CN111526629B - 一种隧道led照明系统的色温控制方法 - Google Patents

一种隧道led照明系统的色温控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道LED照明系统的色温控制方法，包括步骤：1)亮度计、区间测速装置、能见度检测器将测量数据传输至控制中心；2)判断隧道的拥堵程度；3)控制中心判断能见度是否满足要求，再确定LED隧道灯的目标色温，生成并发送PWM控制信号至各LED模组，使LED隧道灯的实际色温达到目标色温；其中，当能见度满足要求时，需要判断照明段亮度所属视觉范畴。与传统调光方法相比，本发明考虑光源色温对驾驶员视觉功效的影响，根据能见度和照明段亮度所属视觉范畴调节LED隧道灯的色温，有效改善隧道照明环境，提升照明质量，提高行车的安全性和舒适性。

Description

一种隧道LED照明系统的色温控制方法
技术领域
本发明涉及隧道LED照明的技术领域，尤其是指一种隧道LED照明系统的色温控制方法。
背景技术
LED照明系统与其它照明系统相比，具有发光效率高、使用寿命长、能耗低等优良性能，正广泛应用于隧道工程中。由于隧道半封闭的环境，白天和夜晚均需要照明。隧道行车的安全性、舒适性与照明效果密切相关，而照明效果由光源的亮度和色温直接决定。研究表明，光源色温在不同的亮度、能见度条件下，对驾驶员察觉目标的反应时间有不同的影响。
目前，隧道LED照明主要存在三方面问题：1、现行《公路隧道照明设计细则》仅给出各照明段的亮度建议值，没有给出光源的色温建议值；2、隧道全部装设一种色温的LED隧道灯，没有考虑到驾驶员在不同能见度、照明亮度下的视觉条件不同；3、与高压钠灯、金属卤化物灯相比，LED隧道灯色温可调性高，但没有较好地加以利用。为此，克服现有不足、提出一种隧道LED照明系统的色温控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种隧道LED照明系统的色温控制方法，该方法有利于改善隧道照明环境，提升照明质量，提高行车的安全性和舒适性。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种隧道LED照明系统的色温控制方法，所述隧道LED照明系统包括亮度计、区间测速装置、能见度检测器、控制中心和LED隧道灯；隧道分为若干个照明段，所述亮度计用于测量各照明段亮度；所述区间测速装置用于测量隧道内车辆的平均行驶速度；所述能见度检测器用于测量隧道内的衰减系数；
所述色温控制方法需先为每盏LED隧道灯设置至少两个不同色温的LED模组，通过改变不同色温的LED模组PWM控制信号的占空比，实现LED隧道灯色温可调，该方法包括以下步骤：
1)亮度计、区间测速装置、能见度检测器将测量数据传输至控制中心；
2)控制中心判断隧道的拥堵程度；
3)控制中心判断能见度是否满足要求，再确定LED隧道灯的目标色温，生成并发送PWM控制信号至各LED模组，使LED隧道灯的实际色温达到目标色温；其中，当能见度满足要求时，需要判断照明段亮度所属视觉范畴。
在步骤2)中，根据隧道内车辆的平均行驶速度v判断隧道的拥堵程度：当v≤v1时，隧道重度拥堵；当v1＜v≤v2时，隧道轻度拥堵；当v＞v2时，隧道畅通；其中，v1、v2表示速度阈值，由隧道所在道路的等级决定。
在步骤3)中，隧道的能见度用衰减系数K来衡量，衰减系数K表示光束穿过空气时光强的下降程度，能够通过能见度检测器测量得到；当K小于阈值时，能见度满足要求；当K大于阈值时，能见度不满足要求；其中，K的阈值由隧道的拥堵程度决定，隧道越拥堵，K的阈值越大；
当能见度满足要求时，照明段亮度大于5cd/m2，属于明视觉范畴，照明段亮度处于1cd/m2～5cd/m2之间，属于中间视觉范畴，由于隧道照明要求至少1cd/m2，所以照明段亮度小于1cd/m2的情况不存在；
当照明段亮度属于明视觉范畴时，确定LED隧道灯的目标色温T＝T1；当照明段亮度属于中间视觉范畴时，确定LED隧道灯的目标色温T＝T2；当能见度不满足要求时，确定LED隧道灯的目标色温T＝T3；其中，T1＞T2＞T3；
LED隧道灯的光通量Ym满足关系式：
Ym＝D1Y1+D2Y2+…+DnYn (1)
其中，n表示LED模组数，n≥2；D1,D2,…,Dn分别表示各LED模组PWM控制信号的占空比；Y1,Y2,…,Yn分别表示各LED模组的最大光通量；
实际色温与目标色温一致时，维持发送当前PWM控制信号；实际色温不等于目标色温时，逐级调节LED隧道灯的色温；各LED模组PWM控制信号的占空比比例关系为D1:D2:…:Dn，由于LED隧道灯的色温与占空比比例关系存在对应关系，所以将比例关系代入式(1)，并控制LED隧道灯的光通量Ym不变，能够计算得到D1,D2,…,Dn；基于计算结果，控制中心生成并发送新的PWM控制信号至各LED模组，使LED隧道灯的实际色温达到目标色温；其中，根据人眼的视觉暂留现象，PWM控制信号的频率大于100Hz。
进一步，n个LED模组的色品坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)，LED隧道灯的色品坐标为(x,y)；
当LED模组数n＝2时，LED隧道灯的色品坐标(x,y)在(x1,y1)与(x2,y2)两点连线上，且与色温T满足关系式：
Figure BDA0002557315320000031
式中，A为等色温线斜率的导数；
D1、D2满足关系式：
Figure BDA0002557315320000032
由式(2)及式(3)即可得到色温T与D1:D2的对应关系；
当LED模组数n＝3时，LED隧道灯的色温T与色品坐标(x,y)满足关系式：
Figure BDA0002557315320000041
D1、D2、D3的比例关系满足：
Figure BDA0002557315320000042
由式(4)及式(5)即可得到色温T与D1:D2:D3的对应关系；
当LED模组数n≥4时，由式(4)计算LED隧道灯的色品坐标(x,y)，此时，需要增加约束条件：控制LED隧道灯的显色指数达到最大值；通过寻优算法，当LED隧道灯在目标色温下显色指数达到最大值时，记录此时的占空比比例关系D1:D2:…:Dn，得到色温T与D1:D2:…:Dn的对应关系。
进一步，为防止反复调节LED隧道灯的色温，设置死区时间；当能见度或照明段亮度所属视觉范畴发生变化，且持续时间大于死区时间，调节LED隧道灯的目标色温；当能见度或照明段亮度所属视觉范畴发生变化，且持续时间小于死区时间，不调节LED隧道灯的目标色温。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、为LED隧道灯设置至少两个不同色温的LED模组，实现色温可调。
2、考虑光源色温对驾驶员视觉功效的影响，根据能见度和照明段亮度所属视觉范畴的不同，调节LED隧道灯的色温，有效提升隧道照明质量，改善隧道照明环境，提高行车的安全性和舒适性。
3、设置死区时间，防止反复调节LED隧道灯的色温。
附图说明
图1为本发明方法逻辑流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的内容作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例中，隧道LED照明系统包括亮度计、区间测速装置、能见度检测器、控制中心和LED隧道灯。隧道分为若干个照明段，所述亮度计用于测量各照明段亮度；所述区间测速装置用于测量隧道内车辆的平均行驶速度；所述能见度检测器用于测量隧道内的衰减系数。
本实施例所提供的隧道LED照明系统的色温控制方法，需先为每盏LED隧道灯设置至少两个不同色温的LED模组，通过改变不同色温LED模组PWM控制信号的占空比，实现LED隧道灯色温可调。如图1所示，该方法包括以下步骤：
1)亮度计、区间测速装置、能见度检测器将测量数据传输至控制中心。
2)控制中心判断隧道的拥堵程度：
根据隧道内车辆的平均行驶速度v判断隧道的拥堵程度。当v≤v1时，隧道重度拥堵；当v1＜v≤v2时，隧道轻度拥堵；当v＞v2时，隧道基本畅通。其中，v1、v2表示速度阈值，由隧道所在道路的等级决定，取值见表1。
表1不同道路等级的速度阈值v1、v2
Figure BDA0002557315320000051
Figure BDA0002557315320000061
3)控制中心判断能见度是否满足要求，再确定LED隧道灯的目标色温，生成并发送PWM控制信号至各LED模组，使LED隧道灯的实际色温达到目标色温；其中，当能见度满足要求时，需要判断照明段亮度所属视觉范畴。
隧道的能见度用衰减系数K来衡量。衰减系数K表示光束穿过空气时光强的下降程度，可以通过能见度检测器测量得到。K的阈值由隧道的拥堵程度决定，隧道重度拥堵时，选取Kth＝0.009m-1作为能见度是否符合要求的临界值；隧道轻度拥堵时，选取Kth＝0.007m-1；隧道基本畅通时，选取Kth＝0.005m-1。当K≤Kth时，能见度满足要求；当K＞Kth时，能见度不满足要求。
当能见度满足要求时，照明段亮度大于5cd/m2，属于明视觉范畴，照明段亮度处于1cd/m2～5cd/m2之间，属于中间视觉范畴，由于隧道照明要求至少1cd/m2，所以照明段亮度小于1cd/m2的情况不存在。
当能见度满足要求且照明段亮度属于明视觉范畴时，LED隧道灯的目标色温T＝T1＝5000K；当能见度满足要求且照明段亮度属于中间视觉范畴时，LED隧道灯的目标色温T＝T2＝4000K；当能见度不满足要求时，LED隧道灯的目标色温T＝T3＝3000K。
LED隧道灯的光通量Ym满足关系式：
Ym＝D1Y1+D2Y2+…+DnYn (1)
其中，n表示LED模组数，n≥2；D1,D2,…,Dn分别表示各LED模组PWM控制信号的占空比；Y1,Y2,…,Yn分别表示各LED模组的最大光通量。
实际色温与目标色温一致时，维持发送当前PWM控制信号；实际色温不等于目标色温时，逐级调节LED隧道灯的色温；各LED模组PWM控制信号的占空比比例关系为D1:D2:…:Dn，由于LED隧道灯的色温与占空比比例关系存在对应关系，所以将比例关系代入式(1)，并控制LED隧道灯的光通量Ym不变，能够计算得到D1,D2,…,Dn；基于计算结果，控制中心生成并发送新的PWM控制信号至各LED模组，使LED隧道灯的实际色温达到目标色温；其中，根据人眼的视觉暂留现象，PWM控制信号的频率大于100Hz。
n个LED模组的色品坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)，LED隧道灯的色品坐标为(x,y)；
当LED模组数n＝2时，LED隧道灯的色品坐标(x,y)在(x1,y1)与(x2,y2)两点连线上，且与色温T满足关系式：
Figure BDA0002557315320000071
式中，A为等色温线斜率的导数；
D1、D2满足关系式：
Figure BDA0002557315320000072
由式(2)及式(3)即可得到色温T与D1:D2的对应关系；
当LED模组数n＝3时，LED隧道灯的色温T与色品坐标(x,y)满足关系式：
Figure BDA0002557315320000073
D1、D2、D3的比例关系满足：
Figure BDA0002557315320000081
由式(4)及式(5)即可得到色温T与D1:D2:D3的对应关系；
当LED模组数n≥4时，由式(4)计算LED隧道灯的色品坐标(x,y)，此时，需要增加约束条件：控制LED隧道灯的显色指数达到最大值；通过寻优算法，当LED隧道灯在目标色温下显色指数达到最大值时，记录此时的占空比比例关系D1:D2:…:Dn，得到色温T与D1:D2:…:Dn的对应关系。
本实施例中，LED隧道灯具有2个不同色温的LED模组，高色温LED模组的色温为5700K，色品坐标(x1,y1)为(0.3279，0.3435)，低色温LED模组的色温为2700K，色品坐标(x2,y2)为(0.4597，0.4105)，LED隧道灯的色品坐标为(x,y)，色温变化范围为2700K～5700K。LED隧道灯的光通量Ym满足关系式：
Ym＝D1Y1+D2Y2 (6)
其中，D1、D2分别表示高、低色温LED模组PWM控制信号的占空比，Y1、Y2分别表示高、低色温LED模组的最大光通量。
实际色温与目标色温一致时，维持发送当前PWM控制信号；实际色温不等于目标色温时，逐级调节LED隧道灯的色温。
由式(2)及式(3)即可得到每级色温与D1:D2的对应关系见表2。
表2色温与占空比比例关系
Figure BDA0002557315320000082
Figure BDA0002557315320000091
查询每级色温所对应的占空比比例关系D1:D2，定义D1:D2＝k Y2/Y1，可以得到：
Ym＝D1Y1+D2Y2＝(k+1)D2Y2 (7)
色温调节过程中，控制LED隧道灯的光通量Ym不变，由式(7)计算得到D2，进一步根据比例关系得到D1。基于该计算结果，控制中心生成并发送新的PWM控制信号至各LED模组，使LED隧道灯的实际色温达到目标色温。其中，根据人眼的视觉暂留现象，本实施例的PWM控制信号的频率选为200Hz。
为防止反复调节LED隧道灯的色温，设置死区时间t＝5min。当能见度或照明段亮度所属视觉范畴发生变化，且持续时间大于5分钟时，调节LED隧道灯的目标色温；当能见度或照明段亮度所属视觉范畴发生变化，且持续时间小于死区时间，不调节LED隧道灯的目标色温。
以上实施例为本发明专利较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明专利的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种隧道LED照明系统的色温控制方法，所述隧道LED照明系统包括亮度计、区间测速装置、能见度检测器、控制中心和LED隧道灯；隧道分为若干个照明段，所述亮度计用于测量各照明段亮度；所述区间测速装置用于测量隧道内车辆的平均行驶速度；所述能见度检测器用于测量隧道内的衰减系数；其特征在于，所述色温控制方法需先为每盏LED隧道灯设置至少两个不同色温的LED模组，通过改变不同色温的LED模组PWM控制信号的占空比，实现LED隧道灯色温可调，该方法包括以下步骤：
1)亮度计、区间测速装置、能见度检测器将测量数据传输至控制中心；
2)控制中心判断隧道的拥堵程度；
3)控制中心判断能见度是否满足要求，再确定LED隧道灯的目标色温，生成并发送PWM控制信号至各LED模组，使LED隧道灯的实际色温达到目标色温；其中，当能见度满足要求时，需要判断照明段亮度所属视觉范畴；
隧道的能见度用衰减系数K来衡量，衰减系数K表示光束穿过空气时光强的下降程度，能够通过能见度检测器测量得到；当K小于阈值时，能见度满足要求；当K大于阈值时，能见度不满足要求；其中，K的阈值由隧道的拥堵程度决定，隧道越拥堵，K的阈值越大；
当能见度满足要求时，照明段亮度大于5cd/m2，属于明视觉范畴，照明段亮度处于1cd/m2～5cd/m2之间，属于中间视觉范畴，由于隧道照明要求至少1cd/m2，所以照明段亮度小于1cd/m2的情况不存在；
当照明段亮度属于明视觉范畴时，确定LED隧道灯的目标色温T＝T1；当照明段亮度属于中间视觉范畴时，确定LED隧道灯的目标色温T＝T2；当能见度不满足要求时，确定LED隧道灯的目标色温T＝T3；其中，T1＞T2＞T3；
LED隧道灯的光通量Ym满足关系式：
Ym＝D1Y1+D2Y2+…+DnYn (1)
其中，n表示LED模组数，n≥2；D1,D2,…,Dn分别表示各LED模组PWM控制信号的占空比；Y1,Y2,…,Yn分别表示各LED模组的最大光通量；
实际色温与目标色温一致时，维持发送当前PWM控制信号；实际色温不等于目标色温时，逐级调节LED隧道灯的色温；各LED模组PWM控制信号的占空比比例关系为D1:D2:…:Dn，由于LED隧道灯的色温与占空比比例关系存在对应关系，所以将比例关系代入式(1)，并控制LED隧道灯的光通量Ym不变，能够计算得到D1,D2,…,Dn；基于计算结果，控制中心生成并发送新的PWM控制信号至各LED模组，使LED隧道灯的实际色温达到目标色温；其中，根据人眼的视觉暂留现象，PWM控制信号的频率大于100Hz；
n个LED模组的色品坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)，LED隧道灯的色品坐标为(x,y)；
当LED模组数n＝2时，LED隧道灯的色品坐标(x,y)在(x1,y1)与(x2,y2)两点连线上，且与色温T满足关系式：
Figure FDA0003051718330000021
式中，A为等色温线斜率的导数；
D1、D2满足关系式：
Figure FDA0003051718330000022
由式(2)及式(3)即可得到色温T与D1:D2的对应关系；
当LED模组数n＝3时，LED隧道灯的色温T与色品坐标(x,y)满足关系式：
Figure FDA0003051718330000031
D1、D2、D3的比例关系满足：
Figure FDA0003051718330000032
由式(4)及式(5)即可得到色温T与D1:D2:D3的对应关系；
当LED模组数n≥4时，由式(4)计算LED隧道灯的色品坐标(x,y)，此时，需要增加约束条件：控制LED隧道灯的显色指数达到最大值；通过寻优算法，当LED隧道灯在目标色温下显色指数达到最大值时，记录此时的占空比比例关系D1:D2:…:Dn，得到色温T与D1:D2:…:Dn的对应关系。
2.根据权利要求1所述的一种隧道LED照明系统的色温控制方法，其特征在于：在步骤2)中，根据隧道内车辆的平均行驶速度v判断隧道的拥堵程度：当v≤v1时，隧道重度拥堵；当v1＜v≤v2时，隧道轻度拥堵；当v＞v2时，隧道畅通；其中，v1、v2表示速度阈值，由隧道所在道路的等级决定。
3.根据权利要求1所述的一种隧道LED照明系统的色温控制方法，其特征在于：为防止反复调节LED隧道灯的色温，设置死区时间；当能见度或照明段亮度所属视觉范畴发生变化，且持续时间大于死区时间，调节LED隧道灯的目标色温；当能见度或照明段亮度所属视觉范畴发生变化，且持续时间小于死区时间，不调节LED隧道灯的目标色温。
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