CN104302050B - 一种高速公路隧道群照明系统控制系统和控制方法 - Google Patents

一种高速公路隧道群照明系统控制系统和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速公路隧道群照明系统控制系统和控制方法，该系统包括设置在各个基本控制单元里相邻下游隧道进口端和相邻上游隧道出口端的照明灯具、车辆检测计、洞外亮度检测仪和模糊逻辑控制模块，将交通流参数Q·V作为模糊逻辑控制模块的第一个输入参数，将洞外亮度L作为模糊逻辑控制模块的第二个输入参数，模糊逻辑控制模块内预设相邻隧道间距D作为第三个输入参数，经过模糊逻辑控制模块内预设的逻辑进行推理后输出照明强度等级R，通过该照明强度等级R控制相邻上游隧道出口照明和相邻下游隧道入口照明；本发明的照明控制系统和方法充分考虑了隧道群相邻隧道间距对照明控制的影响，既节省了隧道照明的电力消耗，又获得了更佳的照明效果。

Description

一种高速公路隧道群照明系统控制系统和控制方法
技术领域
本发明涉及一种高速公路隧道的照明系统和控制方法，尤其是大规模高速公路隧道群的照明控制系统和控制方法。
背景技术
目前高速公路隧道的照明系统均采用各隧道相互独立的控制模式，即使是相邻隧道洞口相距较近的毗邻型隧道也不例外。单座公路隧道照明系统的自动控制方法目前主要有：固定时序控制、亮度检测控制及模糊控制。固定时序控制方法不考虑洞外亮度及交通量的变化情况，而是按时间区间(如白昼与夜晚、夏季与冬季等)预先编成程序来控制风机运转，该方法不能适应交通量及洞外亮度的变化，更没有考虑相邻隧道的影响，故主要用于市政公路隧道的照明控制中。亮度检测控制法是通过检测洞外亮度的实际情况，根据与预先设定的阀值的比较情况，从而对照明灯具进行控制，该控制方法较为简单，我国许多隧道目前较普遍采用这种方式，但该方法同样没有考虑隧道间距的影响，也不能适应交通量的变化。模糊控制则将洞外实时亮度、交通量、车辆行驶速度三者共同作为输入参数，通过智能模糊推理运算对隧道照明进行控制，该方法是目前较为先进的照明控制方法，解决了单座隧道的智能照明控制问题，既节约了照明电力消耗，有保证了照明效果。但该方法没有考虑相邻隧道对照明效果及司乘人员视觉适应的影响，故不太适用于山区大规模高速公路隧道群的照明系统控制。
山区高速公路隧道数量巨大，隧道总延长占线路比例较高，多以大规模隧道群的方式出现，且相邻隧道间距较近。当车辆在隧道群中行驶时，司乘人员将连续经历多次暗适应、明适应交替问题，尤其是当相邻隧道距离较近时，明适应与暗适应之间转换时间非常短，此时人眼的适应特性与单座隧道是不同的。目前的照明控制方法均基于单座隧道设计，没有考虑到隧道群相邻隧道间距的影响，故不适用于隧道群的照明控制。
发明内容
为了弥补高速公路隧道群照明系统现有控制方法的不足，本项发明针对司乘人员连续穿越高速公路隧道群时明适应、暗适应多次交替出现的具体特点，为隧道群的照明系统提出了一种新高速公路隧道群照明系统控制系统和控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种高速公路隧道群照明控制系统，将隧道群中相邻上游隧道出口端照明和下游隧道进口端照明视为一个隧道群照明系统的基本控制单元，包括设置在各个基本控制单元里相邻下游隧道进口端和相邻上游隧道出口端的照明灯具、车辆检测计、洞外亮度检测仪和模糊逻辑控制模块，车辆检测计检测获得交通量Q和平均车速V，通过交通流参数计算模块计算获得两者乘积结果Q·V，将该结果作为模糊逻辑控制模块的第一个输入参数，洞外亮度检测仪获得洞外亮度L，将其作为模糊逻辑控制模块的第二个输入参数，模糊逻辑控制模块内预设相邻隧道间距D作为第三个输入参数，经过模糊逻辑控制模块内预设的逻辑进行推理后输出照明强度等级R，通过该照明强度等级R控制相邻上游隧道出口照明和相邻下游隧道入口照明。
所述的高速公路隧道群照明控制系统，相邻下游隧道进口端和相邻上游隧道出口端的照明灯具均包括五种类型：基本照明、加强照明一、加强照明二、加强照明三，加强照明四，该五种照明灯具采用独立电缆供电，可分开独立控制，基本照明沿隧道全线布置，满足洞内基本照明要求，加强照明仅布置在隧道两端洞口处，用于缓和洞内外亮度差异对人眼造成的不适。
所述的高速公路隧道群照明控制系统，基本控制单元的出口端照明和进口端照明的强度划分为五级，定义如下：
第I级照明：基本照明
满足隧道内的基本照明需求；
第II级照明：基本照明+加强照明一
满足低亮度下的洞口照明需求，洞外亮度检测值约100，单位cd/m2；
第III级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二
满足较低亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值约200，单位cd/m2；
第IV级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三
满足中等亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测约500，单位cd/m2；
第V级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三+加强照明四
满足高亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值大于1000，单位cd/m2。
基于上述任一所述的高速公路隧道群照明控制系统的控制方法，将隧道群中相邻上游隧道出口端照明和下游隧道进口端照明视为一个隧道群照明系统的基本控制单元，并对该基本控制单元进行照明强度分级；同时采用洞外亮度检测仪测得隧道洞外的当前亮度值L，采用车辆检测计测得当前交通量Q和平均车速v，将上游隧道出口与下游隧道进口之间的距离D、洞外亮度L以及交通流参数即交通量Q和平均车速V乘积Q·V三者作为模糊逻辑控制模块的输入参数，根据预设的逻辑进行智能模糊推理运算后得到隧道群基本控制单元的照明强度等级R，根据预先定义的照明强度等级与照明灯具的关系，获得相邻上游隧道出口端和下游隧道进口端各自的照明灯具开启组数；对于隧道群照明系统的其他基本控制单元可以采用相同的方法进行控制，实现对整个隧道群照明系统的智能模糊控制。
所述的控制方法，相邻下游隧道进口端和相邻上游隧道出口端的照明灯具均包括五种类型：基本照明、加强照明一、加强照明二、加强照明三，加强照明四，该五种照明灯具采用独立电缆供电，可分开独立控制，基本照明沿隧道全线布置，满足洞内基本照明要求，加强照明仅布置在隧道两端洞口处，用于缓和洞内外亮度差异对人眼造成的不适。
所述的控制方法，基本控制单元的出口端照明和进口端照明强度等级划分为五级，定义如下：
第I级照明：基本照明
满足隧道内的基本照明需求；
第II级照明：基本照明+加强照明一
满足低亮度下的洞口照明需求，洞外亮度检测值约100，单位cd/m2；
第III级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二
满足较低亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值约200，单位cd/m2；
第IV级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三
满足中等亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测约500，单位cd/m2；
第V级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三+加强照明四
满足高亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值大于1000，单位cd/m2。
所述的控制方法，取D的真实论域为{10 500}，单位m，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}；模糊语言变量的各值定义如下：
Z＝零，对应0～50m；S＝小，对应10～100m；M＝中，对应50～200m；BS＝中大，对应100～500m；BB＝最大，对应＞200m。
所述的控制方法，取L的真实论域为{0 1000}，单位cd/m2，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}；模糊语言变量的各值定义如下：
Z＝零，对应0～100cd/m2；S＝小，对应50～200cd/m2；M＝中，对应100～500cd/m2；BS＝中大，对应200～1000cd/m2；BB＝最大，对应＞500cd/m2。
所述的控制方法，取Q·V的真实论域为{50000 100000}，单位辆*km/h2，离散论域取{1，2，3}；模糊语言变量的各值定义如下：
S＝小，对应＜100000辆*km/h2；B＝大，对应＞50000辆*km/h2。
所述的控制方法，其特征在于，所述模糊逻辑控制模块内预设的逻辑如表1和表2所示。
相对于一般的照明控制方法而言，本发明提供的照明控制方法充分考虑了隧道群相邻隧道间距对照明控制的影响，既节省了隧道照明的电力消耗，又获得了更佳的照明效果。
附图说明
图1高速公路隧道群照明基本控制单元划分示意图。
图2高速公路隧道群照明基本控制单元系统构成图。
图3高速公路隧道群照明基本单元控制流程图。
图4是相邻隧道间距D的论域及隶属函数图。
图5是洞外亮度L的论域及隶属函数图。
图6是交通流参数Q·V的论域及隶属函数图。
图7是照明强度等级R的论域及隶属函数图。
具体实施方式
下面以高速公路路段上的隧道群为例，结合附图对高速公路隧道群照明控制系统和控制方法的具体实施方式进行叙述。
①对高速公路隧道群照明基本控制单元进行划分，该基本单元是本发明实施的基础，隧道群的照明控制是以基本单元为对象进行的，如图1所示。
以含有n座双洞单向行车隧道的高速公路路段为例，从路段起点至路段终点依次为第1座隧道、…、第m-1座隧道、第m座隧道、…、第n座隧道，路段上沿着起点至终点(上行)、终点至起点(下行)的行车方向共定义了2n+2个基本照明控制单元。
从路段起点到终点方向(上行)共n+1个基本单元，依次为：
第1单元：第1座隧道进口端照明
第2单元：第1座隧道出口端照明、第2座隧道进口端照明
第m单元：第m-1座隧道出口端照明、第m座隧道进口端照明
第n+1单元：第n座隧道出口端照明
从纵点到起点方向(下行)共n+1个基本单元，依次为：
第n+2单元：第n座隧道进口端照明
第n+3单元：第n座隧道出口端照明、第n-1座隧道进口端照明
第m+n+1单元：第m座隧道出口端照明、第m-1座隧道进口端照明
第2n+2单元：第1座隧道出口端照明
②基本控制单元的照明监控设备包括照明灯具、交通流检测仪、洞外亮度检测仪等，如图2所示。进口端和出口端的照明灯具均分为五种类型：基本照明、加强照明1、加强照明2、加强照明3，加强照明4，该五种照明灯具采用独立电缆供电，可分开独立控制。其中基本照明沿隧道全线布置，满足洞内基本照明要求，加强照明仅布置在隧道两端洞口处，用于缓和洞内外亮度差异对人眼造成的不适。
本发明提出的照明模糊控制方法是基于照明强度分级实施的，将基本控制单元的出口端照明和进口端照明的强度划分为五级，定义如下：
第I级照明：基本照明
满足隧道内的基本照明需求。
第II级照明：基本照明+加强照明一
满足傍晚、早晨等低亮度下的洞口照明需求，洞外亮度检测值约100，单位cd/m2。
第III级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二
满足重阴天等较低亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值约200，单位cd/m2。
第IV级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三
满足洞外阴天等中等亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测约500，单位cd/m2。
第V级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三+加强照明四
满足洞外晴天等高亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值大于1000，单位cd/m2。
③以基本照明控制单元为对象的智能模糊控制流程如图3所示。其中模糊控制器FLC的输入、输出参数包括：
输入参数：
D：相邻隧道间距，需预先设定；
L：洞外亮度，由亮度检测仪测得；
Q·V：交通流参数，其中Q为交通量，V为平均车速，取二者乘积作为输入参数，由车辆检测仪测得。
输出参数：
R：照明强度等级。
基本照明控制单元的详细控制流程如下：
④FLC输入参数——相邻隧道间距D的模糊化。
相邻隧道间距D的引入是本发明专利的核心。在隧道群中，间距D对相邻隧道照明的影响十分显著。间距较小时，车辆在穿越洞口会在较短时间之内经历明适应和暗适应两个过程，较小的洞口间距会导致人眼对前方的事物来不及做出反应，从而影响行车安全。而当间距逐渐增加时，相邻隧道对车辆的影响逐渐减小，直至消失，此时由相邻隧道构成的基本照明控制单元与单体隧道的控制效果相同。取D的真实论域为{10 500}，单位m，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}。模糊语言变量的各值定义如下：
Z＝零(0～50)
S＝小(10～100)
M＝中(50～200)
BS＝中大(100～500)
BB＝最大(＞200)
D的隶属函数如图4所示。
⑤FLC输入参数——洞外亮度L的模糊化。
洞外亮度L也是照明控制的重要参数之一。取L的真实论域为{0 1000}，单位cd/m2，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}。模糊语言变量的各值定义如下：
Z＝零(0～100)
S＝小(50～200)
M＝中(100～500)
BS＝中大(200～1000)
BB＝最大(＞500)
L的隶属函数如图5所示。
⑥FLC输入参数——交通流参数Q·V的模糊化。
交通流参数是照明控制的另一个依据，包括小时交通量Q(单位为：辆/h)和平均行车速度V(单位为：km/h)。交通量越大，为了保证行车安全需要越高级别的照明强度；同样行车速度越高，为了保证行车安全也需要更高级别的照明强度。现有的照明控制方法通常将二者作为独立参数考虑，但对于高速公路而而言，Q与V并不相互独立，理论分析表明二者存在二项式关系，Q越大，V越小。故本项申请取二者乘积QV作为输入参数。
取QV的真实论域为{50000 100000}，离散论域取{1，2，3}。模糊语言变量的各值定义如下：
S＝小(＜100000)
B＝大(＞50000)
QV的隶属函数如图6所示。
⑦FLC输出参数——照明强度等级R的模糊化(上游出口、下游入口照明等级相同)。
FLC控制输出为照明强度等级R，取R的真实论域为{I II III IV V}，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}。模糊语言变量的各值定义如下：
Z＝零(＜II)
S＝小(I～III)
M＝中(II～IV)
BS＝中大(III～V)
BB＝最大(＞IV)
R的隶属函数如图7所示。
⑧FLC控制规则。
表1和表2列出了FLC的全部50条规则，现列举两条规则来说明FLC的推理过程：
rule1：IF D is Z and L is BB and QV is B THEN R is M；
rule2：IF D is BB and L is BB and QV is B THEN R is BB；
表1 智能模糊控制器的控制规则(当QV为S时)
表2 智能模糊控制器的控制规则(当QV为B时)
该模糊规则库充分考虑了隧道间距对照明效果的影响，故适合于大规模高速公路隧道群的照明系统开展，尤其适用于相邻隧道间距较小的情况。
FLC输入变量的模糊化方法采用单点模糊化方法，模糊推理采用Mamdani推理方法，FLC输出变量采用重心法进行解模糊。
⑨FLC经过模糊推理获得照明等级后，即对该基本单元的出口端照明灯具、进口端照明灯具进行控制。
如对m单元的照明控制结果为等级III，那么开启的灯具为：
m-1座隧道出口端照明灯具为：
基本照明+加强照明1+加强照明2；
m座隧道进口端照明灯具为：
基本照明+加强照明1+加强照明2。
⑩采用同样的方法可以对其余2n+1个照明单元进行控制，获得各自的控制结果。其中对于隧道群两头的第1单元、第n+1单元、第n+2单元、第2n+2单元，在进行FLC控制时，可以取其输入参数D(洞口距离)为BB(即认为间距很大的相邻隧道与单座隧道的照明控制效果相同)进行推理运算，根据运算结果对各种的照明灯具进行控制。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高速公路隧道群照明控制系统，其特征在于，将隧道群中相邻上游隧道出口端照明和下游隧道进口端照明视为一个隧道群照明系统的基本控制单元，基本控制单元包括设置在各个基本控制单元里相邻下游隧道进口端和相邻上游隧道出口端的照明灯具、车辆检测计、洞外亮度检测仪和模糊逻辑控制模块，车辆检测计，其用于检测获得交通量Q和平均车速V，通过交通流参数计算模块计算获得两者乘积结果Q·V，将该结果作为模糊逻辑控制模块的第一个输入参数；洞外亮度检测仪，其用于获得洞外亮度L，将其作为模糊逻辑控制模块的第二个输入参数；模糊逻辑控制模块，其预设相邻隧道间距D作为第三个输入参数，经过模糊逻辑控制模块内预设的逻辑进行推理后输出照明强度等级R，通过该照明强度等级R控制相邻上游隧道出口照明和相邻下游隧道入口照明。
2.根据权利要求1所述的高速公路隧道群照明控制系统，其特征在于，相邻下游隧道进口端和相邻上游隧道出口端的照明灯具均包括五种类型：基本照明、加强照明一、加强照明二、加强照明三，加强照明四，该五种照明灯具采用独立电缆供电，可分开独立控制，基本照明沿隧道全线布置，满足洞内基本照明要求，加强照明仅布置在隧道两端洞口处，用于缓和洞内外亮度差异对人眼造成的不适。
3.根据权利要求2所述的高速公路隧道群照明控制系统，其特征在于，基本控制单元的出口端照明和进口端照明的强度划分为五级，定义如下：
第I级照明：基本照明：
满足隧道内的基本照明需求；
第II级照明：基本照明+加强照明一：
满足低亮度下的洞口照明需求，洞外亮度检测值约100，单位cd/m2；
第III级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二：
满足较低亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值约200，单位cd/m2；
第IV级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三：
满足中等亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测约500，单位cd/m2；
第V级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三+加强照明四：
满足高亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值大于1000，单位cd/m2。
4.基于权利要求1所述的高速公路隧道群照明控制系统的控制方法，其特征在于，将隧道群中相邻上游隧道出口端照明和下游隧道进口端照明视为一个隧道群照明系统的基本控制单元，并对该基本控制单元进行照明强度分级；同时采用洞外亮度检测仪测得隧道洞外的当前亮度值L，采用车辆检测计测得当前交通量Q和平均车速v，将上游隧道出口与下游隧道进口之间的距离D、洞外亮度L以及交通流参数即交通量Q和平均车速V乘积Q·V三者作为模糊逻辑控制模块的输入参数，根据预设的逻辑进行智能模糊推理运算后得到隧道群基本控制单元的照明强度等级R，根据预先定义的照明强度等级与照明灯具的关系，获得相邻上游隧道出口端和下游隧道进口端各自的照明灯具开启组数；对于隧道群照明系统的其他基本控制单元采用相同的方法进行控制，实现对整个隧道群照明系统的智能模糊控制。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，相邻下游隧道进口端和相邻上游隧道出口端的照明灯具均包括五种类型：基本照明、加强照明一、加强照明二、加强照明三，加强照明四，该五种照明灯具采用独立电缆供电，可分开独立控制，基本照明沿隧道全线布置，满足洞内基本照明要求，加强照明仅布置在隧道两端洞口处，用于缓和洞内外亮度差异对人眼造成的不适。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，基本控制单元的出口端照明和进口端照明强度等级划分为五级，定义如下：
第I级照明：基本照明：
满足隧道内的基本照明需求；
第II级照明：基本照明+加强照明一：
满足低亮度下的洞口照明需求，洞外亮度检测值约100，单位cd/m2；
第III级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二：
满足较低亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值约200，单位cd/m2；
第IV级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三：
满足中等亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测约500，单位cd/m2；
第V级照明：基本照明+加强照明一+加强照明二+加强照明三+加强照明四：
满足高亮度下的洞口照明要求，洞外亮度检测值大于1000，单位cd/m2。
7.根据权利要求4-6任一所述的控制方法，其特征在于，取D的真实论域为
{10 500}，单位m，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}；模糊语言变量的各值定义如下：
Z＝零，对应0～50m；S＝小，对应10～100m；M＝中，对应50～200m；BS＝中大，对应100～500m；BB＝最大，对应＞200m。
8.根据权利要求4-6任一所述的控制方法，其特征在于，取L的真实论域为
{0 1000}，单位cd/m2，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}；模糊语言变量的各值定义如下：
Z＝零，对应0～100cd/m2；S＝小，对应50～200cd/m2；M＝中，对应100～500cd/m2；BS＝中大，对应200～1000cd/m2；BB＝最大，对应＞500cd/m2。
9.根据权利要求4-6任一所述的控制方法，其特征在于，取Q·V的真实论域为{50000100000}，单位辆*km/h2，离散论域取{1，2，3}；模糊语言变量的各值定义如下：
S＝小，对应＜100000辆*km/h2；B＝大，对应＞50000辆*km/h2。
10.根据权利要求4-6任一所述的控制方法，其特征在于，所述模糊逻辑控制模块内预设的逻辑如表1和表2所示：
表1 当QV为S时的智能模糊控制器的控制规则：
表2 当QV为B时的智能模糊控制器的控制规则：
取D的真实论域为{10 500}，单位m，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}；模糊语言变量的各值定义如下：Z＝零，对应0～50m；S＝小，对应10～100m；M＝中，对应50～200m；BS＝中大，对应100～500m；BB＝最大，对应＞200m；
取L的真实论域为{0 1000}，单位cd/m2，离散论域取{1，2，3，4，5，6，7，8，9}；模糊语言变量的各值定义如下：Z＝零，对应0～100cd/m2；S＝小，对应50～200cd/m2；M＝中，对应100～500cd/m2；BS＝中大，对应200～1000cd/m2；BB＝最大，对应＞500cd/m2。
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