LED道路交通信号灯的应用及标准化
公安部交通安全产品质量监督检测中心 王军华
摘 要：本文结合国家标准GB14887-2003《道路交通信号灯》的起草，介绍了LED道路交通信号灯的特点、应用和国家标准对LED道路交通信号灯的主要技术要求，探讨了LED道路交通信号灯的光学设计对光强分布的影响，分析了LED道路交通信号灯的电气性能和标准实施后LED道路交通信号灯存在的问题，展望了LED道路交通信号灯的发展趋向。
关键词：国家标准、LED、道路交通信号灯
道路交通信号灯的使用已有一百多年的历史，在我国的应用也有几十年了，作为重要的道路交通安全产品，道路交通信号灯为保障道路交通安全畅通、有序发挥了重要作用。近年来，新材料、新技术在道路交通领域不断得到应用， 发光二极管（LED）在道路交通领域的广泛应用更是有目共睹。LED主要应用在道路交通信号灯、交通诱导信息显示屏、可变交通标志、倒计时显示器和各种警告、警示灯具等交通安全产品上。1999年我国部分城市开始试用LED光源的道路交通信号灯，目前，国内许多大、中城市已大规模应用LED光源的道路交通信号灯。
一、LED的特点及其在道路交通信号灯上的应用
道路交通信号灯（以下简称信号灯）的光源几经变迁，从最初易发生爆炸的煤气灯发展到稳定、安全的白炽灯、卤钨灯，如今发光二极管（LED）得到了广泛应用。白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定、均匀，但是存在能耗高、寿命低、易产生幻像信号显示、色片易褪色等缺陷。而高亮度、低能耗LED在信号灯上的应用，给信号灯产品带来革命性的变化。
LED之所以能够在信号灯中得到广泛应用，是因为LED具有如下优点：
1．单色光，具有发散角。
LED发出的光是单色光，因而不需要用色片来产生红、黄、绿的信号颜色；LED发出的光具有方向性，并有一定的发散角，由此可以屏弃传统信号灯中使用的非球面反光镜。LED的这个特点解决了传统信号灯存在的幻像（俗称假显示）和色片褪色问题，提高了光效。
2．冷光源，能耗低。
LED是一种冷光源，其显著的特点之一就是能耗低，这对灯具的应用而言是很有意义的。LED光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在12VA~25VA之间，白炽灯泡光源的信号灯单个发光单元的功率一般在80W~100W之间，低压卤钨灯泡光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在40VA~60VA之间。由此可见LED光源在节能方面的优势是非常明显的。
3．可靠性好，寿命长。
信号灯的工作环境相对比较恶劣，严寒酷暑、日晒雨淋，因而对灯具的可靠性要求较高。一般信号灯用白炽灯泡的平均寿命是1 000h，低压卤钨灯泡的平均寿命是2 000h，由此而产生的维护费用很高。目前，我国LED信号灯使用时间最长的已超过5年，LED未有损坏。单管LED的理论寿命为100 000h，由此推断LED信号灯的实际使用寿命大于50 000h。
二、国家标准GB14887－2003的起草背景及过程
这些年，随着创建“平安大道”、建设“畅通工程”的不断深入，各地方交通管理部门对交通信号控制机、信号灯、交通标志、道路标线等交通安全设施的投入不断加大，促进了信号灯制造业的发展。但在信号灯的设计、生产、使用等方面还存在很多问题，如：产品的设计、制造不执行国家标准的有关规定；一些使用者盲目追求信号灯的超高亮度，忽视由此带来的交通安全隐患；信号颜色不纯正，特别是绿色LED交通信号灯。国家标准GB14887-1994《道路交通信号灯技术条件及测试方法》（以下简称94版标准）对规范信号灯的生产起着重要的作用。随着道路交通运输事业的发展，高等级公路日益增多，车辆性能提高，车辆行驶的速度也不断提高，对信号灯提出了更高的要求。94版标准的内容尤其是最主要的光学性能要求不高，且只适用于白炽灯、低压卤钨灯光源的信号灯，电气安全和环境试验的要求也不够明确。对于LED这样的新型光源，94版标准明显不适用。为了更好地适应现代技术发展的需要，为生产企业提供明确的标准和技术指南，为现代交通管理服务，因此，需要对94版标准进行修订。
根据公安部交通管理局《关于下达1999年度国家标准修订项目计划的通知》（公交管办[1999]40号）的要求，公安部交通管理科学研究所承担了国家标准GB 14887《道路交通信号灯》的修订工作。标准起草小组收集了国内、外的有关交通信号灯的技术资料，对公安部交通安全产品质量监督检测中心多年来检测交通信号灯产品的数据进行了梳理、分析，对部分技术指标进行了验证试验。在收集、分析、总结有关数据、资料和验证试验结果的基础上，标准起草小组于2001年年初完成了标准内部讨论稿。2001年6月，在标准内部讨论稿基础上修改、完善，形成了标准征求意见稿，并向信号灯生产企业、科研院所、使用部门等共计18个单位征求意见。标准起草小组对所有反馈意见进行了认真的讨论，根据讨论结果对标准进行了修改，形成了标准送审稿。2001年12月，公安部道路交通管理标准化技术委员会以函审方式对标准进行了审定，标准送审稿通过了叶关荣、周太明、李建昌、叶振群等17位专家的审查。标准起草小组根据函审专家反馈的意见和建议，对标准进行了认真修改和完善，于2002年6月上报了标准报批稿。根据WTO/TBT协定的有关要求，标准报批稿向WTO成员国进行了通报。通报完毕后，标准由国家质量监督检验检疫总局于2003年5月23日发布，并于2003年9月1日开始实施。
在广泛征求各交通信号灯生产企业、产品用户、专家、科研院所意见的基础上，起草小组历经两年多的时间完成了标准起草工作。修订后的标准在技术要求方面更全面、合理，吸收了交通信号灯产品最新技术的发展成果，并且主要技术要求与国际先进标准的技术指标基本保持一致。
随着《中华人民共和国道路交通安全法》的实施以及技术的不断发展和LED的广泛应用，信号灯出现了新的应用类型，用户也对产品提出了更高的要求。国家标准化管理委员会于2006年6月19日批准了国家标准GB14887-2003《道路交通信号灯》第1号修改单，并规定自2006年9月1日起实施。标准第1号修改单的发布、实施是对03版标准的补充和完善。
三、国家标准GB14887－2003的主要技术内容
与94版标准相比，新版标准的内容和特点主要体现在以下几方面：
1、标准的结构
标准的结构、技术要素及表述规则均按GB/T1.1-2000《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》的要求编写，包括分类、术语和定义、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等。
2、信号灯的功能分类
新版标准增加了信号灯的分类和命名。按功能，信号灯可分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、掉头指示信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯，共8类。标准对这8类信号灯的图案、颜色、功能分别给出了具体说明，并在标准附录中给出了图案和尺寸要求。
图1部分图案信号灯
3、分立的发光单元
标准规定信号灯由几何位置分立的发光单元组成。所谓分立单元是指相邻的发光单元在物理结构上是相互独立的，每个单元只能产生一种颜色的信号。交通参与者包括机动车驾乘人员、非机动车驾乘人员和行人，在通过有交通信号控制的路口时，大多数交通参与者是依据信号的颜色来判断通行与否，但是有少数交通参与者由于生理缺陷不能正确识别信号颜色，而只能通过信号的排列位置来确认信号状态。目前，一些城市使用的LED信号灯在同一发光单元上交替显示不同颜色的信号，这种信号灯根本不符合通行的交通信号设置原则，也会给道路交通安全带来严重隐患。
4、光学性能要求
在94版标准中，仅规定“红色信号灯光强应不小于200cd”，没有明确黄色、绿色的发光强度，也没有规定发光的角度分布。在标准修订过程中，征求了信号灯用户和生产企业的意见，同时参考了欧洲标准EN 12368：2000《Traffic control equipment—Signal heads》，明确了各色机动车信号灯的光强要求，并规定了在信号灯指示范围内各个方向上的发光强度要求。一方面，在标准起草的那段时间，国内大部分是以白炽灯、卤钨灯为光源的信号灯，所以必须考虑以白炽灯、卤钨灯为光源信号灯的情况。另一方面，国内部分大中城市，更换或新增的信号灯多为LED光源，为兼顾几种光源的信号灯，将信号灯的基准轴上光强分为两级，下限分别为200cd和400cd以适应不同的市场要求。信号灯的光信号如果有过高的强度，会对交通参与者产生眩目影响，因此标准对信号灯基准轴上的光强作了上限规定。考虑城市和郊区路段车速和路口情况的不同，作出两种光强分布规定：宽角度信号灯的光强分布（W型）和窄角度信号灯的光强分布（N型）。W型光强分布范围是基准轴左右30°，基准轴向下20°；N型光强分布范围是基准轴左右15°，基准轴向下10°。
表1 信号灯基准轴线上的光强
单位为坎德拉
|
光强级别 |
1级 |
2级 |
|
Imin |
400 |
200 |
|
Imax 1类 |
1000 |
800 |
|
Imax 2类 |
2500 |
2000 |
图2 道路交通信号灯光强分布（W型）
在94版标准中，仅规定“在使用图案信号时，红色信号灯光强应不小于200cd”，这个要求是较高的，同时也没有角度特性的规定。起草组参考了澳大利亚标准AS2144-1995《Traffic signal lanterns》，对图案信号灯采用亮度指标加以量化规定，规定了各个方向上的亮度最小限值和亮度梯度要求。另外，考虑到以LED光源非机动车信号灯和人行信号灯有用LED勾勒出轮廓的做法，也很有效，对此类信号灯规定亮度指标显然不正确，对此类信号灯仍以光强作为评价指标。
5、色度性能
标准对信号灯色度性能的规定参考了国际照明委员会（CIE）文件CIE S004：1997 《Colours of signal lights》。虽然标准规定的绿色色度区域比较宽，但目前符合此要求的绿色LED的波长范围比较小，基本集中在505nm±2nm范围内。
6、幻像
传统的信号灯采用有色透光面，在阳光照射下易产生幻像（假信号显示），对存在交通安全隐患。起草组采纳部分专家意见，从安全性考虑，对信号灯幻像的技术要求和试验方法作出规定。这部分内容参考了欧洲标准EN 12368：2000《Traffic control equipment—Signal heads》和德国标准DIN67527第1部分《交通信号灯的光学特性》等国外标准。
表2 信号灯基准轴光强与幻像光强的比值要求
|
信号灯色 |
比率 |
|
红色、黄色 |
>8 |
|
绿色 |
>16 |
7、功率
LED光源的特点之一是节能，因此，在保证信号灯有足够强度的光信号输出的前提下，有必要对LED信号灯的功率作出上限规定。标准要求额定电压下单个LED信号灯发光单元的视在功率不超过25VA，同时标准第1号修改单规定单个LED信号灯发光单元的功率因数不小于0.85。
8、电气安全性能
参考GB7000.1《灯具一般安全要求与试验》，标准就信号灯的电气安全性提出了外壳防护、绝缘电阻、介电强度、泄漏电流、外部和内部接线、接地规定、防触电保护、爬电距离和电气间隙、耐久性试验等技术要求。
9、环境试验
信号灯安装在室外使用，其使用环境比较恶劣。我国幅员广阔，气候环境复杂，为了考察信号灯的环境适应性能，标准规定了高温试验、低温试验、恒定湿热试验、盐雾试验、耐候试验、振动试验、强度试验、风压试验等环境试验要求。
四、GB14887－2003标准与国外标准的比较
按照国家有关采用国际标准或国际先进标准的规定精神，标准制订过程中，有关交通信号灯的主要技术指标、测试方法等内容都参照了国外的先进标准，力求标准技术起点不落后，产品各项技术指标与国外产品尽可能保持一致或超过其指标要求。标准起草过程中主要参照参考了欧洲、澳大利亚的交通信号灯标准和国际照明委员会的有关标准；同时，标准内容的制订充分考虑了我国的道路交通管理和交通信号灯产品技术发展的实际情况。
表3国内、外交通信号灯光强要求对照表
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国家或 地区 |
标准代号 |
基准轴上光强 |
光强分布范围 |
|
中华人民 共和国 |
GB14887-2003 |
红灯、黄灯、绿灯等同要求 1级1类400cd≤I≤1000cd 1级2类400cd≤I≤2500cd 2级1类200cd≤I≤800cd 2级2类200cd≤I≤2000cd |
W型：水平±30° 向下20° N型：水平±15° 向下10° |
|
欧共体 |
EN12368:2000 |
红灯、黄灯、绿灯等同要求 1/1级100cd≤I≤400cd 1/2级100cd≤I≤1100cd 2/1级200cd≤I≤800cd 2/2级200cd≤I≤2000cd 3/1级400cd≤I≤1000cd 3/2级400cd≤I≤2500cd |
E型：水平±30° 向下20° W型：水平±30° 向下20° M型：水平±20° 向下20° N型：水平±15° 向下10° |
|
美国 |
ITE VTCSH-1998 |
透光面直径8英寸的灯： 红灯133cd≤I≤800cd 黄灯617cd≤I≤3700cd 绿色267cd≤I≤1600cd 透光面直径12英寸的灯： 红灯339cd≤I≤800cd 黄灯1571cd≤I≤3700cd 绿色678cd≤I≤1600cd |
水平±27.5° 向下17.5° |
|
澳大利亚 |
AS 2144:1995 |
红灯、黄灯、绿灯等同要求 I≥200cd |
水平±20° 向下20° |
|
中国香港 |
TCS-001:2001 |
200cd≤I≤800cd |
W型：水平±30° 向下20° |
五、标准实施后LED道路交通信号灯的状况
LED信号灯从1999年开始在我国得到应用，在这之前，信号灯的光源基本上是白炽灯和低压卤钨灯。随着国家标准GB14887-2003的发布、实施，LED信号灯得到了广泛应用，产品技术水平也在不断发展、提高。
1、不同光学设计的LED信号灯的光强分布
由于94版标准只要求红色信号灯的光强大于200cd，所以信号灯的光学设计非常简单。常见的设计是选取大功率的灯泡，使用非球面反光镜（通常为抛物面、椭球面），使灯泡灯丝处于非球面反光镜的焦点位置，透光镜采用球面透镜。随着新版国家标准的实施，对信号灯光强分布提出了要求，这就要求设计信号灯时要考虑信号输出的光学设计。
LED信号灯的光学设计从最简单的LED阵列到专业的配光设计，大体经历了三个阶段。第一阶段是无光学设计时期，就是将上百个单管LED与限流电阻进行串联、并联组合，均匀排列成平面阵列，不使用反光镜，没有光强分布设计，对LED的发散角没有特殊要求。第二阶段是聚光设计时期，为提高信号灯的光强，生产企业在选用高亮度LED的同时，对信号灯进行了简单的光学设计，主要有两大类：整体提高光强和单管LED提高光强。整体提高光强主要是在透光镜上应用各种类型的单透镜，如球形单透镜、圆柱形单透镜、单凸透镜、菲涅尔单透镜等。单管LED提高光强的方法主要有两种，一是在每个LED后面安装小型的反光镜，二是在每个LED上套上导光腔。第三阶段是配光设计时期，部分企业对原有的单透镜型的透光镜进行了改进，部分企业设计了复合透镜，这两种方法都是先聚光提高光强，再进行光分配。
表4 不同光学设计的LED信号灯的光强分布
单位为坎德拉
|
基准轴 向下 |
基准轴 左右 |
红 灯 |
黄 灯 |
绿 灯 | ||||||
|
平面镜 |
单透镜 |
复合镜 |
平面镜 |
单透镜 |
复合镜 |
平面镜 |
单透镜 |
复合镜 | ||
|
0° |
0° |
335 |
1018 |
621 |
363 |
1123 |
704 |
354 |
1055 |
663 |
|
0° |
L5° |
266 |
917 |
473 |
249 |
931 |
498 |
255 |
951 |
485 |
|
0° |
R5° |
275 |
943 |
488 |
252 |
965 |
513 |
260 |
923 |
468 |
|
0° |
L10° |
123 |
||||||||