（ZBJ36011）的有关规定。

7)各种螺母紧固，宜加垫片和弹簧垫。紧固后螺出螺母不得少于两个螺距。

5、备安装（路灯控制箱安装）

a)材料到场后经开箱检验，经业主同意后方可进行安装使用；

b)动触头与静触头的中心线应一致，触头应接触紧密；

c)二次回路辅助开关的切换接点应动作准确，接触可靠；

d)箱内照明应齐全。

e)配电柜（箱、盘）的漆层（镀层）应完整无损伤。固定电器的支架应刷漆。

f)机械闭锁、电气闭锁动作应准确、可靠。

6、有隐蔽工程，应提前通知业主，经业主检查验收合格后方可进行下一道工序。

7、用调试设备、仪表、仪器必须经国家认可有计量资格的有关单位检验合格，并由专人使用、保管。调试时应有详细记录。

8、施工前作好技术交底，吃透图纸，领会设计意图，配合其它专业工作，要作好成品保护及各专业协调。

9、缆敷设前，应进行电气性能试验，合格后方可施工。电缆敷设应根据其走向、规格合理安排顺序、一般不应有交叉。

10、需开孔的配电箱（柜），必须用开孔机开孔，严禁气焊等切割开孔。电线进入配电箱、接线盒等应有护管帽。穿线前应有防止外物落入措施。

11、线在管内或经槽内不允许有接头和缠绕。导线在出口处应装有护线套，并用500V绝缘电阻应大于1MΩ，同时作好记录。

12、有配电箱（柜）接地及各系统的保护接地、工作接地应接入原大楼接地网上，完善整个接地系统。

13、安装完成后进行检查，确认无误，方可进行分项调试，并作好调试记录。

14、各分项调试完成后，可进行系统调试，联动调试，试运行并作好记录。

15、其它部分电气设备安装应严格按图纸标高、部位进行。

（五）设计创新点

本设计利用光的反射原理，巧妙的解决了路灯由于电杆过高更换灯泡操作危险复杂的问题，并且节能环保，实用性强，学以致用，具有很高的实际意义。具体创新点阐述如下。

1.将灯泡及附属装置安放在1.5米左右的位置，符合人机工程学的要求，人可以方便的更换灯泡，无须高处危险位置操作，又避免了无关人员的误触以及对灯泡的盗取及损坏。避免了高空作业的危险，降低了操作的危险系数，并且方便快捷，省时省力。

2.巧妙的利用光的反射原理，将处于低处的灯泡发出的光反射向路灯的顶部的玻璃板处，使光线反射向地面，既有效利用了光能，又给更换灯泡带来无穷方便。

3.利用红外线校准装置，在安装灯泡和设计玻璃面板时能提前校准好光线的走向，使路灯的设计成功率显著提高，更具有可行性和操作性。

4.节省了电线的用量。由于灯泡处于低处，这样不但为更换操作带来方便，也节省了电线管路，节约了能源。

5.设置了备用灯泡，在灯座底部位置处，设置了安放备用灯泡的地方，方便紧急状态下灯泡的更换。这种设计给更换灯泡过程带来了更大的改进。

（六）备注及注意事项

1.应按规定的施工及施工规范、质量评定标准及标准图集施工

2.电气系统，按土建施工顺序，做好暗设电缆预埋线管

3.灯基础浇筑，路灯安装，电气系统穿电缆，控制柜安装，系统调试，通电试验

4.安排专人定期检查路灯照明状况及备用路灯灯泡

5.设计标准参考《城市道路照明设计标准》