CN106951629B - 一种公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，根据灯具配光数据分别建立各灯在公路隧道路面计算区域内任一点产生的水平照度和总水平照度计算模型，以隧道路面照度、亮度、照度均匀度、频闪等满足交通安全要求为优化约束条件，以隧道中间段照明总功耗最小为目标，建立优化模型，得到该布灯方式的优化布灯参数，使照明灯具在其工作寿命期间，充分发挥照明能力，实现照明系统的节能。本发明根据所选灯具的配光数据，优化灯具的布灯参数，当灯具按照优化的布灯参数安装时，照明系统将在满足交通安全要求的前提下，总能耗最小，从而降低隧道运营的能耗成本和总成本，具有明显的经济社会效益。
Description
技术领域
本发明是一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，属于公路隧道照明节能技术研究领域。
背景技术
隧道照明是高速公路隧道内必须安装的设备系统，是高速公路隧道营运安全的基本保障，同时隧道照明系统又是高速公路隧道内的高能耗系统，照明能耗成本在高速公路隧道运营成本中占有很大比重。根据《公路隧道照明设计细则》，长度大于100m的隧道均应设置照明。有关公路隧道用电量统计表明，隧道每公里年电费为40余万元；随着我国高速公路建设步伐的加快，高速公路隧道里程还将不断增加，巨大的照明能耗和费用既给隧道运营单位造成巨大负担，也不符合国家倡导的“节能减排”要求。因此，对隧道照明节能进行技术研究非常具有非常重要现实意义。
我国的《公路隧道照明设计细则》只规定了隧道照明灯具的布置形式，但没有给出灯具安装参数的优化方法，国际照明委员会标准也存在同样的问题。在实际隧道照明设计中，通常是凭借经验进行灯具的安装，由于灯具安装参数不合理导致照明光线不足(欠照明)或浪费(过照明)的现象较为普遍，对照明灯具的安装参数进行优化可以避免或减少这种现象。但大部分国内外专家和学者对隧道照明的节能技术研究，主要集中在照明控制方面，而在布灯参数优化方面的研究相对较少。
拱顶侧偏布灯方式是高速公路隧道中间段照明布灯方式的一种，本发明通过建立高速公路隧道中间段路面的水平照度模型和隧道安全运行对隧道照明系统要求的约束条件，研究了高速公路隧道照明中间段拱顶侧偏布灯参数之间的关系，发明了一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段照明节能的拱顶侧偏布灯参数优化方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，该方法可以实现隧道照明灯具在工作寿命内，充分发挥其照明能力，减少或避免隧道路面“过照明”、和“欠照明”现象，在满足交通安全要求的前提下，实现隧道照明系统的节能。
一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，是以灯具的功率、安装高度、纵向安装间距、横向侧偏距离和安装仰角为优化参数，以公路隧道路面照度、亮度、照度均匀度、频闪等满足交通安全的要求为约束条件，以隧道中间段照明总功耗最小为目标，建立基于灯具配光数据的拱顶侧偏布灯参数优化模型。
一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，具体步骤为：
步骤一：确定计算区域、计算用的灯具数量和坐标系
以相邻的2盏灯具之间的路面区域为计算区域，该区域内的点为计算点，同时考虑计算区域外侧相邻的2盏灯具对计算区域内计算点照度的影响，共有 4盏灯具对计算点的照度产生影响；以隧道纵向为X轴、隧道横向为Y轴、高度方向为Z轴，以计算区域的中心点为原点，建立三维直角坐标系；
步骤二：依据灯具配光数据，确定偏离灯具光轴线γ角处的实际光强 Ic(γ，θ)的计算式
其中，γ为灯具光线与灯具光轴线的夹角，θ为灯具光线所在配光剖面与 C0/180配光剖面的夹角，Ic(γ，θ)为灯具光源处的发光强度，I1000(γ，θ)为灯具配光数据表中与γ角和θ角对应的光强值，η0为灯具光输出率，η为灯具利用系数， M为灯具养护系数，p为灯具功率，q为灯具的发光效率；
步骤三：基于灯具配光数据，确定每盏灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度Ebi
(1)确定每盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线与灯具光轴线的夹角
其中，(x,y)为b点坐标；γi(i＝1,2,3,4)为第i个灯具照到b点的光线与该灯具光轴线的夹角，ξ为灯具光轴线在C0/180配光剖面内的仰角，h为灯具光源中心至路面的垂直距离，s为灯具纵向间距，d1为灯具横向侧偏距离；
(2)确定每盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线所在配光剖面与 C0/180配光剖面的夹角
其中，θi(i＝1,2,3,4)为第i个灯具照到b点的光线所在配光剖面与该灯具 C0/180配光剖面的夹角；
(3)确定每盏灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度
其中，Ic(γi，θi)(i＝1,2,3,4)为第i个灯具在b点光线方向的实际发光强度；
步骤四：确定基于灯具配光数据的公路隧道路面任一计算点的总水平照度
计算区域内任一计算点b(x,y)处的总水平照度是计算区域周边共4盏灯具在该计算点处产生的水平照度之和，即：
步骤五：建立公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化模型
minP＝n·p＝Lp/s
Emin＝min{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝1,2,...,N2
Ecmin＝min{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝N2/2
Ecmax＝max{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝N2/2
其中，hmin为灯具安装高度最小值，hmax为灯具安装高度最大值，n为灯具总数量，P为n盏灯具的总功率，L为隧道中间段长度，E0为满足交通要求的中间段最小照度值，Emin为路面最小照度值，Ecmin为隧道路面中线上的最小照度，Ecmax为隧道路面中线上的最大照度，Eav为隧道路面平均照度，N1为计算区域纵向等分的节点数，N2为计算区域横向等分的节点数，U0为路面亮度总均匀度，U1为路面中线亮度纵向均匀度，α1、α2分别为灯具纵向(±X方向)的发光角度，β1、β2分别为灯具横向(±Y方向)的发光角度，d为整个隧道路面的宽度，h0为隧道净高；
步骤六：对所得布灯参数优化值进行仿真验证
根据优化模型求得的布灯参数优化值进行布灯，建立隧道中间段照明仿真模型并进行计算，算出隧道路面的最小照度、平均照度、亮度总均匀度、中线亮度纵向均匀度，并与标准要求值比较；与常规布灯方案比较，计算节电率。
所述的公路隧道照明优化的约束条件：(1)灯具布置应满足频闪f≤2.5Hz 或f≥15Hz的要求，对于隧道中间段，取频闪f≤2.5Hz；(2)中间段路面亮度应不低于在设定的行车速度和交通流量下的规范最小值；(3)路面亮度总均匀度和路面中线亮度纵向均匀度应不低于《公路隧道照明设计细则》所要求的规范值；(4)灯具与隧道墙壁之间、灯具与隧道拱顶之间至少保留0.4m的距离以便灯具安装和通风散热。
所述的各灯具的型号和配光数据表均相同。
所述的各灯具的功率、发光效率、灯具利用系数和灯具养护系数均相同。
所述的各灯具的安装高度、纵向安装间距、横向侧偏距离和安装仰角均相同。
所述的各灯具的短轴配光剖面设为C0/180配光剖面。
所述的各灯具安装时，C0/180配光剖面与隧道纵向垂直。
本发明的显著效果是：适用于完全对称、对称和不对称等各种形状配光曲线(数据)的灯具。根据所选灯具的配光数据，优化灯具的布灯参数，当灯具按照优化的布灯参数安装时，将充分发挥照明灯具在其工作寿命内的照明能力，照明系统将在满足交通安全要求的前提下，总能耗最小，从而降低隧道运营的能耗成本和总成本，具有明显的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图。
图2为以隧道纵向为X轴、隧道横向为Y轴、高度方向为Z轴，以计算区域的中心点为原点，建立的三维直角坐标系。
附图标记：
坐标系的三个轴为X、Y、Z，照明灯具分别为A1～A4，A1～A4在路面上的投影点分别为O1～O4，灯具沿隧道纵向(X轴方向)的布灯间距为s，灯具光源中心至路面的垂直距离(布灯高度)为h，灯具光轴线在C0/180配光剖面内的仰角 (灯具在Y轴方向的仰角)为ξ，灯具偏离隧道路面中心线的水平距离为d1，隧道路面宽度为d，计算区域内的任意点为b(x,y)。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步的说明。
实施例1：
一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，具体步骤为：
步骤一：确定计算区域、计算用的灯具数量和坐标系
以相邻的2盏灯具之间的路面区域为计算区域，该区域内的点为计算点，同时考虑计算区域外侧相邻的2盏灯具对计算区域内计算点照度的影响，共有 4盏灯具对计算点的照度产生影响；以隧道纵向为X轴、隧道横向为Y轴、高度方向为Z轴，以计算区域的中心点为原点，建立三维直角坐标系，如附图 2，灯具总数量为4，中间相邻的2个灯具A2～A3之间的路面区域为计算区域，确定灯具的类型，获取该型灯具的配光数据；灯具可以是电磁感应灯或LED 灯，不包括高压/低压钠灯；
步骤二：依据灯具配光数据，确定偏离灯具光轴线γ角处的实际光强 Ic(γ，θ)的计算式
其中，γ为灯具光线与灯具光轴线的夹角，θ为灯具光线所在配光剖面与 C0/180配光剖面的夹角，Ic(γ，θ)为灯具光源处的发光强度，I1000(γ，θ)为灯具配光数据表中与γ角和θ角对应的光强值，η0为灯具光输出率，η为灯具利用系数， M为灯具养护系数，p为灯具功率，q为灯具的发光效率；
步骤三：基于灯具配光数据，确定每盏灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度Ebi
(1)确定每盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线与灯具光轴线的夹角
其中，(x,y)为b点坐标；γi(i＝1,2,3,4)为第i个灯具照到b点的光线与该灯具光轴线的夹角，ξ为灯具光轴线在C0/180配光剖面内的仰角，h为灯具光源中心至路面的垂直距离，s为灯具纵向间距，d1为灯具横向侧偏距离；
(2)确定每盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线所在配光剖面与 C0/180配光剖面的夹角
其中，θi(i＝1,2,3,4)为第i个灯具照到b点的光线所在配光剖面与该灯具
C0/180配光剖面的夹角；
(3)确定每盏灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度
其中，Ic(γi，θi)(i＝1,2,3,4)为第i个灯具在b点光线方向的实际发光强度；
步骤四：确定基于灯具配光数据的公路隧道路面任一计算点的总水平照度
计算区域内任一计算点b(x,y)处的总水平照度是计算区域周边共4盏灯具在该计算点处产生的水平照度之和，即：
步骤五：建立公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化模型
minP＝n·p＝Lp/s
Emin＝min{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝1,2,...,N2
Ecmin＝min{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝N2/2
Ecmax＝max{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝N2/2
其中，hmin为灯具安装高度最小值，hmax为灯具安装高度最大值，n为灯具总数量，P为n盏灯具的总功率，L为隧道中间段长度，E0为满足交通要求的中间段最小照度值，Emin为路面最小照度值，Ecmin为隧道路面中线上的最小照度，Ecmax为隧道路面中线上的最大照度，Eav为隧道路面平均照度，N1为计算区域纵向等分的节点数，N2为计算区域横向等分的节点数，U0为路面亮度总均匀度，U1为路面中线亮度纵向均匀度，α1、α2分别为灯具纵向(±X方向)的发光角度，β1、β2分别为灯具横向(±Y方向)的发光角度，d为整个隧道路面的宽度，h0为隧道净高；h0为隧道净高；
步骤六：对所得布灯参数优化值进行仿真验证
根据优化模型求得的布灯参数优化值进行布灯，建立隧道中间段照明仿真模型并进行计算，算出隧道路面的最小照度、平均照度、亮度总均匀度、中线亮度纵向均匀度，并与标准要求值比较；与常规布灯方案比较，计算节电率。确定公路隧道照明优化的约束条件：(1)灯具布置应满足频闪f≤2.5Hz或 f≥15Hz的要求。对于隧道中间段，取频闪f≤2.5Hz。(2)中间段路面亮度应不低于在设定的行车速度和交通流量下的规范最小值；(3)路面亮度总均匀度和路面中线亮度纵向均匀度应不低于《公路隧道照明设计细则》所要求的规范值。(4)灯具与隧道墙壁之间、灯具与隧道拱顶之间至少保留0.4m的距离以便灯具安装和通风散热。
Claims (7)
1.一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，其特征为：具体步骤为：
步骤一：确定计算区域、计算用的灯具数量和坐标系
以相邻的2盏灯具之间的路面区域为计算区域，该区域内的点为计算点，同时考虑计算区域外侧相邻的2盏灯具对计算区域内计算点照度的影响，共有4盏灯具对计算点的照度产生影响；以隧道纵向为X轴、隧道横向为Y轴、高度方向为Z轴，以计算区域的中心点为原点，建立三维直角坐标系；
步骤二：依据灯具配光数据，确定偏离灯具光轴线γ角处的实际光强Ic(γ，θ)的计算式
其中，γ为灯具光线与灯具光轴线的夹角，θ为灯具光线所在配光剖面与C0/180配光剖面的夹角，Ic(γ，θ)为灯具光源处的发光强度，I1000(γ，θ)为灯具配光数据表中与γ角和θ角对应的光强值，η0为灯具光输出率，η为灯具利用系数，M为灯具养护系数，p为灯具功率，q为灯具的发光效率；
步骤三：基于灯具配光数据，确定每盏灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度Ebi
(1)确定每盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线与灯具光轴线的夹角
其中，(x,y)为b点坐标；γi(i＝1,2,3,4)为第i个灯具照到b点的光线与该灯具光轴线的夹角，ξ为灯具光轴线在C0/180配光剖面内的仰角，h为灯具光源中心至路面的垂直距离，s为灯具纵向间距，d1为灯具横向侧偏距离；
(2)确定每盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线所在配光剖面与C0/180配光剖面的夹角
其中，θi(i＝1,2,3,4)为第i个灯具照到b点的光线所在配光剖面与该灯具C0/180配光剖面的夹角；
(3)确定每盏灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度
其中，Ic(γi，θi)(i＝1,2,3,4)为第i个灯具在b点光线方向的实际发光强度；
步骤四：确定基于灯具配光数据的公路隧道路面任一计算点的总水平照度
计算区域内任一计算点b(x,y)处的总水平照度是计算区域周边共4盏灯具在该计算点处产生的水平照度之和，即：
步骤五：建立公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化模型
min P＝n·p＝Lp/s
Emin＝min{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝1,2,...,N2
Ecmin＝min{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝N2/2
Ecmax＝max{Ei,j},i＝1,2,...,N1,j＝N2/2
其中，hmin为灯具安装高度最小值，hmax为灯具安装高度最大值，n为灯具总数量，P为n盏灯具的总功率，L为隧道中间段长度，E0为满足交通要求的中间段最小照度值，Emin为路面最小照度值，Ecmin为隧道路面中线上的最小照度，Ecmax为隧道路面中线上的最大照度，Eav为隧道路面平均照度，N1为计算区域纵向等分的节点数，N2为计算区域横向等分的节点数，U0为路面亮度总均匀度，U1为路面中线亮度纵向均匀度，α1、α2分别为灯具纵向(±X方向)的发光角度，β1、β2分别为灯具横向(±Y方向)的发光角度，d为整个隧道路面的宽度，h0为隧道净高；
步骤六：对所得布灯参数优化值进行仿真验证
根据优化模型求得的布灯参数优化值进行布灯，建立隧道中间段照明仿真模型并进行计算，算出隧道路面的最小照度、平均照度、亮度总均匀度、中线亮度纵向均匀度，并与标准要求值比较；与常规布灯方案比较，计算节电率。
2.如权利要求1所述的一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，其特征为：所述的公路隧道照明优化的约束条件：(1)灯具布置应满足频闪f≤2.5Hz或f≥15Hz的要求，对于隧道中间段，取频闪f≤2.5Hz；(2)中间段路面亮度应不低于在设定的行车速度和交通流量下的规范最小值；(3)路面亮度总均匀度和路面中线亮度纵向均匀度应不低于《公路隧道照明设计细则》所要求的规范值；(4)灯具与隧道墙壁之间、灯具与隧道拱顶之间至少保留0.4m的距离以便灯具安装和通风散热。
3.如权利要求1所述的一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，其特征为：所述的各灯具的型号和配光数据表均相同。
4.如权利要求1所述的一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，其特征为：所述的各灯具的功率、发光效率、灯具利用系数和灯具养护系数均相同。
5.如权利要求1所述的一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，其特征为：所述的各灯具的安装高度、纵向安装间距、横向侧偏距离和安装仰角均相同。
6.如权利要求1所述的一种基于灯具配光数据的公路隧道中间段拱顶侧偏布灯参数优化方法，其特征为：所述的各灯具的短轴配光剖面设为C0/180配光剖面。
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Non-Patent Citations (1)
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| 高速公路隧道照明系统布灯参数优化研究;黄传茂;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20170215(第2期);摘要，第6-9、17-19、22-23页 * |
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