CN101965085A - 一种根据隧道照明需求进行照明调节的前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道内照明设备技术领域，涉及一种根据隧道照明需求进行照明调节的前馈控制方法，包括：1)检测洞外亮度，获得洞外亮度值，对该亮度值折减后得到入口段的亮度；2)将过渡段分为三个过渡子段，以入口段的亮度为基础，设定各个过渡子段、中间段、出口段的亮度基准值，给出亮度需求曲线；3)根据亮度需求曲线，设定和洞内部分亮度检测值实现对整体LED隧道灯的亮度反馈调节；4)以隧道内的位置为参数，代入亮度需求曲线，得到对应位置的平均照度，再根据光通量公式，确定各处灯具的控制量的大小，对每个灯具的亮度进行前馈控制。本发明延长了灯具的使用寿命，并能节约能耗。

Description

一种根据隧道照明需求进行照明调节的前馈控制方法

技术领域

本发明属于隧道内照明设备技术领域，特别涉及一种隧道照明智能控制方法。

背景技术

长期以来，隧道照明一直沿用的高压钠灯、荧光灯高压汞灯、卤素灯等常规产品由于含汞等有害物质，且在隧道内必须常年通电点亮，耗能极大，已越来越不适应人们对环保节能的追求，人们迫切需要寻找新型的节能环保的照明光源。

LED灯作为一种新型的固体光源，即节能、寿命长、利用率高。还有一个优越的特性就是亮度瞬时可控性。这个特性不仅能使能耗更低、寿命更长，也能使光衰更低。

1、洞外亮度对能耗的影响

洞外亮度是隧道照明设计的一个最基本的参数，通常是在7-8月份的夏季中午晴天测得，照明的设计都要依据这个参数，但洞外亮度受季节，时间，气候的影响，实际亮度远小于这个值，因此在一年90％的时间里，洞外亮度都小于这个值，造成过度照明和电能的浪费。有研究表明年平均白天功率需求只占设计功率的22.7％，如果亮度可控，则通过根据需求进行亮度的调整，则可以节省77.3％的白天功率。传统的高压钠灯只能做到很小范围的调光，且通常做成有级分段调光的形式，而led灯则有很宽的调节范围，且可以实现快速无级的调节。

2、LED灯作为一种半导体固体灯，影响其寿命的一个很重要的因素就是其结温，因此如果能不断根据需要调整灯具的运行功率使其不用一直满负荷运行，可以降低结温，改善散热条件，增加使用寿命。

3、LED灯的温度同样影响其光衰，因此通过根据需求进行亮度调节可以减缓LED灯的光衰。

因此，如果能够实时根据检测到的隧道参数包括洞外亮度、洞内亮度、车流量流速等，并根据这些参数以及国家标准确定洞内各段所需的亮度，然后根据该亮度，对隧道内的所有灯具进行亮度控制调整，使得隧道内的实际照度符合该亮度，则可以大大优化隧道内照明的节能安全运行。通过本发明的方法对LED照明系统进行控制，一方面可以节约能耗，一方面还可以延长灯具的使用寿命和减少光衰，另一方面还能提高安全性。

发明内容

本发明针对现有隧道照明控制系统无法完全按照实际的亮度需要，进行在线控制和调整隧道内的亮度的缺陷，提出了一种前馈与反馈结合的控制方法，通过检测洞外亮度、洞内亮度、车流量流速等参数，根据标准确定隧道内的照度需求曲线。然后采用一种前馈结合反馈的控制策略，对隧道内的所有灯具的照度进行控制和调节，使得隧道内的照度能够实时的跟随实际的照度需要，优化照明系统的安全节能运行。为此，本发明采用如下的技术方案：

一种根据隧道照明需求进行照明调节的前馈控制方法，包括下列步骤：

1)检测洞外亮度，获得洞外亮度值，对该亮度值折减后得到入口段的亮度；

2)将过渡段分为三个过渡子段，以入口段的亮度为基础，设定各个过渡子段、中间段、出口段的亮度基准值，给出亮度需求曲线；

3)根据亮度需求曲线，设定对各个LED隧道灯所在位置的亮度进行反馈调节的给定值，根据洞内部分亮度检测值实现对整体LED隧道灯的亮度反馈调节；

4)以隧道内的位置为参数，代入亮度需求曲线，得到对应位置的平均照度E_av，再将该位置对应隧道段的灯具间隔S以及平均照度E_av代入光通量公式

式中，利用系数η，灯具排列模式N，维护系数M，马路宽度W为常数，求得所需计算位置的灯具的平均光通量φ，再根据该位置的灯具的满光通量，计算该处灯具的调光百分比，从而确定该处灯具的控制量的大小，对每个灯具的亮度进行前馈控制。

上述的三个过渡子段的亮度基准值可以分别为入口段亮度的0.3，0.1和0.35，出口段的亮度设定为中间段的5倍。

本发明针对隧道照明系统，采用LED灯具进行重新设计、替换和改造，提出了一种采用前馈结合反馈的控制策略，根据生成的照度需求曲线，对隧道内的所有灯具的照度进行控制和调节，使得隧道内的照度能够实时的跟随实际的照度需要，优化照明系统的安全节能运行，延长了灯具的使用寿命和减少光衰，并能大大节约了能耗。

附图说明

图1本发明实施例应用的隧道LED照明系统结构图。

图2整体隧道照明前馈与反馈控制原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

为了解决隧道照明节能安全优化控制问题，本发明按照图1搭建隧道照明监控系统，包括中心监控主机、亮度检测单元、车流量流速监测单元、环境温度传感器、通信总线、区域控制器、带通信总线的单灯控制电源、LED灯具。中心监控主机采用工控机，运行中心监控管理软件和通信接口软件，车流量流速检测系统、亮度计和温度传感器的检测参数，通过通信总线，传送给中心监控主机。中心监控主机通过通信接口，把区域控制指令下发到各个区域控制器，再通过区域控制器的通信总线分别对系统的所有灯具进行控制，进行调光，并能对每台灯具的状态(亮灯，灭灯，故障，照度给定等)进行查询，并显示在软件监控界面上。

本发明提出了一种前馈与反馈相结合的灯具亮度控制调节方法，根据该照度需求曲线，对隧道内的所有灯具的亮度进行调节，使隧道内的亮度符合该照度曲线。由于洞外亮度，洞内亮度，车流量流速是个动态变化的参数，所以整个照度曲线的生成以及灯具的亮度调节过程是一个动态过程。

下面对本发明的控制方法做详细说明。

1)采用亮度传感器可以直接将检测到的洞外亮度L20(S)通过通讯总线传输到中心监控主机，来获得准确的洞外亮度值，该检测值作为中心监控主机的控制决策依据。

在入口段，根据公式

Lth＝k·L20(S)                                            (1)

计算出入口段的亮度。其中k为折减系数。k的值可以查《公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1-1999》得到。

根据公路隧道照明设计规范将过渡段分为三个过渡子段。并在每段分开的过渡段中，每段的亮度基准值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{tr}1}=0.3L_{\mathrm{th}}\\ {\mathrm{Ltr}}_2=0.1L_{\mathrm{th}}\\ L_{\mathrm{tr}3}=0.035L_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在整个隧道完整照明过程中，中间段是基本部分。中间段照明的基本任务仍是保证停车视距，中间段的照明水平与空气透过率(及通风条件)、行车速度以及交通量等因素有关。在正常通风条件下中间段的亮度可根据标准中的列表取值。根据规范出口段的亮度设定为中间段的5倍即可。

2)采用前馈与反馈结合的控制策略，使实际灯具产生的亮度能符合亮度度需求曲线。

在给定照度需求曲线后，根据上述的《公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1-1999》，有平均照度公式：

$E_{\mathrm{av}}=\frac{\mathrm{\η}\·\mathrm{\φ}\·M\·N}{W\·S}---\left(3\right)$

E_av是平均照度，φ为光通量，η是利用系数，N是灯具排列模式，M是维护系数，W是马路宽度，S为灯具间隔，可以得到：

$\mathrm{\φ}=\frac{W\·S{\·E}_{\mathrm{av}}}{\mathrm{\η}\·M\·N}---\left(\text{4}\right)$

η，N，M，W在隧道里通常是常数，而S作为灯具间隔，在隧道内不同段而不同，给定的亮度需求曲线为以隧道长度为横坐标的连续的曲线。以隧道内的位置为参数，代入亮度需求曲线，得到对应位置的E_av，再将该位置对应隧道段的灯具间隔S以及E_av代入式(4)，即可求得所需计算位置的灯具的平均光通量φ，再根据该位置的灯具的满光通量，计算该处灯具的调光百分比，从而确定该处灯具的控制量的大小。因此，可以通过式(4)计算每个灯具所需要的调节亮度，进行前馈控制。由于前馈控制是在平均值的基础上计算，而灯具的实际功率等级可能不一样，因此，该前馈控制有一定的偏差，在此基础上，通过隧道内多个节点的亮度检测器，反馈调节器比较照度需求曲线和实际检测到的隧道内亮度，对灯具的亮度进行修正。从而，保证隧道内的实际亮度符合亮度需求曲线。

Claims (2)

1.一种根据隧道照明需求进行照明调节的前馈控制方法，包括下列步骤：

1)检测洞外亮度，获得洞外亮度值，对该亮度值折减后得到入口段的亮度；

2)将过渡段分为三个过渡子段，以入口段的亮度为基础，设定各个过渡子段、中间段、出口段的亮度基准值，给出亮度需求曲线；

3)根据亮度需求曲线，设定对各个LED隧道灯所在位置的亮度进行反馈调节的给定值，根据洞内部分亮度检测值实现对整体LED隧道灯的亮度反馈调节；

4)以隧道内的位置为参数，代入亮度需求曲线，得到对应位置的平均照度E_av，再将该位置对应隧道段的灯具间隔S以及平均照度E_av代入光通量公式

式中，利用系数η，灯具排列模式N，维护系数M，马路宽度W为常数，求得所需计算位置的灯具的平均光通量φ，再根据该位置的灯具的满光通量，计算该处灯具的调光百分比，从而确定该处灯具的控制量的大小，对每个灯具的亮度进行前馈控制。

2.根据权利要求1所述的前馈控制方法，其特征在于，三个过渡子段的亮度基准值可以分别为入口段亮度的0.3，0.1和0.35，出口段的亮度可以设定为中间段的5倍。

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