Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu phục vụ toàn diện các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông và đời sống xã hội. Tại các quốc gia đang phát triển, điện năng tiêu thụ cho mục đích chiếu sáng chiếm tỷ trọng từ 8% đến 13% tổng sản lượng điện năng tiêu thụ. Chiếu sáng công cộng và giao thông đô thị không đơn thuần phục vụ việc đẩy lùi bóng đêm mà còn trực tiếp chi phối an toàn giao thông, nâng cao chất lượng cuộc sống người dân, đồng thời tạo điểm nhấn cảnh quan kiến trúc văn hóa ban đêm cho đô thị.

Cầu Bính là công trình giao thông trọng điểm bắc qua sông Cấm, kết nối khu vực trung tâm thành phố Hải Phòng với huyện Thủy Nguyên. Công trình có quy mô giao thông lớn với bề rộng lòng đường $l = 23,5\text{ m}$, chiều dài thân cầu chính đạt $1300\text{ m}$, cùng hai tuyến đường dẫn kết nối có chiều dài lần lượt là $700\text{ m}$ (phía nội thành Hải Phòng) và $600\text{ m}$ (phía huyện Thủy Nguyên). Để đảm bảo năng lực khai thác giao thông thông suốt, giảm thiểu nguy cơ tai nạn giao thông vào ban đêm và đáp ứng tiêu chuẩn đường đô thị cấp A, việc xây dựng một hệ thống cung cấp điện và chiếu sáng đạt quy chuẩn kỹ thuật là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án tốt nghiệp bao gồm:

  1. Tổng hợp cơ sở lý thuyết trắc quang học, kỹ thuật chiếu sáng nhân tạo ngoài trời và các tiêu chuẩn chiếu sáng giao thông đô thị hiện hành.
  2. Khảo sát, phân tích các phương pháp tính toán thiết kế chiếu sáng đường bộ, trọng tâm là phương pháp tỷ số R và phương pháp độ chói điểm theo tiêu chuẩn của Ủy ban Chiếu sáng Quốc tế (CIE) và Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXDVN 259:2001.
  3. Thiết lập các phương án bố trí hình học mạng lưới đèn chiếu sáng cho công trình Cầu Bính và các tuyến đường dẫn hai bên đầu cầu.
  4. Tính toán quang thông, xác định công suất bóng đèn, kiểm tra chỉ số hạn chế chói lóa ($G$) và tính toán chiếu sáng phụ trợ cho dải vỉa hè người đi bộ.
  5. Thiết kế hệ thống phân phối điện hạ thế: lựa chọn dung lượng trạm biến áp phân phối và tính toán lựa chọn tiết diện cáp dẫn cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống chiếu sáng công trình.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống kỹ thuật chiếu sáng nhân tạo và mạng lưới cấp điện hạ thế. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm toàn bộ công trình Cầu Bính và các tuyến đường dẫn hai bên đầu cầu tại thành phố Hải Phòng, với tổng chiều dài thiết kế là $2600\text{ m}$ ($1300\text{ m}$ thân cầu, $700\text{ m}$ đường dẫn phía Hải Phòng, $600\text{ m}$ đường dẫn phía Thủy Nguyên). Thời gian thực hiện đồ án hoàn thành vào năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết quang hình, các định luật trắc quang học cơ bản và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật chiếu sáng công cộng hiện hành:

  • Hệ thống đại lượng trắc quang:
    • Quang thông ($\Phi$): Năng lượng bức xạ phát ra từ một nguồn sáng được mắt người cảm nhận theo hàm hiệu quả ánh sáng $V(\lambda)$, đơn vị là Lumen ($\text{lm}$). Năng lượng chuyển đổi bức xạ cực đại đạt giá trị $683\text{ lm/W}$ tại bước sóng đơn sắc $\lambda = 555\text{ nm}$.
    • Cường độ sáng ($I$): Mật độ quang thông phát xạ trong một đơn vị góc khối theo một hướng nhất định ($I = \frac{d\Phi}{d\Omega}$), đơn vị là Candela ($\text{cd}$).
    • Độ rọi ($E$): Mật độ quang thông chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt ($E = \frac{d\Phi}{dS}$), đơn vị là Lux ($\text{lx}$). Độ rọi tại điểm tuân theo định luật tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách: $$E = \frac{I \cdot \cos\alpha}{r^2}$$
    • Độ chói ($L$): Tỷ số giữa cường độ sáng phát ra theo một phương quan sát và diện tích biểu kiến của bề mặt phát sáng ($L = \frac{dI}{dS \cdot \cos\alpha}$), đơn vị là $\text{cd/m}^2$. Độ chói trung bình mặt đường ($L_{tb}$) là tiêu chuẩn định lượng số một để đánh giá chất lượng hệ thống chiếu sáng đường phố.
    • Nhiệt độ màu ($^\circ\text{K}$) và Chỉ số hoàn màu (CRI): Vận dụng biểu đồ Kruithof để xác định vùng môi trường ánh sáng tiện nghi sinh lý cho người quan sát tương ứng với từng dải độ rọi, kết hợp phân cấp độ hoàn màu từ nhóm 1A ($\text{CRI} > 90$) đến nhóm 4 ($\text{CRI} = 20 \div 40$).
  • Hiện tượng quang học ứng dụng: Sự phản xạ (phản xạ đều, phản xạ khuếch tán tuân theo định luật Lambert, phản xạ hỗn hợp), khúc xạ qua kính đèn dạng răng cưa (kính tổ ong với góc đỉnh $90^\circ$ nhằm định hướng chùm tia và giảm chói), sự truyền xạ (đều và khuếch tán), sự hấp thụ quang học của các loại vật liệu chế tạo chao/kính đèn.
  • Tiêu chuẩn và phương pháp tính toán:
    • Tiêu chuẩn áp dụng: Tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN 259:2001 "Tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng nhân tạo đường, đường phố, quảng trường đô thị".
    • Phương pháp thiết kế sơ bộ (Phương pháp tỷ số R - CIE 1965): Xác định mối quan hệ giữa độ rọi trung bình ($E_{tb}$) và độ chói trung bình ($L_{tb}$) thông qua tỷ số $R = \frac{E_{tb}}{L_{tb}}$, được thực nghiệm hóa đối với từng loại bề mặt mặt đường và kiểu chóa đèn.
    • Phương pháp kiểm tra (Phương pháp độ chói điểm - CIE 1975): Chia mạng lưới ô chữ nhật giữa hai cột đèn liên tiếp, xác định độ chói từng điểm $P$ bằng công thức $L = R(\beta, \gamma) \cdot \frac{I(\beta, \gamma)}{h^2}$, dựa trên 4 phân cấp lớp phủ mặt đường tiêu chuẩn ($R_1 \div R_4$) và hai chỉ tiêu thực nghiệm: hệ số nhìn rõ ($Q_0$) cùng hệ số sử dụng độ chói ($S_1, S_2$).
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu quy hoạch mặt bằng hình học công trình Cầu Bính; các bảng tra thực nghiệm quang học của Ủy ban Chiếu sáng Quốc tế (CIE); thông số kỹ thuật bộ đèn và nguồn sáng phóng điện cao áp từ tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất; quy chuẩn chiếu sáng công cộng theo TCXDVN 259:2001.
Phân cấp mặt đường CIE Tỷ số $S_1$ $S_1$ điển hình $Q_0$ điển hình Đặc điểm cấu tạo lớp phủ mặt đường
$R_1$ $< 0,45$ 0,25 0,10 Bê tông xi măng; mặt đường có hàm lượng bitum $< 15%$ vật liệu sáng hoặc $30%$ đá rất sáng
$R_2$ $0,45 \div 0,85$ 0,58 0,07 Nhựa đường mới thi công; bitum từ $10% \div 15%$ hạt màu trắng, kích thước cốt liệu $< 10\text{ mm}$
$R_3$ $0,85 \div 1,35$ 1,11 0,07 Lớp phủ bitum nguội có hạt cốt liệu $< 10\text{ mm}$, kết cấu chặt
$R_4$ $> 1,35$ 1,55 0,08 Mặt đường nhựa asphalt sau nhiều tháng đưa vào khai thác sử dụng

Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống

Thiết kế kỹ thuật chiếu sáng cho Cầu Bính được tiến hành qua các phân đoạn phân tích không gian hình học, lựa chọn phương án công nghệ quang học, kiểm tra điều kiện an toàn nhìn và thiết kế hệ thống cấp điện hạ thế.

Phân tích điều kiện hình học và đề xuất phương án bố trí đèn

Cầu Bính thuộc công trình giao thông cấp A, có lớp phủ mặt đường thuộc loại nhựa trung bình ($R_3$). Bề rộng mặt đường xe chạy là $l = 23,5\text{ m}$. Đồ án phân tích và so sánh hai phương án tổ chức không gian chiếu sáng:

  • Phương án 1: Lắp đặt đèn trên dải phân cách trung tâm. Đèn chiếu sáng được bố trí dạng cần đôi đối xứng lắp trên cột đặt tại dải phân cách giữa hai làn đường. Phương án này tiết kiệm chi phí xây lắp cột và đường cáp nguồn, định hướng tuyến xe chạy tốt, tuy nhiên phân bố ánh sáng về phía hai mép biên và vỉa hè bị hạn chế do bề rộng mặt đường lớn ($l = 23,5\text{ m}$ vượt quá chiều cao treo đèn $h$).
  • Phương án 2: Lắp đặt đèn đối diện hai bên lề đường. Các cột đèn được dựng đối xứng dọc theo hai bên lan can cầu/mép vỉa hè. Phương án này tối ưu hóa độ rọi đồng đều trên toàn bộ mặt cắt ngang lòng đường rộng ($l > 1,5h$), tạo điều kiện kết hợp chiếu sáng đồng bộ phần đường xe chạy và vỉa hè cho người đi bộ, nâng cao tính dẫn hướng thị giác ban đêm.

Quy trình tính toán kỹ thuật chiếu sáng

Trình tự tính toán chiếu sáng cho công trình được thực hiện theo 7 bước tiêu chuẩn:

  1. Xác lập thông số hình học và tỷ số R: Căn cứ mặt đường nhựa trung bình và chóa đèn phân bố bán rộng, xác định tỷ số $R = 14$. Theo tiêu chuẩn TCXDVN 259:2001 đối với đường cấp A, độ chói trung bình yêu cầu $L_{tb} \ge 1,5\text{ cd/m}^2$, suy ra độ rọi trung bình thiết kế $E_{tb} = R \cdot L_{tb} = 14 \cdot 1,5 = 21\text{ lx}$.
  2. Lựa chọn thông số cột và góc cần đèn: Chiều cao treo đèn $h$, khoảng vươn cần đèn $s$ ($1,2\text{ m} \div 3,0\text{ m}$), góc nghiêng cần đèn $\alpha$ khống chế trong giới hạn tối ưu $5^\circ \div 15^\circ$ để triệt tiêu hiện tượng tán xạ gây chói mắt cho tài xế.
  3. Xác định bước cột ($e$): Căn cứ tỷ số cực đại $(e/h)_{max} \le 3,5$ đối với chóa bán rộng kiểu bố trí đối diện để tính toán khoảng cách bước cột dọc tuyến cầu.
  4. Tính toán hệ số sử dụng quang thông ($f_u$): Xác định hệ số sử dụng thành phần phía trước ($f_1$) và phía sau ($f_2$) qua đường cong trắc quang của nhà sản xuất, tính $f_u = f_1 + f_2$.
  5. Xác định quang thông tính toán ($\Phi_{tt}$): $$\Phi_{tt} = \frac{E_{tb} \cdot l \cdot e \cdot V}{f_u}$$ Trong đó $V = V_1 \cdot V_2$ là hệ số suy giảm quang thông do quản lý và môi trường bụi bẩn; kết hợp hệ số bù dự phòng quang thông $\delta = 1,7$ cho đèn phóng điện cao áp.
  6. Chọn bóng đèn và hiệu chỉnh bước cột: Căn cứ $\Phi_{tt}$, chọn bóng đèn cao áp thương phẩm (như đèn Sodium hoặc Thủy ngân cao áp $250\text{ W}$ hoặc $400\text{ W}$) có quang thông định mức $\Phi_đ$ gần nhất, sau đó hiệu chỉnh lại bước cột thực tế $e_{thực} = e \cdot \frac{\Phi_đ}{\Phi_{tt}}$.
  7. Kiểm tra chỉ số chói lóa mất tiện nghi ($G$): $$G = ISL + 0,97\lg(L_{tb}) + 4,41\lg(h') - 1,46\lg(P)$$ Trong đó $h' = h - 1,5\text{ m}$, $P$ là mật độ số lượng đèn trên $1\text{ km}$ chiều dài tuyến, $ISL$ là chỉ số riêng của bộ đèn ($3 \div 6$). Giá trị tính toán phải đảm bảo tiêu chuẩn $G \ge 4$ (theo TCXDVN 259:2001) hoặc $G \ge 5$ (theo chuẩn CIE).
  8. Kiểm tra chiếu sáng vỉa hè: Với bề rộng vỉa hè người đi bộ, tính toán độ rọi thụ hưởng từ chùm sáng đèn đường ($E_{1vh}$). Nếu độ rọi chưa đạt ngưỡng tiêu chuẩn ($E_{tb} \ge 3\text{ lx}$, hệ số đồng đều $U_0 \ge 0,25$, độ chói lóa $L_đ \le 2000\text{ cd/m}^2$), tiến hành bổ sung đèn nhánh phụ trợ với độ rọi bù $E_{2vh} = E_{ycvh} - E_{1vh}$.

Thiết kế trạm biến áp và mạng lưới cấp điện

  • Xác định phụ tải tính toán: Tổng công suất tác dụng ($P_{tt}$) và công suất phản kháng ($Q_{tt}$) được tổng hợp từ toàn bộ hệ số công suất của các bộ đèn cao áp dọc tuyến cầu chính ($1300\text{ m}$) và hai đường dẫn ($1300\text{ m}$), bao gồm tổn hao chấn lưu (ballast) và thiết bị kích đèn.
  • Lựa chọn máy biến áp: Dung lượng định mức trạm biến áp ($S_{đm}$) được lựa chọn đảm bảo điều kiện vận hành an toàn $S_{đm} \ge S_{tt}$, tính toán dự phòng cho việc tăng tải mở rộng trang trí chiếu sáng mỹ thuật cầu.
  • Xác định tiết diện dây dẫn: Tính chọn tiết diện cáp hạ thế theo điều kiện phát nóng cho phép ($I_{cp} \ge I_{lvmax}$), sau đó kiểm tra độ sụt áp tại điểm cuối của mạng lưới phân phối dài $2,6\text{ km}$ ($\Delta U% \le \Delta U_{cp}%$), đảm bảo độ ổn định điện áp vận hành cho các bộ đèn phóng điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về chiếu sáng

Chương 1 khái quát lịch sử tiến hóa của kỹ thuật chiếu sáng nhân tạo từ thời kỳ đèn măng xông khí đốt của K. Auer đến bước ngoặt phát minh bóng đèn sợi đốt của Thomas Edison (năm 1878 được cấp bản quyền, thử nghiệm chiếu sáng New York ngày 24/12/1879 và vận hành lưới điện thắp sáng đường phố ngày 04/09/1882). Chương này hệ thống hóa lịch sử chiếu sáng đô thị tại Việt Nam, bắt đầu từ mạng lưới đèn thời Pháp thuộc, dấu mốc lắp đèn cao áp tại Quảng trường Ba Đình và Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh (1975), cùng hai kỳ Hội nghị chiếu sáng đô thị toàn quốc (tháng 04/1992 và tháng 12/1995 tại Đà Nẵng).

Nội dung trọng tâm của chương tập trung vào cơ sở quang sinh học thị giác: hiện tượng khúc xạ qua thấu kính mắt giải thích lý do tia sáng vàng ($\lambda = 555\text{ nm}$) hội tụ chuẩn xác trên võng mạc, làm cơ sở xây dựng đường cong hiệu quả ánh sáng $V(\lambda)$ của CIE. Chương khảo sát chi tiết 4 đại lượng trắc quang nền tảng (quang thông, cường độ sáng, độ rọi, độ chói), phân biệt rõ bản chất năng lượng (Oát - $\text{W}$) và cảm nhận thị giác (Lumen - $\text{lm}$), biểu đồ Kruithof xác định vùng chiếu sáng tiện nghi, cùng bảng phân cấp 4 nhóm chỉ số hoàn màu CRI. Cuối cùng, chương phân tích 5 hiện tượng quang học ứng dụng trong chế tạo chao/kính đèn: phản xạ (đều, khuếch tán, hỗn hợp), khúc xạ qua kính răng cưa điều chỉnh góc tia, truyền xạ, che chắn hạn chế góc lóa và hệ số hấp thụ quang học của các dòng vật liệu kính đèn.

Vật liệu kính/chao đèn Hệ số hấp thụ quang học ($%$) đối với ánh sáng trắng
Bóng pha lê trong $2% \div 12%$
Bóng thủy tinh sáng $10% \div 20%$
Bóng thủy tinh vàng nhạt $15% \div 20%$
Bóng hạt mịn xanh nhạt $15% \div 25%$
Bóng thủy tinh mờ $20% \div 30%$
Bóng nhựa sáng $20% \div 40%$
Bóng thủy tinh màu sữa $15% \div 40%$
Bóng thủy tinh vàng đậm $30% \div 60%$

Chương 2: Các phương pháp thiết kế chiếu sáng

Chương 2 trình bày hai phương pháp thiết kế chiếu sáng giao thông đường bộ theo chuẩn quốc tế:

  1. Phương pháp tỷ số R (CIE 1965): Phân tích bản chất quy đổi độ chói trung bình ($L_{tb}$) sang độ rọi trung bình ($E_{tb}$) thông qua tỷ số thực nghiệm $R = \frac{E_{tb}}{L_{tb}}$. Chương cung cấp bảng tra tỷ số R đối với các loại chóa đèn (chụp sâu, bán rộng) trên các nền đường bê tông, đường nhựa sạch/bẩn/sáng/trung bình/tối và hè đường. Chương thiết lập quy chuẩn 7 bước thiết kế sơ bộ, các ràng buộc hình học (góc nghiêng cần đèn $\alpha = 5^\circ \div 15^\circ$, tỷ số $e/h$), phân loại 4 giải pháp bố trí đèn (một bên khi $l \le 7,5\text{ m}$; so le hai bên khi $1,5h \ge l \ge h$; đối diện hai bên khi $l > 1,5h$; dải phân cách trung tâm khi bề rộng dải phân cách từ $1,5\text{ m} \div 6\text{ m}$), cách tra hệ số sử dụng $f_u$, tính quang thông $\Phi_{tt}$, công thức đánh giá độ chói lóa mất tiện nghi $G$ và kỹ thuật bù độ rọi cho vỉa hè có bề rộng $\ge 5\text{ m}$.
  2. Phương pháp độ chói điểm (CIE 1975): Giải quyết hạn chế của phương pháp tỷ số R khi không phản ánh được tính phản xạ hỗn hợp không đẳng hướng của mặt đường. Khảo sát công thức độ chói tại điểm $P$: $L = q(\beta, \gamma) \cdot \frac{I(\beta, \gamma)}{h^2} \cdot \cos^3\gamma$. Khảo sát 4 phân cấp lớp phủ mặt đường tiêu chuẩn CIE ($R_1 \div R_4$) thông qua hệ số nhìn rõ $Q_0$ và tỷ số $S_1 = \frac{R(0,2)}{R(0,0)}$. Hướng dẫn thiết lập lưới tính toán hình chữ nhật giữa hai cột đèn liên tiếp (khoảng cách điểm từ $3\text{ m} \div 5\text{ m}$ dọc trục và $1/3$ bề rộng làn xe theo phương ngang), xác lập điểm quan sát của lái xe cách vị trí đèn đầu tiên $60\text{ m}$ và cách mép đường $1/4$ lòng đường để lập bảng ma trận tổng hợp độ chói/độ rọi từ nhiều nguồn đèn phụ cận.
Loại chóa đèn Phương pháp bố trí đèn Tỷ số $(e/h)_{max}$ đối với chóa che hoàn toàn Tỷ số $(e/h)_{max}$ đối với chóa nửa che
Chóa kiểu rộng Một bên, hai bên đối xứng, dải phân cách 4,0 4,5
Hai bên so le 3,7 4,2
Chóa kiểu bán rộng Một bên, hai bên đối xứng, dải phân cách 3,5 4,0
Hai bên so le 3,2 3,7
Chóa kiểu hẹp Một bên, hai bên đối xứng, dải phân cách 3,0 3,5
Hai bên so le 2,7 3,2

Chương 3: Thiết kế chiếu sáng Cầu Bính – Hải Phòng

Chương 3 triển khai ứng dụng các quy chuẩn kỹ thuật vào thiết kế hệ thống cung cấp điện và chiếu sáng Cầu Bính. Chương định rõ chức năng công trình giao thông trọng điểm, thiết lập thông số kỹ thuật đầu vào: mặt cắt lòng đường $l = 23,5\text{ m}$, thân cầu dài $1300\text{ m}$, đường dẫn bờ Hải Phòng dài $700\text{ m}$, đường dẫn bờ Thủy Nguyên dài $600\text{ m}$, cấp chiếu sáng A, mặt đường nhựa cấp $R_3$.

Chương tiến hành lập phương án thiết kế kỹ thuật chi tiết: so sánh giải pháp bố trí trên dải phân cách trung tâm (Phương án 1) và giải pháp bố trí đối diện hai bên thành cầu (Phương án 2). Căn cứ bề rộng mặt cầu lớn ($23,5\text{ m}$), phương án bố trí đối diện hai bên đường được phân tích chọn lựa nhằm thỏa mãn tính đồng đều độ rọi ngang và chiếu sáng an toàn phần vỉa hè người đi bộ. Chương tổng hợp tính toán phụ tải điện, lựa chọn công suất máy biến áp hạ thế cấp nguồn riêng cho hệ thống chiếu sáng cầu, và tính toán tiết diện tuyến cáp điện phân phối dọc thân cầu dựa trên giới hạn dòng phát nóng và độ sụt áp cho phép.

Kết quả và đóng góp

  • Hệ thống hóa cơ sở kỹ thuật tính toán trắc quang học: Đồ án đã tổng hợp và chuẩn hóa quy trình tính toán thiết kế chiếu sáng đường bộ hiện đại, kết hợp đồng bộ giữa phương pháp tỷ số R (CIE 1965) để xác lập cấu hình sơ bộ và phương pháp độ chói điểm (CIE 1975) để kiểm soát độ chói phân bố cục bộ.
  • Xác lập giải pháp chiếu sáng chuyên biệt cho Cầu Bính: Đồ án giải quyết bài toán chiếu sáng cho công trình cầu nhịp lớn với quy mô mặt cầu rộng $23,5\text{ m}$, tổng chiều dài $2,6\text{ km}$ đạt chuẩn đường đô thị cấp A. Giải pháp bố trí đèn đối diện hai bên thành cầu giúp đảm bảo độ chói trung bình $L_{tb} \ge 1,5\text{ cd/m}^2$, độ rọi thiết kế $E_{tb} \ge 21\text{ lx}$, hạn chế độ chói lóa mất tiện nghi ở mức $G \ge 4$.
  • Thiết kế đồng bộ hệ thống cung cấp điện công trình: Tính toán hoàn chỉnh phương án kỹ thuật trạm biến áp phân phối và mạng cáp cấp nguồn hạ thế, giải quyết bài toán sụt áp trên tuyến truyền dẫn kéo dài hơn $2\text{ km}$, đảm bảo an toàn kỹ thuật cho công trình hạ tầng đô thị Hải Phòng.
  • Đóng góp kỹ thuật: Đồ án hoàn thiện trọn vẹn cầu nối giữa lý thuyết trắc quang học và thực tiễn thiết kế hệ thống điện - chiếu sáng công trình giao thông cầu đường bộ, đưa ra mô hình tính toán mẫu cho các công trình cầu đô thị tương tự.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Quy trình tính toán mạng lưới ma trận độ chói điểm có khối lượng phép tính rất lớn, trong đồ án chủ yếu áp dụng phương pháp lập bảng và giải tích bán tự động mà chưa tích hợp ứng dụng các phần mềm mô phỏng trắc quang 3D chuyên sâu (như DIALux hay Calculux).
    • Số liệu đặc tính quang học của lớp phủ mặt đường Cầu Bính dựa trên thông số bảng tra tiêu chuẩn mẫu ($R_3$) của CIE chứ chưa có điều kiện thí nghiệm đo đạc hệ số độ chói thực tế tại hiện trường sau thời gian khai thác mài mòn mặt đường.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Ứng dụng phần mềm máy tính chuyên ngành để số hóa toàn diện việc mô phỏng phân bố ánh sáng 3D và tối ưu hóa vị trí lắp đặt đèn trên cầu.
    • Nghiên cứu chuyển đổi và đánh giá hiệu quả sử dụng nguồn sáng LED công suất cao kết hợp các hệ thống cảm biến điều khiển chiếu sáng thông minh (Smart Lighting), cho phép điều chỉnh quang thông theo mật độ phương tiện giao thông ban đêm để tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu chuyên khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với sinh viên đại học thuộc các ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Hệ Thống Điện, Kỹ Thuật Đô Thị và Công Trình Giao Thông.

Các nội dung có giá trị tham khảo trọng tâm bao gồm:

  • Quy chuẩn 7 bước thiết kế sơ bộ hệ thống chiếu sáng ngoài trời theo phương pháp tỷ số R.
  • Hệ thống bảng tra tỷ số R, tỷ số khoảng cách cực đại $(e/h)_{max}$ cho từng chủng loại chóa đèn (rộng, bán rộng, hẹp).
  • Phương pháp luận phân loại 4 cấp mặt đường tiêu chuẩn CIE ($R_1 \div R_4$) và thuật toán lập lưới tính toán độ chói điểm phục vụ người lái xe.
  • Quy trình tính toán phụ tải, lựa chọn dung lượng máy biến áp và tiết diện dây dẫn hạ thế cho mạng chiếu sáng công cộng trải dài.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số hình học ban đầu của công trình Cầu Bính được sử dụng trong đồ án là gì?
Công trình có bề rộng lòng đường xe chạy $l = 23,5\text{ m}$; chiều dài thân cầu chính là $1300\text{ m}$; chiều dài mặt đường hai bên đường dẫn đầu cầu gồm $700\text{ m}$ phía nội thành Hải Phòng và $600\text{ m}$ phía huyện Thủy Nguyên. Mặt đường thuộc loại nhựa trung bình (cấp $R_3$) và yêu cầu chất lượng chiếu sáng đạt cấp A.

2. Tại sao thiết kế chiếu sáng đường phố hiện đại phải ưu tiên phương pháp tỷ số R và phương pháp độ chói điểm thay vì phương pháp độ rọi đơn thuần?
Phương pháp độ rọi đơn thuần ra đời từ thời kỳ sơ khai chỉ nhằm mục đích đẩy lùi bóng tối. Trong điều kiện giao thông hiện đại với tốc độ xe chạy cao, mắt người lái xe cảm nhận vật cản thông qua độ chói ($L$) và sự tương phản giữa chướng ngại vật với mặt đường chứ không phải độ rọi ($E$). Do lớp phủ mặt đường có tính chất phản xạ hỗn hợp không đẳng hướng, phương pháp tỷ số R (CIE 1965) và phương pháp độ chói điểm (CIE 1975) cho phép tính toán chính xác độ chói thực tế tác động đến mắt tài xế, từ đó bảo đảm an toàn giao thông tối ưu.

3. Mặt đường Cầu Bính được phân loại theo cấp lớp phủ nào của CIE và có đặc tính phản quang ra sao?
Mặt đường Cầu Bính được phân loại vào nhóm $R_3$ (mặt đường nhựa trung bình), đặc trưng bởi lớp bitum nguội có kích thước hạt cốt liệu $< 10\text{ mm}$ với kết cấu chặt. Cấp $R_3$ có hệ số sử dụng $S_1$ nằm trong khoảng $0,85 \div 1,35$ (giá trị điển hình là $1,11$) và hệ số nhìn rõ trung bình $Q_0$ điển hình là $0,07$.

4. Chỉ số tiện nghi chói lóa $G$ được xác định theo công thức nào và tiêu chuẩn yêu cầu tối thiểu là bao nhiêu?
Chỉ số $G$ được xác định theo công thức thực nghiệm: $$G = ISL + 0,97\lg(L_{tb}) + 4,41\lg(h') - 1,46\lg(P)$$ Trong đó $ISL$ là chỉ số riêng của bộ đèn ($3 \div 6$), $L_{tb}$ là độ chói trung bình mặt đường, $h' = h - 1,5\text{ m}$ là độ cao đèn so với mắt người lái xe, $P$ là mật độ số lượng đèn trên $1\text{ km}$ đường. Theo quy chuẩn TCXDVN 259:2001, đường giao thông phải sử dụng bộ đèn có $G \ge 4$, còn theo khuyến nghị của CIE là $G \ge 5$.

5. Đối với dải vỉa hè dành cho người đi bộ trên cầu, quy chuẩn đặt ra những yêu cầu chiếu sáng nào?
Theo quy định, các tuyến đường có dải vỉa hè rộng $\ge 5\text{ m}$ phải được kiểm tra và tăng cường chiếu sáng với các tiêu chí: độ rọi trung bình $E_{tb} \ge 3\text{ lx}$, hệ số đồng đều độ rọi $U_0 \ge 0,25$ và giới hạn độ chói lóa của đèn $L_đ \le 2000\text{ cd/m}^2$. Nếu độ rọi nhận được từ hệ thống đèn đường chính ($E_{1vh}$) chưa đạt yêu cầu thì bắt buộc phải bổ sung hệ thống đèn chiếu sáng riêng cho vỉa hè với độ rọi bù $E_{2vh} = E_{ycvh} - E_{1vh}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện chiếu sáng cho Cầu Bính - Hải Phòng" của sinh viên Hoàng Mạnh Tuấn là công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh thuộc chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp. Tác giả đã làm chủ hệ thống lý thuyết trắc quang học và phương pháp luận thiết kế chiếu sáng giao thông theo tiêu chuẩn TCXDVN 259:2001 và CIE. Bản thiết kế đưa ra giải pháp toàn diện từ bố trí quang học đến phân phối hạ thế, giải quyết tốt bài toán đảm bảo an toàn giao thông và nâng cao mỹ quan cho công trình cầu biểu tượng của thành phố Hải Phòng.