CN102271447B - 高速公路隧道led照明的无级调光控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速公路隧道LED照明无级调光控制方法，在现有技术的基础上将隧道全长划分为六个照明区间并提供了新的无级调光控制数学模型。本发明充分发挥了LED照明能够无级调光的优势，提高隧道照明的均匀度，整个隧道的亮度变化由入口段到中间段再到出口段是一个渐变的过程，提高了驾驶员舒适性和行车安全性的同时又收到了较好的节能效果。

Description

高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法

技术领域

本发明涉及一种照明的自动调光技术，具体涉及一种高速公路隧道LED照明的调光控制方法。

背景技术

近年来，高速公路建设已从中心城市、平原地区向山区延伸，隧道也越来越多，随着交通出行的方便快捷，也给运营管理单位带来了电费的巨大压力。现在许多路段采用LED新型光源代替高压纳灯，期望能收到节能减排的效果，但如果仅仅是简单的替换，由于LED隧道灯的光效和高压纳灯相比并无太大的优势，所以并不能收到明显的效果。因此要实时跟踪车流量和洞外亮度的变化，对LED隧道灯进行调光控制才能收到显著效果。申请号为201010123575.4发明名称为《高速公路隧道照明的自动调光控制》的中国发明专利公布了一种自动调光控制方法，包括计算区域内的平均亮度、隧道照明灯具体位置的布置以及设置PLC控制系统与隧道内各照明灯具连接三个步骤，此外该专利申请还公布了计算区域平均亮度的数学模型。虽然该专利申请实现了在入口段消除“黑洞”以及出口段消除“白洞”的现象，但是在入口段的末端以及过渡段区间的亮度采用的是按规范设计的跳跃式调光，这种非渐变式的调光方法在给驾驶员造成不舒适的同时也不利于节能减排。

发明内容

本发明的目的是设计一种高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特点是充分发挥LED照明能够无级调光的优势，在提高驾驶员的行车安全和舒适性的前提下，收到最大的节能效果。

为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其中具备一个隧道照明控制系统，所述系统包括车辆检测器、光强检测器、隧道灯和照明控制器，所述控制方法包括如下步骤：

(a)车辆检测器检测车辆到达信息，光强检测器检测隧道洞内外的亮度信息；

(b)根据《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》设计入口段亮度Lth和中间段亮度L_in；

(c)根据上述步骤获得的信息，将隧道划分为入口段、过渡段1、过渡段2、中间段和出口段，共包括六个照明区间，长度分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6，其中D1、D2、D5、D6根据设计规范取值，D3、D4长度根据检测信息计算；

(d)设定各个照明区间的亮度水平曲线，其中D1区间为入口段的前半部分，亮度值为L_th随洞外亮度的变化整体调光；D2区间为入口段的后半部分，亮度值线性下降；D3区间长度为D3＝(10^α-1.9)v，其中v为车速，

亮度值由D2区间的终点值按CIE的推荐适应曲线渐变至中间段D4区间的亮度L_in；D5区间位于出口段的前半部分，亮度值线性上升；D6区间位于出口段的后半部分，亮度值为5L_in；

(e)根据步骤(d)计算所得的各隧道灯所在点的亮度以及根据《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》设计的各点亮度获得各点的调光系数，并由相应区域的照明控制器控制该区域的隧道灯。

优选的是，上述各照明区间的亮度水平曲线如下(其中X为隧道内任一位置距离隧道入口的长度)：

在第一照明空间即0＜X≤D1时，L＝L_th＝k×L₂₀(S)，k为入口段亮度折减系数，L₂₀(S)为隧道洞外亮度值；

在第二照明空间即D1＜X≤D1+D2时，亮度从L_th线性下降到0.4L_th，其任意点的亮度为 $L=(1-\frac{3(X-D1)}{5D2})L_{\mathrm{th}};$

在第三照明空间即D1+D2＜X≤D1+D2+D3时， $L=L_{\mathrm{th}}\×{(1.9+\frac{X-D1-D2}{v})}^{-1.4};$

在第四照明空间即D1+D2+D3＜X≤D1+D2+D3+D4时，L＝L_in；

在第五照明空间即D1+D2+D3+D4＜X≤D1+D2+D3+D4+D5时， $L=(1-\frac{4(X-D1-D2-D3-D4)}{D5})L_{\mathrm{th}};$

在第六照明空间即D1+D2+D3+D4+D5＜X≤D1+D2+D3+D4+D5+D6时，L＝5L_in。

优选的是，车辆检测器没有检测到隧道前方有车辆到来时，隧道全长保持应急照明水平L＝0.2cd/m²。

优选的是，当车辆到达第Y_n-1车辆检测器时，第Y_n～Y_n+1照明区间由应急照明状态按上述模型进行调光，第Y_n-2～Y_n-1照明区间恢复到应急照明状态，其余区间保持原样。

优选的是，车辆检测器安装位置为从隧道入口前方500米处开始，每隔500米装有一套。

优选的是，光强检测器安装在隧道入口处。

优选的是，入口段亮度折减系数k取值为0.025。

优选的是，中间段亮度L_in在白天为2cd/m²，在晚上等于1cd/m²，白天在重阴天时调整至1～1.5cd/m²。

优选的是，D2区间的隧道灯安装间距为1米，D3区间过渡段1的隧道灯安装间距为1.5米，D3区间过渡段2的隧道灯安装间距为5米，D5区间的隧道灯安装间距为3.75米。

优选的是，隧道灯采用广角型LED隧道灯，安装高度5.2米，在中间段采用交错布置，其他段采用对称布置。

与现有技术相比，本发明的优点在于可以提高隧道照明的均匀度，整个隧道的亮度变化由入口段到中间段再到出口段是一个渐变的过程，提高了驾驶员舒适性和行车安全性的同时又收到了较好的节能效果。

附图说明

为了使本发明便于理解，现在结合附图描述本发明的具体实施例。

图1为本发明的高速公路隧道LED照明无级调光控制方法的一优选实施例中隧道控制系统设备布置的示意图；

图2为现有技术下按规范设计的隧道照明亮度示意图；

图3为本发明隧道照明的无级调光控制模型示意图；

图4为采用本发明隧道照明的无级调光控制模型产生的节能效果示意图。

附图中各部分标记分别表示：

Y₁、Y₂、……Y_n、Y_n+1为车辆检测器；L1、L2为光强检测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示的隧道控制系统，包括双雷达车辆检测器Y₁、Y₂、……Y_n、Y_n+1、光强检测器L1、L2、隧道灯和照明控制器，从进入隧道前500米开始隧道全长每隔500米安装车辆检测器来检测车辆信息，光强检测器L1、L2分别安装在隧道入口处的外部和内部，用来检测隧道洞外部和内部的亮度信息。隧道灯采用广角型LED隧道灯，安装高度5.2米，在中间段采用交错布置，其他段采用对称布置。

在现有技术中，根据所采用隧道灯的光型曲线，隧道全长按0.2cd/m²的路面亮度标准来设计应急照明，按2cd/m²的路面亮度标准来设计基本照明；分别按入口段、过渡段1、过渡段2、出口段的路面亮度标准来设计各段照明，同时要把原已设计的应急照明、基本照明考虑进去。

单个灯具在路面计算点产生的亮度为L_pi＝(I_cγ/H²)r(β，γ)，

上式中：L_pi为灯具i在计算点P产生的亮度(cd/m²)；

r(β，γ)为简化亮度系数，通过查表取值；

H为灯具光源中心至路面的高度(m)；

β为观察面与光入射面之间的角度；

γ为P点对应灯具光线入射角；

数个灯具在计算点P产生的亮度可按下式计算

计算区域内路面的平均亮度

可按下式计算其中L_av为计算区域内路面的平均亮度；m为计算区域内计算点的数量；

路面亮度总均匀度可按下式计算

其中U₀为路面亮度总均匀度，Lm_in为计算区域内路面的最小亮度；

路面中线亮度纵向均匀度可按下式计算

其中U₁为路面中线亮度纵向均匀度，L′_min为路面中线最小亮度，L′_av为路面中线最大亮度。

根据上述公式用人工计算比较繁杂的，利用DIALux照明计算软件进行计算和模拟，在进行隧道照明设计时，按照《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》，针对某隧道的具体情况(洞外亮度3500cd/m²、行车速度80Km/h、双车道单向交通N□700辆/h，纵坡-2.2％)进行设计，得出夏天正午时隧道内各段最低亮度如表1所示：

表1按规范设计某隧道照明系统数据

以上按规范设计的隧道照明亮度示意图如图2所示。按照规范来设计隧道照明系统，驾驶员从隧道入口到出口，要经历四次较大的阶梯状的亮度变化，最大亮度和最小亮度之差达到了四、五十倍，这种剧烈的变化对行车安全存在较大的隐患。为提高行车的安全性和舒适性，同时也产生了过度照明，浪费了能源。

根据本发明的技术方案，提供一种高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其中具备一个隧道照明控制系统，所述系统包括车辆检测器、光强检测器、隧道灯和照明控制器，所述控制方法包括如下步骤：

(a)车辆检测器检测车辆到达信息，光强检测器检测隧道洞内外的亮度信息；

(b)根据《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》设计入口段亮度L_th和中间段亮度L_in；

(c)根据上述步骤获得的信息，将隧道划分为入口段、过渡段1、过渡段2、中间段和出口段，共包括六个照明区间，长度分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6，其中D1、D2、D5、D6根据设计规范取值，D3、D4长度根据检测信息计算；

(d)设定各个照明区间的亮度曲线(X为隧道内任一位置距离隧道入口的长度)：

其中D1区间从隧道入口的第一盏照明灯(Z-RK-YJ-1，以右洞为例)开始，至第46盏照明灯止(Z-RK-JB-3)，全长45米。亮度L＝L_th＝k·L₂₀(S)，  k为入口段亮度折减系数，按规范取0.025，L₂₀(S)为隧道洞外亮度值，通过洞外光强检测器L1采集；

D2区间以入口段第46盏照明灯(Z-RK-JB-3)为起点，至过渡段第一盏灯(Z-GD1-JB-1)为终点，总长45米。亮度从L_th线性下降到0.4L_th，其任意点的亮度为 $L=(1-\frac{3(X-D1)}{5D2})L_{\mathrm{th}};$

D3区间从过渡段1的第一盏灯(Z-GD1-JB-1)开始，至过渡段2的最后一盏灯(Z-GD2-GD2-12结束)，总长为160米，灯具安装间距分为1.5米(过渡段1)和5米(过渡段2)，该区间亮度按下式平滑下降 $L=L_{\mathrm{th}}\×{(1.9+\frac{X-D1-D2}{v})}^{-1.4};$

D4区间为整个中间段，从过渡段2的最后一盏灯(Z-GD2-GD2-12)开始，至中间段最后一盏灯(Z-ZJ-JB-64)止，整个区间亮度为L＝L_in，按规范取值为2cd/m²；

D5区间从中间段的最后一盏灯(Z-ZJ-JB-64)开始，至出口段的第八盏灯(Z-CK-CK-6)止，总长为33.75米，该照明区间的亮度从中间段的L_in线性上升至出口段的5L_in，该段任意点的亮度为： $L=(1-\frac{4(X-D1-D2-D3-D4)}{D5})L_{\mathrm{th}};$

D6区间从出口段的第八盏灯(Z-CK-CK-6)开始，至出口段的最后一盏灯(Z-CK-CK-13)止，该照明区间的亮度为5L_in；

(e)根据步骤(c)计算所得的各隧道灯所在点的亮度以及根据《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》设计的各点亮度获得各点的调光系数，并由相应区域的照明控制器控制该区域的隧道灯。

隧道照明控制方案如下

1、无车到来时的控制方式

a、在没有检测到隧道前方有车辆到来时，隧道全长保持应急照明水平。分段的应急照明调光系数如表2所示

表2应急照明调光系数表

b、应急照明灯在安装前应设置在网络中断后默认的调光率为100％，并接入EPS供电。

c、在停电时，除应急照明灯全亮外，其它灯全黑。

d、来电后应自动恢复到1的状态。

2、有车到来时的控制方式

a、当Y₁组车辆检测器检测到车辆到达信息时，Y₂～Y₃照明区间由应急照明状态按上述模型进行调光，其余区间保持原样。Y₂～Y₃区间总长为500米，包含了D1、D2、D3及D4的一部分；

b、当车辆到达Y₂组车辆检测器时，Y₂～Y₃照明区间维持上一照明状态，Y₃～Y₄照明区间按上述模型开启照明灯，其余区间保持原样；

c、当车辆到达Y3组车辆检测器时，Y₄～Y₅照明区间由应急照明状态按上述模型进行调光，Y₂～Y₃照明区间恢复到应急照明状态，其余区间保持原样；

d、当车辆到达第Y_n-1车辆检测器时，第Y_n～Y_n+1照明区间由应急照明状态按上述模型进行调光，第Y_n-2～Y_n-1照明区间恢复到应急照明状态，其余区间保持原样。

在进行隧道照明设计时，洞外亮度L₂₀(S)的数值是根据经验和设计院提供的测试数据取为3500cd/m²，跟实际的洞外亮度有差距，并且在不同的季节，该数值也会有较大的误差，调光率为100％这个点在程序中应能进行调整补偿。

中间段的亮度L_in在白天为2cd/m²，在晚上等于1cd/m²，白天在重阴天时调整至1～1.5cd/m²。

根据本发明的技术方案上述隧道各区间照明灯具的调光系数表如下所示

表3 D2区间照明灯具调光系数表

D2区间以入口段第46盏照明灯(Z-RK-JB-3)为起点，至过渡段第一盏灯(Z-GD1-JB-1)为终点，总长45米，灯具安装间距1米

表4 D3区间照明灯具调光系数表

D3区间从过渡段1的第一盏灯(Z-GD1-JB-1)开始，至过渡段的最后一盏灯(Z-GD2-GD2-12)结束，总长为160米，灯具安装间距分为1.5米(过渡段1)；5米(过渡段2)；

表5 D5区间照明灯具调光系数表

D5区间起点为中间段最后一盏灯具(Z-ZJ-JB-64，距出口段67.5米)起，到出口段第十盏照明灯(Z-CK-CK-8，距出口26.25米)止，总长度为33.75米，灯具安装间距3.75米。

根据本发明提供的高速公路隧道LED照明无级调光控制方法，充分发挥了LED照明能够无级调光的优势，提高隧道照明的均匀度，整个隧道的亮度变化由入口段到中间段再到出口段是一个渐变的过程，提高了驾驶员舒适性和行车安全性的同时又收到了较好的节能效果。在不考虑跟踪车流量和洞外亮度变化来控制隧道照明的亮度所产生的节能效果，仅从采用六照明区间的无级调光控制模型这一项的节能效果就可达到24％以上。如图4所示，图中交叉线所覆盖的面积就是采用隧道照明无级调光控制模型所达到的节能效果。

以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于，其中具备一个隧道照明控制系统，所述系统包括车辆检测器、光强检测器、隧道灯和照明控制器，所述控制方法包括如下步骤：

（a）车辆检测器检测车辆到达信息，光强检测器检测隧道洞内外的亮度信息；

（b）根据《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》设计入口段亮度                                                

和中间段亮度

；

（c）根据上述步骤获得的信息，将隧道划分为入口段、过渡段1、过渡段2、中间段和出口段，共包括六个照明区间，长度分别为D1、D2、D3、D4、D5、D6，其中D1、D2、D5、D6根据设计规范取值，D3、D4长度根据检测信息计算；

（d）设定各个照明区间的亮度水平曲线，其中D1区间为入口段的前半部分，亮度值为

随洞外亮度的变化整体调光；D2区间为入口段的后半部分，亮度值线性下降；D3区间长度为

，其中

为车速，

，亮度值由D2区间的终点值按国际照明委员会的推荐适应曲线渐变至中间段D4区间的亮度；D5区间位于出口段的前半部分，亮度值线性上升；D6区间位于出口段的后半部分，亮度值为

；

（e）根据步骤（d）计算所得的各隧道灯所在点的亮度以及根据《JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》设计的各点亮度获得各点的调光系数，并由相应区域的照明控制器控制该区域的隧道灯。

2.如权利要求1所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于所述各照明区间的亮度水平曲线如下（其中为隧道内任一位置距离隧道入口的长度）：

在第一照明空间即

时，

，为入口段亮度折减系数，为隧道洞外亮度值；

在第二照明空间即时，亮度从

线性下降到

，其任意点的亮度为

；

在第三照明空间即

时，

； 

在第四照明空间即

时，

；

在第五照明空间即

时，

；

在第六照明空间即

时，

；

所述亮度水平曲线也称为无极调光控制模型。

3.如权利要求2所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于：车辆检测器没有检测到隧道前方有车辆到来时，隧道全长保持应急照明水平

。

4.如权利要求3所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于：当车辆到达第

车辆检测器时，第

照明区间由应急照明状态按上述无极调光控制模型进行调光，第

照明区间恢复到应急照明状态，其余区间保持原样。

5.如权利要求1－4任一项所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于：所述车辆检测器的安装位置为从隧道入口前方500米处开始，每隔500米装有一套。

6.如权利要求5所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于：所述光强检测器安装在隧道入口处。

7.如权利要求6所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于：入口段亮度折减系数

取值为0.025。

8. 如权利要求7所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于：中间段亮度

在白天为

，在晚上等于

，白天在重阴天时调整至

。

9.如权利要求8所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于：D2区间的隧道灯安装间距为1米，D3区间过渡段1的隧道灯安装间距为1.5米，D3区间过渡段2的隧道灯安装间距为5米，D5区间的隧道灯安装间距为3.75米。

10.如权利要求9所述的高速公路隧道LED照明的无级调光控制方法，其特征在于：所述隧道灯采用广角型LED隧道灯，安装高度5.2米，在中间段采用交错布置，其他段采用对称布置。

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