CN108770121B - 一种高速列车照明舒适性控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车照明舒适性控制系统和方法，系统包括由终端计算机组、DMX512控制器、自然光源、亮度计、灯具系统和眩光测试系统组成的眩光闭环控制子系统和由终端计算机组、DMX512控制器、灯具系统、自然光源、第一色温计和第二色温计组成的色温闭环控制子系统。本发明同时对影响高速列车照明舒适度的眩光和色温两大物理量采用闭环自动控制，不仅提高了照明舒适性控制精度和准确性，也改善了列车照明乘坐舒适性环境，同时采用LED智能照明控制系统极大地降低了列车照明系统的能源能耗，具有很大的实际应用价值和意义。

Description

一种高速列车照明舒适性控制系统和方法

技术领域

本发明涉及列车照明控制系统领域，具体涉及一种高速列车照明舒适性控制系统和方法。

背景技术

近年来，随着国内外先进轨道交通行业的迅猛发展，照明舒适性和节能环保成为高速列车技术发展追求的方向，事关乘客的身心健康和列车能源消耗，迫切需要深入研究。通过对照明舒适性系统设计对改善列车照明乘坐舒适性环境，通过照明控制系统对降低列车照明系统的能源能耗起到不可忽视的作用。

但在研究过程中，有许多问题急需解决，近来虽然国内外学者在高速列车照明舒适和控制方面做了大量的研究，但仍然存下以下问题：

1)传统的研究没有对照明舒适性进行系统全面的研究，仅仅停留在实验室内对单个指标如照度或色温对照明舒适性的研究，而实际高速列车实际照明环境非常复杂下，影响列车照明舒适性的不仅仅包括照度和色温，同时包括亮度分布、照度均匀度、照度稳定性和眩光等指标，其中眩光和色温是影响照明舒适性的主要因素，对眩光的研究可综合考虑照度，亮度分布和照度均匀度和稳定度等指标，传统的研究没有对眩光和色温进行综合研究。

2)目前国内大多数列车的照明控制系统存在着控制方式陈旧和信息管理手段落后等问题，例如，列车在白天行驶时，车厢开着灯又浪费能源，如果不开灯当列车行驶进入隧道时又影响乘客的安全、舒适，所以现在的列车照明控制系统己经不能满足列车在目前中国铁路大发展的新形势下安全运行和节约能源的需要。现有的列车照明系统虽然有部分设置了光强采集模块，但是也存在一些问题，如现有列车照明系统由于阈值设置单一，且基本没有延时等原因，列车在进出地面站台或长度较短的隧道或桥洞时，会出现客室照明短时间内频繁开启和关闭的现象，频繁的开关照明会造成客室内乘客的舒适度下降，容易引起投诉等，降低运营服务质量，一般光控制器检测到大于阈值的照度，会直接关闭客室常用照明，然而此时由于列车长度较长，大部分列车处于隧道内，隧道客室内照度将明显降低，影响舒适度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速列车照明舒适性控制系统和方法，不仅提高照明舒适性控制精度和准确性，改善列车照明乘坐舒适性环境，同时由于采用LED智能照明控制系统可极大地降低列车照明系统的能源能耗，具有很大的实际应用价值和意义。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高速列车照明舒适性控制系统，包括采集自然光源色温值的第一色温计、采集灯具系统色温值的第二色温计，第一色温计和第二色温计都连接到终端计算机组；所述终端计算机组还分别连接有DMX512控制器、采集自然光源亮度值的亮度计和眩光测试系统，所述DMX512控制器连接到灯具系统；

所述灯具系统、DMX512控制器和眩光测试系统、第一色温计均设置于列车内，所述第二色温计和亮度计分别置于列车车窗处；

所述灯具系统在相同的照明环境光源区域内色温值是相同，相同照明环境区域的灯具系统由若干色温值相同的LED节能灯组成，每只LED节能灯内部都是由若干不同色温值的LED光源模组组成；

所述DMX512控制器基于DMX512通信协议与灯具系统采用分布式连接，采用PWM方式实现对灯具系统的LED节能灯进行调光调色，第一色温计和第二色温计实现对列车内的色温值实时测量，并反馈到终端计算机组，所述眩光测试系统实现对列车室内的眩光值实时测量，并反馈到终端计算机组。

进一步的，所述眩光测试系统应用高像质数百万像素CCD，采用高动态范围成像技术HDR。

一种高速列车照明舒适性控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、精确控制列车照明环境区域的实际眩光值使之达到期望眩光值，具体如下：

1)向终端计算机组导入期望眩光值曲线；

2)灯具系统开始工作，亮度计实时采集车内自然光源的亮度值，并将该亮度值反馈到终端计算机组；

3)灯具系统在工作工程中，眩光测试系统实时采集现场光源区域的实际眩光值，并将实际眩光值反馈到终端计算机组中；

4)终端计算机组通过步骤2)采集的不同自然环境下的自然光源亮度值，通过DMX512控制器控制灯具系统的亮度值，所述DMX512控制器是采用脉冲调制PWM控制方式控制灯具系统的LED节能灯模组的输出电流值，改变灯具系统的实际输出功率值和实际亮度值，实现对灯具系统亮度值从0到100％的控制；由于列车室照明光源区域的眩光值与灯具系统亮度值存在公式关系，通过对LED节能灯亮度值的调节直到模拟出期望眩光值曲线所示的眩光值，实现期望眩光值曲线的动态跟踪模拟；

步骤二、采用带通信功能的色温计，包括第一色温计和第二色温计，实时控制照明场景中不同光源区域的色温值，具体如下：

1)向终端计算机组中导入期望色温值T₀曲线；

2)灯具系统开始工作，第一色温计实时采集自然光源的色温值T₁，第二色温计采集灯具系统的当前色温值T₂，并将采集的色温值反馈到终端计算机组中；

3)终端计算机组通过步骤2)采集的不同自然环境下的自然光源色温值T₁和灯具系统的当前色温值T₂，通过DMX512控制器调节灯具系统的色温值以达到期望色温值T₀；即终端计算机组通过时钟控制指令在不同时刻控制DMX512控制器，进而DMX512控制器在不同时刻控制每只LED节能灯的LED光源模组色温值，达到对每只LED节能灯在不同时刻的色温值任意调节控制，直到模拟出期望色温值曲线所示的色温值T₀，实现期望色温值曲线的动态跟踪模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)根据以往对高速列车照明舒适性眩光和色温研究存在的问题，采用照明舒适度控制系统对影响列车室照明舒适度的眩光和色温变化跟踪控制，提高对高速列车照明眩光和色温自适应控制和评估研究能力，实现对眩光和色温高精度和准确性的控制，改善了列车照明乘坐舒适性环境。

2)对高速列车传统照明系统采用LED智能控制系统设计，通过对高速列车照明灯具系统的亮度值和色温值的自动调节，降低列车照明系统的能源能耗。

附图说明

图1为本发明实施例的设备连接图。

图2为本发明实施例的控制原理图。

图3为本发明实施例中眩光闭环控制子系统的设备连接图。

图4为本发明实施例中色温闭环控制子系统的设备连接图。

图5为本发明实施例中LED灯具控制系统架构图。

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的说明。

图1示出，本发明系统包括由终端计算机组、DMX512控制器、自然光源、亮度计、灯具系统和眩光测试系统组成的眩光闭环控制子系统和由终端计算机组、DMX512控制器、灯具系统、自然光源、第一色温计和第二色温计组成的色温闭环控制子系统。所述灯具系统、DMX512控制器和眩光测试系统、第二色温计均设置于列车内，第一色温计和亮度计分别置于列车车窗处。

图2示出高速列车照明舒适性控制系统的控制原理图。系统首先向终端计算机组导入的期望眩光值曲线和色温值曲线，然后通过第一色温计和亮度计实时采集自然光源的色温值和亮度值，并通过RS485总线传输到终端计算机组，终端计算机组向DMX512控制器发出指令，DMX512控制器通过自然光源的色温值、亮度值再向灯具系统的每个LED驱动器发送指令，LED驱动器调节每盏LED灯的亮度值和色温值，从而实现对列车室内灯具系统的亮度值和色温值的控制。

图3示出眩光闭环控制子系统的设备连接图。眩光测试系统应用高像质数百万像素CCD，采用高动态范围成像技术(HDR)，精确测量照明场景中各点的亮度值，并根据理想公式计算眩光指标，包括以下步骤：

A1、向终端计算机组导入期望眩光值曲线；

A2、灯具系统开始工作，亮度计实时采集车外自然光源的亮度值，并将该亮度值反馈到终端计算机组；

A3、灯具系统在工作工程中，眩光测试系统实时采集现场光源区域的实际眩光值，并将实际眩光值反馈到终端计算机组中；

A4、终端计算机组通过步骤A2采集的不同自然环境下的自然光源亮度值，通过DMX512控制器控制灯具系统的亮度值，所述DMX512控制器原理是采用脉冲调制PWM控制方式控制灯具系统的LED节能灯模组的输出电流，改变灯具系统的实际输出功率值和实际亮度值，从而实现对灯具系统亮度值从0到100％的控制，终端计算机组根据列车室内光源区域的实际眩光值与期望眩光值，由于列车室内小光源区域的眩光值UGR与灯具系统亮度值公式关系为：

列车室内大光源区域的眩光值DGI与灯具系统亮度值公式关系为：

式中L_b为背景亮度值(cd/m²)；L_s为观察者方向每个灯具的亮度值(cd/m²)；ω为每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角(sr)；P为每个单独灯具的位置指数。因此，光源区域的眩光值与灯具的亮度值、背景亮度值、每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角和每个单独灯具的位置指数有关。

UGR和DGI二者的区别是，UGR中的背景亮度值为场景中除眩光源外其他区域的平均亮度值L_b；而DGI中的背景亮度值除了亮度平均值L_b外，还有光源的加权亮度值0.07·ω^0.5·L_S，这是因为大光源的亮度值对平均亮度值有叠加效应。

DMX512控制器通过对LED节能灯亮度值的调节直到模拟出期望眩光值曲线所示的眩光值UGR，实现期望眩光值曲线的动态跟踪模拟。

图4示出色温闭环控制子系统的设备连接图，采用带通信功能的色温计，包括第一色温计和第二色温计，实时控制照明场景中不同光源区域的色温值，包括以下步骤：

B1、向终端计算机组中导入期望色温值T₀曲线；

B2、灯具系统开始工作，第一色温计实时采集自然光源的色温值T₁，第二色温计采集灯具系统的当前色温值T₂，并将采集的色温值反馈到终端计算机组中；

B3、终端计算机组通过步骤B2采集的不同自然环境下的自然光源色温值T₁和灯具系统的当前色温值T₂，通过DMX512控制器调节灯具系统的色温值以达到期望色温值T₀；

B4、DMX512控制器调节灯具系统的色温值实现过程是：在列车室相同照明环境区域下，由于每只LED节能灯内部都是由几组不同色温值的LED光源模组组成，终端计算机组通过时钟控制指令在不同时刻控制DMX512控制器，进而实现在不同时刻控制每只LED节能灯的LED光源模组色温值，达到任意调节每只LED节能灯在不同时刻的色温值，直到模拟出期望色温值曲线所示的色温值T₀，实现期望色温值曲线的动态跟踪模拟。

图5示出LED灯具控制系统架构图，整个系统由终端计算机组、DMX512控制器、DMX512解码器以及LED灯具系统组成。终端计算机组通过以太网对DMX512控制器进行配置，DMX512控制器根据配置信息产生DMX512控制信号、调光和调色信号，并负责接收DMX512解码器转发的灯具监控信息，然后返回给终端计算机组。DMX512解码器挂接在控制器的RS485总线上，作为数据传输的中继器，设计中选取适当的匹配电阻以减少信号传输线上的信号反射，LED灯具挂接在DMX512解码器的单数据总线上，作为系统监控终端。

因此，终端计算机组、DMX512控制器、DMX512解码器以及灯具系统可以组成强大的高速列车分布式灯光控制系统，实现对高速列车的调光调色。

Claims (3)

1.一种高速列车照明舒适性控制系统，其特征在于，包括采集自然光源色温值的第一色温计、采集灯具系统色温值的第二色温计，第一色温计和第二色温计都连接到终端计算机组；所述终端计算机组还分别连接有DMX512控制器、采集自然光源亮度值的亮度计和眩光测试系统，所述DMX512控制器连接到灯具系统；

所述灯具系统、DMX512控制器和眩光测试系统、第一色温计均设置于列车内，所述第二色温计和亮度计分别置于列车车窗处；

所述灯具系统在相同的照明环境光源区域内色温值是相同，相同照明环境区域的灯具系统由若干色温值相同的LED节能灯组成，每只LED节能灯内部都是由若干不同色温值的LED光源模组组成；

所述DMX512控制器基于DMX512通信协议与灯具系统采用分布式连接，采用PWM方式实现对灯具系统的LED节能灯进行调光调色，第一色温计和第二色温计实现对列车内的色温值实时测量，并反馈到终端计算机组，所述眩光测试系统实现对列车室内的眩光值实时测量，并反馈到终端计算机组。

2.如权利要求1所述的一种高速列车照明舒适性控制系统，其特征在于，所述眩光测试系统应用高像质数百万像素CCD，采用高动态范围成像技术HDR。

3.如权利要求1所述系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、精确控制列车照明环境区域的实际眩光值使之达到期望眩光值，具体如下：

1)向终端计算机组导入期望眩光值曲线；

2)灯具系统开始工作，亮度计实时采集车内自然光源的亮度值，并将该亮度值反馈到终端计算机组；

3)灯具系统在工作工程中，眩光测试系统实时采集现场光源区域的实际眩光值，并将实际眩光值反馈到终端计算机组中；

4)终端计算机组通过步骤2)采集的不同自然环境下的自然光源亮度值，通过DMX512控制器控制灯具系统的亮度值，所述DMX512控制器是采用脉冲调制PWM控制方式控制灯具系统的LED节能灯模组的输出电流值，改变灯具系统的实际输出功率值和实际亮度值，实现对灯具系统亮度值从0到100％的控制；由于列车室照明光源区域的眩光值与灯具系统亮度值存在公式关系，具体公式关系为：

式中L_b为背景亮度值；L_s为观察者方向每个灯具的亮度值；ω为每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角；P为每个单独灯具的位置指数；

终端计算机组根据列车室内光源区域的实际眩光值与期望眩光值，通过DMX512控制器对LED节能灯亮度值的调节直到模拟出期望眩光值曲线所示的眩光值UGR，实现期望眩光值曲线的动态跟踪模拟；

步骤二、采用带通信功能的色温计，包括第一色温计和第二色温计，实时控制照明场景中不同光源区域的色温值，具体如下：

1)向终端计算机组中导入期望色温值T₀曲线；

2)灯具系统开始工作，第一色温计实时采集自然光源的色温值T₁，第二色温计采集灯具系统的当前色温值T₂，并将采集的色温值反馈到终端计算机组中；

3)终端计算机组通过步骤2)采集的不同自然环境下的自然光源色温值T₁和灯具系统的当前色温值T₂，通过DMX512控制器调节灯具系统的色温值以达到期望色温值T₀；即终端计算机组通过时钟控制指令在不同时刻控制DMX512控制器，进而DMX512控制器在不同时刻控制每只LED节能灯的LED光源模组色温值，达到对每只LED节能灯在不同时刻的色温值任意调节控制，直到模拟出期望色温值曲线所示的色温值T₀，实现期望色温值曲线的动态跟踪模拟。