CN115931116A

CN115931116A - 一种考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台

Info

Publication number: CN115931116A
Application number: CN202211399878.8A
Authority: CN
Inventors: 李保; 陶杰; 沈航; 金炎君; 赵悦
Original assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering Co Ltd
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明公开了一种考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台，该平台包括孪生体以及试验装置，所述试验装置包括球形桁架，所述球形桁架内设置有多个光源单体构成的照明模块用于模拟天空散射光环境；所述环形灯轨上设有太阳模拟灯用于模拟太阳光；所述环形灯轨左右两端铰接在球形桁架侧壁，所述环形灯轨内侧设有平台；所述平台的回转中心设有多维度旋转操作平台；所述旋转操作平台上设有隧道洞口模型及洞外景物幕布；所述多维度旋转操作平台及洞外景物幕布上均布有光敏检测元件。本发明装置能够模拟并掌握不同地理位置、天气、洞口景物组成下的隧道洞外光环境时空变化特征。

Description

一种考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台

技术领域

本发明属于隧道照明技术领域，具体涉及一种考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台。

技术背景

隧道洞外光环境主要指隧道洞外亮度，是隧道内部路面亮度设计的重要依据，对隧道路段的行车安全和照明能耗具有十分重要的影响。隧道洞外亮度是指驾驶人在隧道入口前一倍停车视距处20°视场内景物的平均亮度。其中，反射类景物主要包括路面、植被和墙体，这些景物均通过反射太阳直射光和天空元散射光而产生亮度；散射类景物主要是天空，其散射光直接进入人眼产生亮度。散射类景物的亮度主要受太阳运行位置和天气的影响，反射类景物的亮度主要受表面反射特特性和光线入射角度的影响。隧道洞外光环境的亮度和色温对驾驶人的辨识能力和行车舒适度有着极大影响，隧道入口段事故率显著高于隧道内部路段。但隧道洞外亮度和照明设施通常是在隧道尚未建成时就开始设计，与隧道洞口实际光环境差异较大。因此，掌握隧道洞外光环境的真实情况对隧道路段的行车安全和照明设计有着重要的意义。

隧道洞外亮度作为反映隧道洞外光环境的重要指标，是隧道照明系统的设计基准参数之一。目前，隧道洞外亮度的测量方法有查表法、黑度法/数码相机法、环境简图法，相关的隧道洞外亮度测量平台也是基于这三种方法构建。

现有公路隧道洞外亮度测量方法多采用通用规范标定景物亮度参数，而规范中关于隧道洞外景物亮度的推荐值基本是参考CIE和欧盟隧道照明标准中的规定而来的，并未考虑我国不同地区影响差异，这导致其适用性差，难以满足我国实际工程测量需求；常规实测方法的测试条件严格受限，通常需要在夏季天空严格无云的条件下测试，将受室外气候如天空的云状、云量、刮风、下雨等因素测试结果可重复性差，且参数标定复杂，实测洞外亮度滞后；申请号：CN201220061294.5公开了一种模拟太阳运行轨迹的装置，该装置仅能对太阳轨迹进行演示，无法获得同步考虑天空散射的景物表面亮度。申请号：CN201711382994.8公开了一种模拟天空亮度分布的装置，该装置仅能对标准晴天和云天的天空亮度进行模拟，无法模拟任意云量的天空散射情况。申请号：CN201821117501.8公开了一种自动模拟天穹，该装置仅能观察到外界光线被建筑物遮挡后形成的阴影情况，无法对景物表面亮度进行全面检测。

发明内容

为获得隧道洞外亮度的时空变化特性，本发明提供一种考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台，以解决背景技术中提到的问题。

本发明的技术方案如下所述：

一种考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台，包括孪生体以及试验装置；所述孪生体包括数据终端和光环境仿真模型构建系统；所述光环境仿真模型构建系统用于根据所述试验装置输出的隧道空间信息参数(包括端墙、路面、洞口、侧墙和天空等景物组成类型及各景物占20°视场面积比例)和材料光学参数(隧道洞外地面各景物在0～10°观察角下的反射系数时序变化参数表以及天空时序亮度)建立隧道光环境仿真模型；所述的数据终端用于根据隧道光环境仿真模型以及试验装置内的光照强度信号分析生成调控数据，并将调控数据发送给试验装置，从而进一步控制所述试验装置内照明灯具的色温及亮度：具体可以通过在试验装置内设置一个照明控制模块，数据终端将分析生成的调控数据发送给照明控制模块，照明控制模块可以进一步控制试验装置隧道内照明灯具的色温及亮度；所述试验装置包括球形桁架、环形灯轨、照明模块、平台、多维度旋转操作平台、扩散膜、遮光板、隧道洞口模型、洞外景物幕布、坡度升降装置和光敏检测元件；所述球形桁架由若干多边形单元结构组合得到，所述多边形单元结构包括若干三角形和菱形，每个多边形单元结构由若干根管道组成，管道朝向多边形单元结构中心的一侧开口，所述多边形单元结构内部安装有扩散膜和不同透光率的遮光板，在设定好透光率后，扩散膜和相应透光率的遮光板会通过管道开口延展伸出，此过程可由供电系统提供动力。整个操作平台由半球形的遮光板和扩散膜笼罩。

上述技术方案中，进一步地，在球形桁架内球面设置多个光源单体构成的照明模块，用于模拟天空散射情况。

进一步地，在球形桁架内设置环形灯轨，所述环形灯轨上设置固定于灯轨顶端且指向球形桁架球心的太阳模拟灯，用于模拟太阳直射情况。所述试验装置根据所述数据终端生成的调控数据调整所述照明模块和太阳模拟灯的色温及亮度。

进一步地，环形灯轨左右两端铰接在球形桁架侧壁，在所述环形灯轨内侧设有平台，所述平台底部固定于球形桁架上并可相对于球形桁架上下运动；所述平台底部安装有用于为其上下运动提供动力的电力驱动装置。

进一步地，所述平台的中心设置有多维度旋转操作平台，所述多维度旋转操作平台的中心点与球形桁架的球心重合。

进一步地，所述多维度旋转操作平台上设置有隧道洞口模型及洞外景物幕布，所述隧道洞口模型包括坡度升降装置，所述隧道洞口模型可调动相应的洞外景物幕布；所述多维度旋转操作平台及洞外景物幕布上均布有用于采集光照强度信号的光敏检测元件。

本发明的有益效果为：本发明通过控制太阳模拟灯、照明模块与背景天空光场信息同步变化，实现多类型天空亮度/色温分布的准确模拟，整个操作平台将由半球形遮光板和扩散膜笼罩，照明模块直接布置在扩散膜后面，避免了光源亮度分布不均匀和由于投射距离远而亮度不够的缺点；同时，设置不同透光率的遮光板，设定遮光板初始透过率为晴天，通过在指定位置加载特定透光率的遮光板，以模拟不用云量天空情况，解决了随机云量天空无法模拟的技术问题。此外，本发明的多维度旋转操作平台能够模拟隧道洞口朝向，可启动坡度升降装置以模拟隧道坡度，展开指定的洞外景物幕布模拟隧道洞外景物特征。其中洞外景物特征包括植物山体等，模仿不同天空视野占比的山岭隧道；通过光敏检测元件的反馈数据，实现不同工况条件下各光环境参数的同步测量。本发明提供的数字孪生计算模型中的物理空间层与仿真空间层之间可以建立全面的实时或准实时映射关系，并通过信息控制层实现数据信息双向流动。此外，试验装置可以向孪生体输出数据；孪生体的光环境仿真模型构建系统可以根据试验装置的隧道空间信息参数及材料光学参数建立隧道光环境仿真模型；孪生体的数据终端可利用隧道光环境仿真模型以及试验装置内的光照强度信号分析生成调控数据，并向试验装置发送调控数据，可对试验装置采取进一步的行动和干预。

附图说明

图1为本发明测试平台的结构示意图；

其中，1为球形桁架，2为多边形单元结构，3为太阳模拟灯，4为多维度旋转操作平台，5为平台，6为环形灯轨，7为洞外景物幕布，8为隧道洞口模型。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明方法和装置及其有益效果进一步说明。

计算标准时间。如果采用夏令时计时，则需要在当地时间t_local的基础上减去一个小时得到标准时间t_s，通过式(1)计算得到：

t_s＝t_local-1 (1)

式中，t_s为当地标准时间，h；t_local为当地时间，h；

计算校正时间。考虑到地球围绕太阳的椭圆轨道和地轴相对于轨道平面的倾斜，将时间误差调整为-14～+16min，通过式(2)得到校正时间(ET)：

式中，ET为校正时间，单位是十进制小时(例如，13:30＝13.5)；J为公历时间，表示所计算日期在一年中的排序；

计算校正经度。校正经度是指计算地点相对于时区标准子午线(其中心经度)的经度。时区是名义上为15°宽，因此，相较于标准子午线而言，太阳中午时刻在东部和西部时区边界分别有大约半小时的提前和滞后，如果经度在时区中间的其他位置，则应当根据经度位置进行相应的修正。

计算太阳时间。太阳时间可通过式(3)进行计算：

式中，t为十进制小时的太阳时间；t_s为十进制小时的当地标准时间；ET为十进制小时的校正时间；SM为以弧度表示的时区的标准子午线；L为以弧度表示的所计算地点经度；

计算太阳赤纬。在明确了太阳时间之后，可通过计算太阳赤纬计算出太阳高度角和方位角，其中，太阳赤纬可通过式(4)计算得到：

式中，δ为以弧度表示的太阳赤纬；J为所计算日期在一年中的排序；

计算太阳位置。通过式(5)和式(6)计算得到太阳高度角和方位角。

式中，a_t为以维度表示的太阳高度角；l为以弧度表示的计算点的维度；δ为以弧度表示的太阳赤纬；t为十进制小时的太阳时间；

式中，a_s是以弧度表示的太阳方位角；δ为以弧度表示的太阳赤纬；l为以弧度表示的计算点的维度；t为十进制小时的太阳时间；

计算出每一时刻下的太阳位置后，将太阳模拟灯3运行到对应位置，并调整太阳模拟灯3的照度为太阳实际照度的万分之一。

计算发光亮度为L_ij的天空元在景物表面某一点P的照度为E_ij，且该天空元与点P的立体角为dωdθ，E_ij与L_ij的关系如式(7)所示。

式中，I_ij为该天空元的发光强度，r为该天空元到计算点P的距离，θ为经度方向高度角，ω为纬度方向高度角。

计算点P的天空照度E_P1即为P点观测范围内天空二维弧面中i×j个发光面元在P点照度的累加，如式(8)所示。

式中，发光亮度L_ij的计算如下式所示：

式中，L_a为计算点亮度，L_z为天顶亮度，χ为计算点与太阳之间的最短角距离，Z为计算点与天顶角距离，Z_S为太阳与天顶角距离，a、b、c、d、e为标准15种天空类型中的参数。

天顶亮度L_z计算式如下：

式中，γ_S为太阳高度角，系数a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅的取值根据晴空指数的取值变化而不同。

开启由多边形单元结构2构成的球形桁架1上的所有LED灯，根据各天空元的相对位置设置各LED灯的照明功率。

将隧道洞口模型8置于多维度旋转操作台4上，多维度旋转操作台4水平转动模拟隧道洞口朝向，启动坡度升降装置模拟隧道坡度，展开洞外景物幕布7模拟隧道洞外景物特征。

开启照明模块和太阳模拟灯3，并打开扩散膜及透光率不同的遮光板，模拟天空云量的变化。输入时变参数启动驱动步进电机带动环形灯轨6在球形桁架1内旋转至所需位置并锁死。

控制平台5上下运动，控制多维度旋转操作平台4旋转运动，进而实现在不同地区、不同季节、不同实际所在位置及光照强度等的模拟，并通过光敏检测模块进行隧道洞外光环境的测量。其中时变参数包括一天中的时间，一年内的时间以及系统的地理地点和系统地点处的天气状况等。

由试验装置向孪生体输出数据。孪生体利用隧道空间信息参数及材料光学参数建立拟隧道光环境仿真模型。

孪生体向试验装置反馈信息。光敏检测元件用于接收外界光照并形成光照强度信号传输至孪生体；并根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动和干预。将孪生体分析生成的调控数据发送给试验装置的照明控制模块，照明控制模块用于控制隧道内照明模块和太阳模拟灯3的色温及亮度。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何特殊限制。

Claims

1.一种考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台，其特征在于：包括孪生体以及试验装置；

所述孪生体包括数据终端和光环境仿真模型构建系统；所述光环境仿真模型构建系统用于根据所述试验装置输出的隧道空间信息参数和材料光学参数建立隧道光环境仿真模型；所述的数据终端用于根据隧道光环境仿真模型以及试验装置内的光照强度信号分析生成调控数据，并将调控数据发送给试验装置，从而进一步控制所述试验装置内照明灯具的色温及亮度；

所述试验装置包括球形桁架(1)，所述球形桁架(1)由若干多边形单元结构组合得到，所述多边形单元结构包括若干三角形和菱形，每个多边形单元结构由若干根管道组成，管道朝向多边形单元结构中心的一侧开口，所述多边形单元结构内部安装有扩散膜和不同透光率的遮光板，在设定好透光率后，扩散膜和相应透光率的遮光板会通过管道开口延展伸出；所述球形桁架(1)的内球面设有由多个光源单体构成的照明模块，用于模拟天空散射情况；所述球形桁架(1)内设有环形灯轨(6)，所述环形灯轨(6)上设有固定于灯轨顶端且指向球形桁架(1)球心的太阳模拟灯(3)，用于模拟太阳直射情况；所述试验装置根据所述数据终端生成的调控数据调整所述照明模块和太阳模拟灯(3)的色温及亮度；所述环形灯轨(6)左右两端铰接在球形桁架(1)侧壁，在所述环形灯轨(6)内侧设有平台(5)，所述平台(5)底部固定于球形桁架(1)上并可相对于球形桁架(1)上下运动；所述平台(5)上设置有多维度旋转操作平台(4)，所述多维度旋转操作平台(4)的中心点与球形桁架(1)的球心重合；所述多维度旋转操作平台(4)上设置有隧道洞口模型(8)及洞外景物幕布(7)，所述隧道洞口模型(8)包括坡度升降装置，所述隧道洞口模型(8)可调动相应的洞外景物幕布(7)；所述多维度旋转操作平台(4)及洞外景物幕布(7)上均布有用于采集光照强度信号的光敏检测元件。

2.根据权利要求1所述的考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台，其特征在于，所述的环形灯轨(6)为圆形，其圆心与球形桁架(1)的球心重合；所述环形灯轨(6)与球形桁架(1)采用活动铰连接，可在竖直平面内绕铰自由旋转，所述球形灯轨(6)可运动至平台(5)所在的水平面以下。

3.根据权利要求1或2所述的考虑天空元散射的隧道洞外光环境测试数字孪生平台，其特征在于，其工作方法为：

首先，控制所述多维度旋转操作台(4)水平转动从而模拟隧道洞口朝向，启动坡度升降装置模拟隧道坡度，展开洞外景物幕布(7)模拟隧道洞外景物特征；

然后，检测洞外亮度时，开启照明模块和太阳模拟灯(3)，并打开遮光板和扩散膜，通过更换透光率不同的遮光板来模拟天空云量的变化；输入时变参数启动驱动步进电机带动环形灯轨(6)旋转至特定位置并锁死，同时启动平台(5)使其运动至所需位置，进而实现在不同地区、不同季节、不同实际所在位置及光照强度的模拟，并通过光敏检测元件进行隧道洞外光环境的测量；其中，所述时变参数包括一天中的时间，一年内的时间以及系统的地理地点和系统地点处的天气状况。