CN106740432A - 一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统 - Google Patents

一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，包括照度检测单元、指标检测单元、照度补偿装置、指标适应性装置和前照灯控制装置，照度检测单元输入连接有光电照度仪，照度检测单元输出与照度补偿装置的输入连接；指标检测单元输入连接有速度传感器、心率传感器、肌电传感器和眼动设备，指标检测单元的输出与指标适应性装置的输入连接，指标适应性装置的输出与照度补偿装置输入连接，照度补偿装置还双向连接有计时器，照度补偿装置输出连接有前照灯控制装置。本发明改变了传统的隧道照明模式，由传统的隧道固定照明设施作为光照补偿光源变为动态的移动车辆前照灯作为光照补偿光源。

Description

一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统
技术领域
本发明涉及交通安全技术领域，具体是一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统。
背景技术
近年来，公路隧道日趋增多，公路隧道属于特殊路段，隧道洞内外环境差别非常大，需要在隧道内设置电光照明，以消除驾驶人的“暗适应”与“明适应”视觉问题，保证隧道行车安全。但是如何营造高速公路隧道良好的驾驶视觉环境，同时达到节能减排，是一个值得研究和探讨的问题。当前大部分公路隧道照明控制系统简单，照明光源舒适度不高，未根据洞外环境亮度实时调节隧道洞内照明亮度，存在盲目加大隧道照明的亮度的问题，给行车安全带来隐患，造成能源浪费，不符合设计规范和国家节能的政策要求。因此需要寻找一种经济环保的照明措施来调节隧道洞内照明亮度满足驾驶人生理适应性的要求。
对于隧道内照明措施的研究，从国内外的研究情况来看，主要研究方向不再集中于讨论如何设计照明系统,而在于如何控制照明系统,实现照明系统的自动化,实现照明系统的优化和节能。结合国内外的研究现状看，隧道照明系统的优化和节能措施主要有：一是寻找更高效节能的隧道光源，LED灯具正逐步取代高压钠灯；二是改进照明方法，例如加拿大采用的逆光照明方式，国外采用的二次配光技术，均提高了灯具的使用效率，极大的避免了电能浪费；三是优化隧道内自动调光系统，例如华中师范大学的张伟刚、张天一等人基于物联网技术设计了高速公路隧道照明节能系统。通过对隧道内、外光照度的采集以及埋地线圈对隧道实时车流量的监控，实现了数据采集、存储与发送为一体的ARM系统，并通过TCP/IP协议完成了远程数据服务器的采集与管理；基于模糊控制理论，实现了实时车流量与光照度对隧道内灯具开关数量的有效控制，有效降低了隧道照明系统的能耗。还有其他的研究人员根据驾驶人视觉行为指标，利用洞外亮度、交通量、平均车速以及天气条件等因素调节隧道照明亮度。这些传统的隧道照明系统优化针主要都是针对隧道内分布的固定照明设施来实现隧道照明的调节，虽然可完成视觉适应，但仍然一直是开灯浪费电能，且高速公路上隧道闲置多，能源浪费大。
随着技术的不断改革和创新，汽车融入了大量现代的高新技术及手段，各种高科技的应用，使得汽车慢慢地演变为信息、通信和娱乐中心，并可与外界进行信息交换，计算机功能及互联网的全方位介入，再加上车载信息，娱乐设备，高级导航设备，实时交通信息功能日趋普及。因此基于这些高新技术，我们需要把这些技术手段很好的运用到隧道照明中去，从车辆的角度补光，根据驾驶人的生理舒适性对车辆前照灯照度进行调节，保证驾驶员行车安全，极大的提高了车辆穿越隧道时的安全、经济和高效性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，以保证驾驶员行车安全，提高车辆穿越隧道时的安全、经济和高效性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：包括照度检测单元、指标检测单元、照度补偿装置、指标适应性装置、前照灯控制装置，所述照度检测单元输入端与光电照度仪连接，照度检测单元输出端与照度补偿装置的输入端连接，所述指标检测单元的输入端接入有速度传感器、心率传感器、肌电传感器、眼动设备，指标检测单元的输出端与指标适应性装置输入端连接，指标适应性装置输出端与照度补偿装置输入端连接，照度补偿装置的输入端还接入有计时器，照度补偿装置的输出端与前照灯控制装置输入端连接，前照灯控制装置输出端与车辆前照灯连接，其中：
所述的光电照度仪分别位于隧道外的洞口处、车辆内靠近前挡风玻璃前的中控台处，且对应用于检测隧道外的照度和隧道内的实时照度，光电照度仪分别将测量的照度数据传送给照度检测单元；
所述的速度传感器安装在车辆内油门踏板上，用于检测车辆的瞬时速度，将测量的速度数据传送给指标检测单元；
所述的心率传感器安装在驾驶人安全带上，用于实时检测驾驶员的心率变化，将测量的心率数据传送给指标检测单元；
所述的肌电传感器安装在驾驶员座椅后背处，用于实时检测驾驶员的肌肉强度变化，将测量的肌肉强度数据传送给指标检测单元；
所述的眼动设备采用的是非佩戴式眼动设备，眼动设备安装在前挡风玻璃前的中控台处，此眼动设备360度全方位转动，通过摄入从驾驶人眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化，从而进行视线跟踪；眼动设备用于检测驾驶人的瞳孔面积变化和持续注视时间，将测量的瞳孔面积和持续注视时间数据传送给指标检测单元；
所述的计时器接收照度补偿装置发送的触发信号由照度补偿装置触发，并且计时器将计时时间实时反馈给照度补偿装置，该计时时间用于实时计算隧道内照度补偿量；
所述的指标检测单元由单片机构成，指标检测单元通过输入端接收速度传感器的速度指标、眼动设备的瞳孔面积和持续注视时间指标、心率传感器的心率指标和肌电传感器的肌肉强度指标，进而计算出单位时间内各种指标的变化，并将指标的变化率传送给指标适应性装置；
所述的指标适应性装置输入端与指标检测单元的输出端相连接，以接收指标检测单元输出的各种实时指标变化数据，指标适应性装置由单片机构成，存储了驾驶人正常行驶状态下的行为、生理和心理指标，根据这些指标计算出单位时间内正常驾驶状态下各种指标的变化，通过接收的各种实时指标变化与正常驾驶状态下指标变化做差值，建立驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断程序，判断程序的条件如下：
判断条件1：若差值大于零，则照度补偿装置不受影响，一直处在运行状态
判断条件2：差值小于等于零时，则抑制照度补偿控制装置，照度补偿值计算终止，计时器计时终止；
所述的照度补偿装置是由单片机构成，照度补偿装置分别接收来自照度检测单元的隧道内、外照度值和计时器的时间，照度补偿装置中基于大量的实车实验建立照度补偿模型，根据隧道内、外照度值和时间计算隧道内实时照度补偿值；同时照度补偿装置与指标适应性装置相连接，指标适应性装置的判断程序启动，若满足判断条件1，则照度补偿装置运行，根据隧道内、外照度值和时间计算隧道内实时照度补偿值；若满足判断条件2：则照度补偿装置运行终止，计时器结束计时；
所述的前照灯控制装置的输入端与照度补偿装置的输出端相连接，前照灯控制装置内含电子镇流器，前照灯控制装置接收来自照度补偿装置传送的照度补偿值，根据接收到的照度调节命令自动调整前照灯电源的输出电流，改变前照灯的工作状态。
所述的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：照度补偿装置中，基于大量的实车实验，建立光照强度变化时，驾驶员视觉适应性方程：
t＝|lgqa-lgqb|，
方程中：qa为隧道外的照度值；
qb为隧道内驾驶员的视觉适应性照度值；
t为车辆自进隧道行驶的时间；
隧道内照度补偿值为：
q0＝qa×10±t-q1，
式中：q1为隧道内的基础光照值；
q0为隧道内照度补偿值。
所述的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：指标适应性装置中，将采集的单位时间内速度变化X1、单位时间内心率变化X2、单位时间内平均持续注视时间X3、单位时间内肌肉强度变化X4、单位时间内瞳孔面积变化X5，分别与存储的驾驶人正常驾驶状态下的行为、生理和心理指标做差，建立驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断方程为：
式中：i＝1、2、…、n；j＝1、2、…、5；
Xij为第i位驾驶人第j种指标变化；
ΔXij为第i位驾驶人第j种指标变化差值。
所述的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：隧道外的光电照度仪的照度通过GPRS网络传送给照度检测装置。
所述的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：所述的前照灯控制单元中，隧道内照度补偿是通过调节前照灯的亮度来实现的。
本发明具有以下优点：
1、本发明改变了传统的隧道照明模式，由传统的隧道固定照明设施作为光照补偿光源变为动态的移动车辆前照灯作为光照补偿光源，方法新颖独特，有效的整合现代车辆的高新技术，保证了驾驶员行车安全，提高了车辆穿越隧道时的安全、经济和高效性。
2、本发明采用动态车辆的前照灯作为光照补偿光源，基于驾驶人的行为、生理和心理指标，能够随时随地调节隧道照明，具有优良的动态调节性。
3、本发明是基于驾驶人的行为、生理和心理指标对隧道内照明进行调节，体现了“以人为本”的设计理念，设计人性化，提高驾驶人的安全性和舒适性。
4、本发明的指标适应性装置中，自动存储了大量实车模拟实验的得到的正常驾驶状态下驾驶人的行为、生理和心理指标，与实时检测到的隧道内驾驶人的行为、生理和心理指标做差，建立了驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断程序，确定了照度补偿函数的界限，方法科学有效。
5、本发明的照度补偿装置中，通过大量的实车模拟实验，基于光照强度变化时，驾驶员视觉适应性方程，建立了隧道内照度补偿函数，照度补偿值随着时间变化而自行调节前照灯照度值，直到指标适应性装置的判定程序启动，抑制照度补偿装置的运行，计时终止。此方法有效的将照度补偿值的变化函数与驾驶人的行为、生理和心理特性结合起来，方法新颖独特。
6、本发明隧道外照度值是通过GPRS网络传送给照度检测单元，具有高效的空间传递性。
7、本发明的眼动设备采用的是非佩戴式眼动设备，此眼动设备360度全方位转动，能够高效准确的锁定驾驶人的眼睛,通过摄入从驾驶人眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化,从而进行视线跟踪，该眼动设备解决了驾驶员需要佩戴眼睛的问题，设计人性化，方便驾驶人。
附图说明
图1为本发明的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统框图。
图2为隧道照明补偿值计算中，判断程序流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，包括有照度检测单元6、指标检测单元7、照度补偿装置10、指标适应性装置9和前照灯控制装置11，照度检测单元6接入有光电照度仪1，照度检测单元6输出端与照度补偿装置10的输入端相连接；指标检测单元7接入有速度传感器2、心率传感器4、肌电传感器5和眼动设备3，指标检测单元7的输出端与指标适应性装置9的输入端相连接；指标适应性装置9的输入端接入有指标检测单元7，输出端与照度补偿装置10相连接；照度补偿装置10的输入端接入有计时器8、照度检测单元6和指标适应性装置9，输出端接入有前照灯控制装置11；前照灯控制装置11的输入端接入有照度补偿装置10，输出端与有前照灯12相连接。
光电照度仪1有两个，分别位于隧道外的洞口处、车辆内靠近前挡风玻璃前的中控台处，分别用于检测隧道外的照度和隧道内的实时照度，将测量的照度传送给照度检测单元6。
速度传感器2安装在车辆内油门踏板上，用于检测车辆的瞬时速度，将测量的速度传送给指标检测单元7。
心率传感器4安装在驾驶人安全带上，用于实时检测驾驶员的心率变化，将测量的心率传送给指标检测单元7。
肌电传感器5安装在驾驶员座椅后背处，用于实时检测驾驶员的肌肉强度变化，将测量的肌肉强度传送给指标检测单元7。
眼动设备3采用的是非佩戴式眼动设备，眼动设备安装在前挡风玻璃前的中控台处，此眼动设备360度全方位转动，能够高效准确的锁定驾驶人的眼睛,通过摄入从驾驶人眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化,从而进行视线跟踪，用于检测驾驶人的瞳孔面积变化和持续注视时间，将测量的瞳孔面积和持续注视时间传送给指标检测单元7。
计时器8与照度补偿装置10连接，由照度补偿装置触发并将计时时间实时反馈给照度补偿装置10，用于实时计算隧道内照度补偿量。
指标检测单元7是由单片机构成，通过输入端接收驾驶员的行为、生理以及心理指标，并计算出单位时间内各种指标的变化，并将指标的变化率传送给指标适应性装置9。
指标适应性装置9输入端与指标检测单元7的输出端相连接，接收各种实时指标变化数据，指标适应性装置由单片机构成，存储了大量的驾驶人正常行驶状态下的行为、生理和心理指标，根据这些指标将计算出单位时间内正常驾驶状态下各种指标的变化，通过将输入端接收的各种实时指标变化与正常驾驶状态下指标变化做差值，建立驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断程序，判断程序的判断条件为：
判断条件1：若差值大于零，则照度补偿装置10不受影响，一直处在运行状态；
判断条件2：差值小于等于零时，则抑制照度补偿控制装置10，照度补偿值计算终止，计时器计时终止。
照度补偿装置10是由单片机构成，分别接收来自照度检测单元6的隧道内、外照度值和计时器的时间，基于大量的实车实验建立照度补偿模型，根据隧道内、外照度值和时间计算隧道内实时照度补偿值；同时照度补偿装置10与指标适应性装置9相连接，指标适应性装置9的判断程序启动，若满足判断条件1，则照度补偿装置运行，根据隧道内、外照度值和时间计算隧道内实时照度补偿值；若满足判断条件2：则照度补偿装置10运行终止，计时器结束计时。
前照灯控制装置11的输入端与照度补偿装置10的输出端相连接，前照灯控制装置11内含电子镇流器，接收来自照度补偿装置10传送的照度补偿值，根据接收到的照度调节命令自动调整前照灯电源的输出电流，改变前照灯12的工作状态。
照度补偿装置10中，基于大量的实车实验，建立光照强度变化时，驾驶员视觉适应性方程：
t＝|lgqa-lgqb|，
式中：qa为隧道外的照度值；
qb为隧道内驾驶员的视觉适应性照度值；
t为车辆自进隧道行驶的时间；
隧道内照度补偿值为：
q0＝qa×10±t-q1
式中：q1为隧道内的基础光照值；
q0为隧道内照度补偿值；
指标适应性装置9中，将采集的单位时间内速度变化X1、单位时间内心率变化X2、单位时间内平均持续注视时间X3、单位时间内肌肉强度变化X4、单位时间内瞳孔面积变化X5，分别与存储的驾驶人正常驾驶状态下的行为、生理和心理指标做差，建立驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断方程为：
式中：i＝1、2、…、n；j＝1、2、…、5；
Xij为第i位驾驶人第j种指标变化；
ΔXij为第i位驾驶人第j种指标变化差值；
隧道外光电照度仪1的照度通过GPRS网络传送给照度检测装置6。
前照灯控制单元11中，隧道内照度补偿是通过调节前照灯12的亮度来实现的。
前照灯12采用LED灯。
本发明实例的具体实施过程如下：参见图1和图2，驾驶人在正常驾驶状态下时，速度传感器、眼动设备、心率传感器和肌电传感器会采集驾驶员正常驾驶时的指标数据，存储在指标适应性装置中，当车辆穿越隧道，光照强度发生变化时，采集到的驾驶人实时的行为、生理和心理指标数据与正常驾驶下的指标数据做差，建立驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断方程，若判断方程中的差值大于等于0时，则会抑制照度补偿装置的运行，照度补偿值计算终止，计时器终止计时；若判断方程中的差值一直小于0时，则照度补偿装置不受影响，一直处在运行状态，照度补偿值随着时间而变化。此照度补偿装置中，照度补偿值的计算是通过大量的实车模拟实验，基于驾驶员的视觉适应性方程建立的照度补偿函数，这里的光电照度仪测量的照度值通过GPRS网络传送给照度检测单元。
本发明的核心在于：第一：改变了传统的隧道照明模式，由传统的隧道固定照明设施作为光照补偿光源变为动态的移动车辆前照灯作为光照补偿光源，方法新颖独特，未来发展前景很大；第二，指标适应性装置中，自动存储了大量实车模拟实验的得到的正常驾驶状态下驾驶人的行为、生理和心理指标，与实时检测到的隧道内驾驶人的行为、生理和心理指标做差，建立了驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断程序，确定了照度补偿函数的界限，方法科学有效。第三，本发明的照度补偿装置中，通过大量的实车模拟实验，基于光照强度变化时，驾驶员视觉适应性方程，建立了隧道内照度补偿函数，照度补偿值随着时间变化而自行调节前照灯照度值，直到指标适应性装置的判定程序启动，抑制照度补偿装置的运行，计时终止。此方法有效的将照度补偿值的变化函数与驾驶人的行为、生理和心理特性结合起来，方法新颖独特。第四，本发明采用动态车辆的前照灯作为光照补偿光源，基于驾驶人的行为、生理和心理指标，能够随时随地调节隧道照明，具有优良的动态调节性。第五，本发明是基于驾驶人的行为、生理和心理指标对隧道内照明进行调节，体现了“以人为本”的设计理念，设计人性化，提高驾驶人的安全性和舒适性。

Claims (5)

1.一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：包括照度检测单元、指标检测单元、照度补偿装置、指标适应性装置、前照灯控制装置，所述照度检测单元输入端与光电照度仪连接，照度检测单元输出端与照度补偿装置的输入端连接，所述指标检测单元的输入端接入有速度传感器、心率传感器、肌电传感器、眼动设备，指标检测单元的输出端与指标适应性装置输入端连接，指标适应性装置输出端与照度补偿装置输入端连接，照度补偿装置的输入端还接入有计时器，照度补偿装置的输出端与前照灯控制装置输入端连接，前照灯控制装置输出端与车辆前照灯连接，其中：
所述的光电照度仪分别位于隧道外的洞口处、车辆内靠近前挡风玻璃前的中控台处，且对应用于检测隧道外的照度和隧道内的实时照度，光电照度仪分别将测量的照度数据传送给照度检测单元；
所述的速度传感器安装在车辆内油门踏板上，用于检测车辆的瞬时速度，将测量的速度数据传送给指标检测单元；
所述的心率传感器安装在驾驶人安全带上，用于实时检测驾驶员的心率变化，将测量的心率数据传送给指标检测单元；
所述的肌电传感器安装在驾驶员座椅后背处，用于实时检测驾驶员的肌肉强度变化，将测量的肌肉强度数据传送给指标检测单元；
所述的眼动设备采用的是非佩戴式眼动设备，眼动设备安装在前挡风玻璃前的中控台处，此眼动设备360度全方位转动，通过摄入从驾驶人眼角膜和瞳孔反射的红外线连续地记录视线变化，从而进行视线跟踪；眼动设备用于检测驾驶人的瞳孔面积变化和持续注视时间，将测量的瞳孔面积和持续注视时间数据传送给指标检测单元；
所述的计时器接收照度补偿装置发送的触发信号由照度补偿装置触发，并且计时器将计时时间实时反馈给照度补偿装置，该计时时间用于实时计算隧道内照度补偿量；
所述的指标检测单元由单片机构成，指标检测单元通过输入端接收速度传感器的速度指标、眼动设备的瞳孔面积和持续注视时间指标、心率传感器的心率指标和肌电传感器的肌肉强度指标，进而计算出单位时间内各种指标的变化，并将指标的变化率传送给指标适应性装置；
所述的指标适应性装置输入端与指标检测单元的输出端相连接，以接收指标检测单元输出的各种实时指标变化数据，指标适应性装置由单片机构成，存储了驾驶人正常行驶状态下的行为、生理和心理指标，根据这些指标计算出单位时间内正常驾驶状态下各种指标的变化，通过接收的各种实时指标变化与正常驾驶状态下指标变化做差值，建立驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断程序，判断程序的条件如下：
判断条件1：若差值大于零，则照度补偿装置不受影响，一直处在运行状态
判断条件2：差值小于等于零时，则抑制照度补偿控制装置，照度补偿值计算终止，计时器计时终止；
所述的照度补偿装置是由单片机构成，照度补偿装置分别接收来自照度检测单元的隧道内、外照度值和计时器的时间，照度补偿装置中基于大量的实车实验建立照度补偿模型，根据隧道内、外照度值和时间计算隧道内实时照度补偿值；同时照度补偿装置与指标适应性装置相连接，指标适应性装置的判断程序启动，若满足判断条件1，则照度补偿装置运行，根据隧道内、外照度值和时间计算隧道内实时照度补偿值；若满足判断条件2：则照度补偿装置运行终止，计时器结束计时；
所述的前照灯控制装置的输入端与照度补偿装置的输出端相连接，前照灯控制装置内含电子镇流器，前照灯控制装置接收来自照度补偿装置传送的照度补偿值，根据接收到的照度调节命令自动调整前照灯电源的输出电流，改变前照灯的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：照度补偿装置中，基于大量的实车实验，建立光照强度变化时，驾驶员视觉适应性方程：
t＝|lgqa-lgqb|，
方程中：qa为隧道外的照度值；
qb为隧道内驾驶员的视觉适应性照度值；
t为车辆自进隧道行驶的时间；
隧道内照度补偿值为：
q0＝qa×10±t-q1，
式中：q1为隧道内的基础光照值；
q0为隧道内照度补偿值。
3.根据权利要求1所述的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：指标适应性装置中，将采集的单位时间内速度变化X1、单位时间内心率变化X2、单位时间内平均持续注视时间X3、单位时间内肌肉强度变化X4、单位时间内瞳孔面积变化X5，分别与存储的驾驶人正常驾驶状态下的行为、生理和心理指标做差，建立驾驶人行为、生理和心理指标适应性判断方程为：
式中：i＝1、2、…、n；j＝1、2、…、5；
Xij为第i位驾驶人第j种指标变化；
ΔXij为第i位驾驶人第j种指标变化差值。
4.根据权利要求1所述的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：隧道外的光电照度仪的照度通过GPRS网络传送给照度检测装置。
5.根据权利要求1所述的一种基于生理舒适性的隧道内车辆自动变光系统，其特征在于：所述的前照灯控制单元中，隧道内照度补偿是通过调节前照灯的亮度来实现的。
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