LED信息化照明的发展与未来 2016

1、LED信息化照明的发展与未来梁人杰 南京理工大学人类已进入数码时代，网络世界和信息社会。与此同时，LED已成为人类的主流光源，随着人类信息化的发展，LED正以超越所有传统光源的压倒优势成为信息化照明的天然配偶。文章按照光源的评估分析模型原理，阐述了上述观点。文章强调在当今的信息化时代，智能照明突飞猛进，并逐步向着智慧照明的方向进军，体现了照明信息化的发展主流，LED必定超越传统照明开创人类信息化照明的崭新未来。文章认为信息化的LED灯具将是一种深知“人间世故”的，有“灵魂”的灯具；文章还结合互联网思维提出了LED信息化照明发展的新思维和案例。1.根据光源的评估分析模型LED必将成为人类的主流光

2、源1.1光源的评估分析模型对光源的剖析按照近期LED发展的信息，在实验室环境下LED的发光效率，CREE已达265lm/W，日亚化可达250lm/W。而按照国际的LED产业化水平，LED的发光效率可达100lm/W150lm/W左右。在我国，按照“十二五”规划目标，2015年白光LED的发光效率将达到国际同期先进水平，进入30%普通照明市场，替代70%进口高亮芯片。无疑，LED的发光效率已经超越了所有传统光源。尽管，发光效率是人造光源涉及能效的重要指标，但是，仅从发光效率这一项指标来判断光源的先进性尚不令人信服。参考文献10的光源的评估分析模型，可以较为全面地对光源进行综合分析。该分析模型，按

3、照三类模型参数，共计32个具体指标和特性，综合剖析各类光源定量的技术数据和定性的技术特点与水平。如表1和图1所示。表1 光源的评估分析模型三类参数和32个具体指标和特性模型参数类别模型参数名称1光物理参数1）原理（固态光源）； 2）发光效率； 3）光源寿命；4）光谱能量分布； 5）显色性； 6）色温；7）调光性能； 8）调色性能； 9）光源频闪；10）温升； 11）有否含汞； 12）有否荧光粉；13）有否电气附件； 14) 低温性能； 15）有害射线2电参数16）可控特性； 17）启动特性； 18) 再启动特性；19) 功率因数； 20）电磁兼容； 21）供电电压值；22）供电波形（时域和频域

4、）3“柔性”优势23）光谱柔性； 24）色温柔性； 25）光色柔性26）配光柔性； 27）供电柔性； 28）功率柔性；29）结构柔性； 30）时间柔性； 31）体积柔性；32）维度柔性；按照文献【10】，光源评估分析模型结合光源的定量技术参数水平和定性的物理属性，对现有主流光源白炽灯、卤钨灯、荧光灯、金卤灯、钠灯、陶瓷金卤灯、LED、OLED、QLED（9种）的剖析结果归纳于表2。这是一种全面客观的评价。在节能减排浪潮中落马的白炽灯，包括卤素灯，虽然同时具有的十几项杀手锏的优势（参见表2），迄今为止还没有哪一种光源能同时具备，但是，白炽灯却有光效极低和寿命极短的致命弱点。面临淘汰出局。金卤灯，

5、荧光灯和紧凑型荧光灯，虽然近半个世纪曾经是人类主要的照明光源，但是除了已成为历史烟云的较高发光效率（LED的几分之一）和较长寿命（也是LED的几分之一）之外，身上还有毒素（汞），信息化兼容性极差，其他缺点也不少（参见表2），实际上，金卤灯，荧光灯和紧凑型荧光灯已变得几乎毫无是处。从光源的评估分析模型分析LED等固态光源必将成为人类主流光源。1.2 光源评估分析模型剖析光源的“柔性”特性光源评估分析模型还引入了光源“柔性”特征的概念。概念上，“柔性”是相对于“刚性”而言的。对于光源，如果“刚性”很强，那么，在灯具设计与应用上，就会受到很大约束，对名目繁多的照明设计与应用，以及对于照明的信息化的发

6、展，适应能力必然很差，必定会影响市场的生命力与占有率。由表2的分析结论可知,LED、OLED、QLED等固态光源，在“柔性”特征的光谱柔性、色温柔性、光色柔性、配光柔性、功率柔性、结构柔性、体积柔性、时间柔性、维度柔性和供电柔性等方面，拥有“前无古人”的优势。而如果光源的“柔性”很强，就有以下三个方面的优势：1）第一方面：光源“柔性”强，在结构、体积、维度方面设计灵活性宽裕、对灯具设计就有很强的适应性、灵活性、应变能力和创新能力，能适应瞬息万变的市场环境，甚至个性化定制需求，市场生命力必然强大。2）第二方面：光源“柔性”强，可适应信息化照明的发展，创造信息化的新型灯具。此种光源在光谱、色温、光

7、色、时间、配光、功率、供电等方面具有“柔性”优势，拥有可以变化的富裕空间，与信息控制系统兼容与匹配极佳。 3）第三方面：光源“柔性”强，就具备了创新，设计和生产任何特色与规范的产品族，并且产品族的层次与分级，还可以非常细化。显然，LED等固态光源的“柔性”特征拥有了超越所有传统光源的优势。表2 光源评估分析模型对10种主要光源的分析14序号光源名称1234567891011121314151617181920212223242526272829303132原理发光效率光源寿命光谱能量分布显色性色温调光性能调色性能光源频闪温升有否含汞有否荧光粉有否电气附件低温性能有害射线可控特性启动特性再启动特

8、性功率因数电磁兼容供电电压值供电波形光谱柔性色温柔性光色柔性配光柔性供电柔性功率柔性结构柔性时间柔性体积柔性维度柔性1白炽灯2卤钨灯3荧光灯4金卤灯5钠灯6陶瓷金卤灯7无极灯8LED9OLED10QLED表2说明：表中各种光源剖析评级分为五级，采用符号表示，即：优、良、中、差、劣（优：）（良：）（中：）（差：）（劣：）；2.LED超越所有传统光源成为信息化照明的天然配偶从光源的评估分析模型分析可知，LED最能满足照明信息化的要求，具备了光源作为信息系统的终端，拥有与信息系统兼容和匹配的优秀性能，如：1）快速的响应能力，响应时间达到微秒数量级；2）丰富的可控参数，如：亮度、色彩、色温、发射角、温

9、度等等；3）受控光源亮度在0100%范围调节下不会影响与破坏光源正常的工作状态；4）受控光源能适应全色可见光丰富色彩范围的调节与变幻；5）受控光源能与现代信息系统融合，如：PMW脉冲调宽，通信收发，光和传感信息传输，双线、光纤或无线高速串行数码通信传输等；从光源的评估分析模型可知，传统的光源，特别是曾一度是主流照明光源的气体放电光源，荧光灯、金卤灯、钠灯、陶瓷金卤灯、可控性能极差，响应时间数秒数十秒；单调的光色；灯丝与电极结构决定了开关次数越多寿命越短；大范围调光会面临工作状态的恶化；功率因数补偿不尽理想；结构上的傻大笨粗等。因此，大多数气体放电灯不能适应信息化照明的要求。而LED、OLED、

10、QLED等固态光源，没有脆弱和惰性的灯丝或其阴极，具有微秒响应时间的可控特性，丰富的可调节可见光谱，体积与结构充分的“柔性”，以及能适应任意降功率或调光使用，具备融合现代信息通信系统的微电子特性等一系列优势。因此LED等固态光源已经超越所有传统光源成为信息化照明的天然配偶LED信息化的照明智能控制通过微芯片节能模型控制，智能开关，智能调光，“软开/软关”，红外传感器随机实现“人来灯亮，人走灯灭”或“人来灯亮，人走灯暗”，光敏传感器结合自然光的恒照度照明，各种灯光场景设定，定时、分时与分区照明，抵御电网波动与浪涌，功率因数接近于1的调节等一系列照明控制策略，可实现照明节能与呵护光源。在建筑室内照

11、明智能控制领域，照明节能率可达15%-75%，延长光源寿命2-4倍。在道路照明领域，按目前控制水平，一般节能率约10-15%，最好的大致也能接近30%左右。LED信息化照明可真正实现室内照明的人性化、个性化、节能化和艺术化的灯光场景，实现一键化的便捷控制，以及城市夜景照明或装饰照明的各种动态艺术灯光演示，把人类的光环境提升到一个全新的境界。3.LED信息化照明将超越传统照明开创人类照明的崭新未来3.1 按互联网思维实现道路照明的信息化目前，道路照明的人性化与节能化至今仍然落后于建筑照明和室内照明。道路照明现有的节能控制方式主要有：1.双功率镇流器半夜自动降功率，如：250W降到180W，或25

12、0W降到150W；2.半夜自动降电压，如：220V降到180V；这二种方法都不能做到优化节能。3.采用隔一亮一、隔二亮一、单侧亮灯、双臂灯单侧亮等关灯的方法。这些方法，同样不可能优化节能，还会造成宽幅路面半幅黑暗，或道路轴线出现亮暗不均的“斑马效应”，危及行车安全。此外，深夜电压容易超标，对局部关灯方法非常不利，将会缩短灯具寿命。上述这些简单的道路照明节能控制方法，共同的弊病是：未考虑气候影响，车流状况，环境因素（例如树阴的影响）等动态变化参数，除了没有优化节能，还缺少人性化，并埋下安全隐患。“互联网+”本质是“信息+物理”或者是“网络+设备”，这就是物联网。随着人类信息化的发展，为提升道路照

13、明和公共照明节能管理水平，实现高效节能人性化管理，应淘汰传统道路照明监控方式，实施基于LED的信息化照明系统。措施之一：全面采用信息化性能极佳的LED作为道路照明光源；措施之二：从原来粗疏监控转变为基于物联网的实时智能动态优化监测控制。首先，应掌握道路动态参数信息,如图2；第二，在物联网应用层要按自动控制理论，完善优化控制，建立实时处理软件系统和数据库，并集成GPS卫星定位系统、地理信息系统（GIS）、本地气候预报系统、应急预案系统、照明能源管理系统；第三，实现道路现场动态参数自适应的优化实时监测与控制，方案示意图见图3。在物联网感知层对现场复杂多变的动态参数实时检测，需要集成光电、雷达、声学

14、、电能、图像、气象等传感器和检测设备，实时监测交通流量、环境照度、光源光衰、实时气候、背景亮度、电压波动等动态参数的变化，按昼夜规律实现优化控制，并建立预警机制。物联网感知层采集和探测的道路动态信息，通过物联网的网络层，由互联网、公用网GPRS/3G/4G或ZigBee等 ，与应用层交互通信，M2M（Machine to Machine）。应用层的控制信号与指令，通过网络层抵达道路现场的路灯群组。路灯应嵌入物联网通信接口，自主联网，或通过物联网终端、物联网集控器联网。系统实现“五遥”，即：“遥测”（远程测量）、“遥控”（远程控制）、“遥信”（远程通信）、“遥视”（远程目标图像传输）和“遥调”（

15、远程能源管理）。“云端”是为了与建设中的开放式国家级的“云服务中心”互联，如：“感知中国”中心等，以得到照明控制数据分析计算的远程支持，以简略本地系统。在控制策略上，为精准的节能调节，对LED路灯亮度实时、动态、连续平滑调整；为简化系统，应实施区分路段地理特征，控制各路段群组灯具的道路照明场景，以及按昼夜规律区分时段的群组灯具照明场景控制；为可靠监控和故障报警，系统实现联网到灯，检测到灯，监控到灯，跟踪到灯。从互联网思维和道路照明控制技术的研究案例表明，LED与作为现代信息系统的物联网联姻，将可实现道路照明的新飞跃。3.2 LED信息化灯具的创新与超越3.2.1 LED信息化灯具创新的用户思维

16、和迭代思维随着人类信息化的发展，LED信息化照明并非都是如前文所述的物联网道路照明信息系统那样的大型照明系统，“互联网+”的本质是“信息+物理”，即使是小到一盏LED球泡灯也可以成为信息化灯泡。图4展示和讨论一种信息化LED吸顶灯的用户思维与迭代思维的创新过程例子。在此，LED与信息技术融合的优势，对LED信息化灯具的创新与超越显现出了极大的生机，而传统光源则完全无能为力。用户思维与迭代思维，都是正在热议的互联网思维的要点。用户思维就是指在价值链的各个环节中都要“以用户需求”去思考问题。迭代思维是互联网产品开发的典型方法论，允许在过程的开始有所不足，鼓励不断试错，在持续迭代中完善产品，这是一种

17、以人为核心、迭代、循序渐进的创新方法。图4仅仅是一种讨论LED灯具创新方法的案例之一，所产生的LED信息化吸顶灯，是一种任何时候真正无需人员管理的，接入后不用管的，真正人性化和高效节能的LED吸顶灯，当然，也可以是大型LED吊灯。这是一种深知“人间世故”的，是有“灵魂”的灯具。3.2.2 LED信息化灯具的跨界思维创新方法随着人类信息化的发展，互联网企业的触角已无孔不入，渗透到零售、电子产品、图书、金融、电信、娱乐、交通、媒体等等，开创了跨界发展的新纪元。同时，互联网和高新科技的快速发展，也使产业的边界变得模糊。产业之间或行业之间的界限被融化。跨界思维日益成为全球化时代的一种潮流，可让一个企业

18、通过转换生存空间而大放异彩，也能让一个品牌在极短时间内超越竞争对手迈上行业巅峰。跨界内容丰富，例如：产业跨界，产品跨界，技术跨界，渠道跨界，文化跨界，竞争跨界等等。以下仅讨论LED融合信息化技术和邻近学科的产业跨界和技术跨界创新开发。跨界思维与发展，运用信息化技术可使LED、OLED、QLED等固态光源超越传统照明功能，实现产品跨界，技术跨界，应用跨界。LED的跨界就是融合信息系统、智能控制、传感技术和微电子器件，从传统照明领域跨界到其他新的领域，如：医疗保健，儿童教育，老年医疗，庄稼种植，畜禽养殖，建筑发光材料，光波通信，安保警戒，等等。如图5所示。正如光源的评估分析模型的剖析，LED具有的

19、强大优势，从普通照明跨界至其他领域将潜力非凡，LED跨界发展将会神奇地改变人们的生活方式，真正造福人类。表3简述了LED跨界发展的设计方案（请见参考文献9）。跨界领域LED跨界产品1医疗保健昼夜节律动态照明灯，光谱理疗灯，疾病治疗灯2儿童培育模拟天然光灯（全可见光光谱灯具），儿童智力开发灯具3建筑材料LED发光建筑装饰材料，融入艺术创意，将会产生令人震撼，刺激，神奇，惊叹，高雅，温馨，美妙，趣味的艺术与心理效应4老年保健老人照明灯，蓝光保健灯，蓝光眼镜5畜禽养殖育种灯，养鸡场灯，养牛场灯6庄稼种植育苗灯，植物生长灯7光波通信无线信息化照明控制系统8安保警戒幕帘式红外感应警戒灯，远洋灯塔，入侵者自动跟踪强光灯9特种领域恒照度灯，长寿命灯，汽车全智能前大灯结语1.正如光源的评估分析模型的剖析，LED光源融合当代信息化技术将把人类带入信息化照明的全新时代。2.未来的LED将告别“裸灯”时代。全新的集成化多功能的LED信息化灯具，是一种具有“灵魂”的新型灯具，将“深知人间世故”，彻底改变人类的生活方式。3.在无线互联网，云技术，大数据和物联网的熏陶下，道路照明和公共照明，建筑照明