CN210986499U - 公路隧道照明的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种公路隧道照明的控制装置，其要点在于它包括总控制单元、亮度采集子单元、照明控制子单元及照明单元，亮度采集子单元安装于隧道外部，总控制单元、照明控制子单元及照明单元安装于隧道内部，总控制单元中具有比较器，亮度采集子单元、照明控制子单元分别与总控制单元连接，照明控制子单元还与照明单元连接。本实用新型将隧道外部的亮度与隧道内的照明亮度进行联系，利用安装于隧道外部的亮度采集子单元来控制隧道内的照明单元亮度，实现照明单元的实时控制，保证驾驶员在进出隧道时能较好地适应隧道内外光照的变化，提高行车安全性，同时降低隧道照明的能耗。

Description

公路隧道照明的控制装置
技术领域
本实用新型涉及公路隧道照明领域。
背景技术
随着我国公路的大规模建设，公路隧道的数量也急剧增加。人眼对于亮度变化的适应分为暗适应和明适应两类，暗适应是从亮环境进入到暗环境，能够看清物体所需要的时间；明适应是从暗环境进入到亮环境，能够看清物体所需要的时间。暗适应所需要的时间较长，明适应所需要的时间较短，并且，人眼在亮环境中对光线的变化适应较快，暗环境中对光线变化的适应较慢。因此隧道照明与行车安全密切相关，驾驶员在进出隧道时能顺利地适应隧道内外光照的差别，是保证行车安全的重要方面，目前隧道内部的照明亮度不可调，在不同隧道外亮度时，隧道内部的照明亮度一样的，而众所周知，隧道外亮度在一天之中是不断变化的，在外部亮度较低的白天，甚至会出现隧道内照明高于外部照明的情况，同时也导致夜间隧道内照明亮度过大，既不安全，又耗费了大量能源。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有隧道照明控制存在的缺陷，提供了一种可以根据人眼视觉细胞特性和隧道外亮度对隧道内照明亮度进行调整的公路隧道照明的控制装置，保证驾驶员在进出隧道时能顺利地适应隧道内外光照的差别，保证行车安全。
本实用新型采用的技术方案为一种公路隧道照明的控制装置，其要点在于它包括总控制单元、亮度采集子单元、照明控制子单元及照明单元，亮度采集子单元安装于隧道外部，总控制单元、照明控制子单元及照明单元安装于隧道内部，总控制单元中具有比较器，亮度采集子单元、照明控制子单元分别与总控制单元连接，照明控制子单元还与照明单元连接。
本实用新型将隧道外部的亮度与隧道内的照明亮度进行联系，利用安装于隧道外部的亮度采集子单元来控制隧道内的照明单元亮度，实现照明单元的实时控制，使驾驶员在进出隧道时能顺利地适应隧道内外光照的差别，保证行车安全。
对本实用新型进一步的设计：控制单元及其受其控制的子单元均配备有无线通信模块，相互间通过无线通信进行连接。无需布线，安装简单。
还具有巡检单元，巡检单元与照明控制子单元、照明单元相连接，巡检单元，用于采集照明单元中的电流与电压情况，并与照明控制子单元进行信息连接，由照明控制子单元对照明单元中的电流与电压进行比较判断，当出现异常时照明控制子单元自主产生报警信号，同时将故障位置信息反馈至总控制单元中。
每个照明单元对应的一个照明控制子单元、巡检单元。当照明单元损坏时，定位准确。
还具有车流量检测子单元，车流量监测子单元与总控制单元相连接，车流量检测子单元安装于隧道外，位于道路侧面，高度10-100cm，总控制单元中设置有节能模式。在长时间没有来车的情况下采用节能模式照明，即隧道内部的最低照明，当再次来车时更换为可变折减系数的照明方式，以达到节约能源的目的。
总控制单元和各个照明控制子单元是由芯片构成；无线通信模块，主要是由ZigBee构成，通过相同的传输频段，将信号在不同的单元间传输，保证系统的通讯正常。信息传递安全可靠。
亮度检测子单元，由光电池或光敏二极管与最小STM32系统组成，亮度检测子单元将外部的亮度信号转化为模拟电压信号，通过AD转换将模拟电压信号转换为数字信号进行传输。将光信号转换成电压信号再转换为数字信号进行传输，方便信号传递和比较。
照明单元由LED灯构成，通过不同占空比的PWM波形进行亮度的调控。
车流量检测子单元由红外线车流量检测单元构成，安装在隧道口。
本实用新型的优点在于：保证驾驶员在进出隧道时能较好地适应隧道内外光照的变化，提高行车安全性，同时降低隧道照明的能耗。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的整体电路原理方框图
图2是本实用新型实施例1的使用状态图
图3是隧道外部亮度检测子单元的光敏二极管基本电路
图4是实施例1的总电路图；
图4-1总控制单元
图4-2总控制单元-电源模块
图4-3总控制单元-CAN通信模块
图4-4巡检单元
图4-5照明控制子单元
图4-6照明控制子单元-PWM输出接口
图4-7亮度检测子单元
图4-8亮度检测子单元-ADC模块
图5是本实用新型实施例1原理框图
图6是本实用新型实施例2的整体电路原理方框图
图7是本实用新型实施例2原理框图
图8是本实用新型实施例2的使用状态图
其中：1总控制单元、2亮度检测子单元、3无线通信模块、4照明控制子单元、5照明单元、6巡检单元、7车流量检测子单元。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1，如图1-5所示，一种公路隧道照明的控制装置，主要由总控制单元1、亮度检测子单元2、无线通信模块3、若干照明控制子单元4、照明单元5和巡检单元6组成。亮度检测子单元2安装在隧道外，其余部件安装于隧道内。
亮度采集子单元将采集到的外部亮度信号转化为模拟电压信号送至总控制单元。总控制单元中具有比较器，亮度采集子单元、照明控制子单元分别与总控制单元连接，照明控制子单元还与照明单元连接。总控制单元中的比较器中存有可变折减系数的对应表格，总控制单元及其受其控制的子单元均配备有无线通信模块，相互间通过无线通信进行信息传输。总控制单元将接收的信息与已经存有的隧道照明可变折减系数表格进行比较，产生相应的照明段亮度信息；将亮度信息通过无线传输单元传输至不同照明控制子单元，产生PWM波形控制照明单元的亮度，对照明单元的亮度进行实时控制、调整，达到行车安全和节能目的。
其中总控制单元1是由芯片STM32构成，是核心部件，主要功能是存储可变折减系数，接收亮度检测子单元的信息、照明控制子单元传递的巡检单元对照明单元的检测结果，进行比较计算得出相应的可变折减系数传递给照明控制子单元，对照明单元的亮度进行控制。与总控制单元1相连的亮度检测子单元2，主要由光电池或光敏二极管与最小STM32系统组成，其基本电路如图2所示；亮度检测子单元将外部的亮度信号转化为模拟电压信号，通过AD转换将模拟电压信号转换为数字信号进行并通过无线传输模块传输至总控制单元1中。总控制单元1收到隧道外亮度数据后，查找存于存储器中的可变折减系数表格，计算隧道内部不同部分所需要的亮度，并通过无线通信模块3传输给各个照明控制子单元4，控制隧道内部照明亮度，并通过照明控制单元传输的照明电压和电流信息，准确定位损坏的照明单元。
每个照明单元5都配有一个具有无线通信模块3的照明控制子单元4和巡检单元6，无线通信模块3，主要是由ZigBee构成，通过相同的传输频段，将信号在不同的子单元与总控制单元间传输，保证系统的通讯正常。
巡检单元6功能是采集照明单元中的电流与电压情况，并且传输至相应的照明控制子单元4中进行判断，当出现问题时照明控制单元4将自主产生报警信号，并通过无线通信模块3上传故障处照明单元具体位置信息至总控制单元1中，使得维修人员可以直接找到需要维修的照明地点，减少了人工巡检的成本。
照明单元由LED灯构成，照明单元控制子单元4主要是由STM32最小系统构成，通过判断接收到的总控制单元1传输的亮度信息，根据所需亮度的不同产生不同频率占空比的PWM波，通过所产生的PWM波来控制照明单元中LED的亮度，产生合适亮度的照明。同时收集采集巡检单元6中产生的信号，当采集到故障信号时，进行报警并反馈故障信息至总控制单元1中。
图4是实施例1的总电路图，由于图幅较大，缩小后看不清，特将其拆成图4-1至图4-8，其中图4-1总控制单元、图4-2总控制单元-电源模块、图4-3总控制单元-CAN通信模块、图4-4巡检单元、图4-5照明控制子单元图4-6照明控制子单元-PWM输出接口、图4-7亮度检测子单元、图4-8亮度检测子单元-ADC模块。
本实施例的系统工作流程如图5所示，首先采集隧道外部亮度，并将外部亮度信号转化为模拟电压信号；通过无线传输的方式将采集到的信息发送至总控制单元，并根据已经存有的隧道照明折减系数表格产生相应照明段亮度信息；将亮度信息通过无线传输单元传输至不同照明控制单元，产生PWM波形控制照明单元；同时巡检单元检测相对应的照明单元电流、电压信息，并将信号传输至照明控制子单元中，照明控制子单元进行是否损坏判断，一旦照明单元损坏，将信息上报总控制单元。
本系统将有效的消除驾驶者驾驶车辆进入隧道时因为环境的亮度突变而产生的不适感，提高行车安全；并通过实时的监控，减少隧道内部人工巡检的成本，提升隧道照明可靠性。
控制单元中所存的可变折减系数与隧道外的亮度存在类似于反函数的关系，在隧道外亮度高时，隧道内外的亮度差异较大，由于人眼在高亮度区域对光亮度变化的适应较快，可以采用较小的折减系数；随着隧道外亮度的降低，人眼对亮度变化的适应时间变长，采用较大的折减系数，以缩小隧道内外的亮度差异，直至达到折减系数为1，此时隧道内部与外部的亮度达到一致。可变折减系数按照以下方法计算得到：
首先从标准文件(标准号为JTGT D70/2-01-2014，“公路隧道照明设计细则”)中查找到相应隧道的折减系数建议值ks和外部亮度参考值Ls，在隧道外亮度下降到亮视觉的低限4.43cd/m2时，折减系数应为1，得到归一化计算式：
Figure BDA0002342946100000061
其中m为归一化系数，根据上式可以得到：
Figure BDA0002342946100000062
不同隧道外亮度Li下的折减系数ki可以根据下式得到：
Figure BDA0002342946100000063
根据上式计算得到的可变折减系数值，以表格的方式存于控制单元的比较器中。
采用本实用新型的隧道照明控制技术还可以减少照明能耗，延长光源使用寿命。作为一个实例，表1、表2、表3是在2019年夏季在上海市某高架隧道连续一个月测得的不同天气情况下平均隧道外亮度数值，天气条件分为晴天(共22天)、雨天(共3天)和阴天(包括雷阵雨，6天)，根据可变折减系数照明方案与现有照明方案测算得到的隧道入口段的能耗比较。经过计算可知在晴天采用可变折减系数照明方案能节省约57％以上的能耗，在阴天条件下节能约85％，雨天条件下节能约90％，经济效益巨大。
表1夏季晴天的可变折减系数照明方案的节能效果
Figure BDA0002342946100000071
表2夏季阴天的可变折减系数照明方案的节能效果
Figure BDA0002342946100000081
表3夏季雨天的可变折减系数照明方案的节能效果
Figure BDA0002342946100000091
实施例2，如图6-8所示，它是在实施例1的基础上增加了车流量检测子单元7，具体而言实施例2主要由总控制单元1、亮度检测子单元2、无线通信模块3、照明控制子单元4、照明单元5和巡检单元6和车流量检测子单元7组成。如图8所示，亮度检测子单元2、车流量检测子单元7安装在隧道外，其余部件安装于隧道内。
在实施例2中，为解决隧道照明安全问题、同时节约隧道内照明能源，通过可变折减系数的方法和车流量检测模块对隧道内部照明系统进行控制，以FPGA作为系统的控制模块对隧道内部照明进行调控；同时通过最小亮度节能模式节约隧道内部照明能源。
其中总控制单元1是由芯片FPGA构成，是本实施例的核心部件，主要功能是存储经优化的可变折减系数和节能模式，接收亮度检测子单元的信息、照明控制子单元传递的巡检单元对照明单元的检测结果、车流量检测子单元的检测信息，进行比较计算得出相应的可变折减系数传递给照明控制子单元，对照明单元的亮度进行控制。
部件2至6功能与以上实施例1相同。
车流量检测子单元7由红外线车流量检测单元组成，车流量检测子单元安装于隧道口外，位于道路侧面，高度10-100cm，通过无线传输模块将车辆信息传输至总控制单元中，通过判断隧道来车的数量和频率，选择合适的照明方式。在车流量较多的情况下，以可变折减系数的照明方式；在长时间没有来车的情况下采用节能模式照明，即隧道内部的最低照明，当再次来车时更换为可变折减系数的照明方式，以达到节约能源的目的。
实施例2的系统工作流程如图7所示，首先对车辆到达时间进行判断，长时间没有来车时采用节能模式，隧道内部仅开启最低亮度照明，直至有车辆达到，对于车流量检测子单元中长时间没有来车的时间可根据各隧道的长度和限速等情况进行设置，如本申请的表1-3是以10分钟无来车作为判定指标；车辆持续到达时，实时采集隧道外部亮度信息，对照明单元亮度进行控制，过程及方法与实施例1相同。
本系统将有效的消除驾驶者驾驶车辆进入隧道时因为环境的亮度突变而产生的不适感，提高行车安全；同时通过车流量的判断，使用最小照明的节能模式，减少隧道内照明能源的使用。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于它包括总控制单元、亮度采集子单元、照明控制子单元及照明单元，亮度采集子单元安装于隧道外部，总控制单元、照明控制子单元及照明单元安装于隧道内部，总控制单元中具有比较器，亮度采集子单元、照明控制子单元分别与总控制单元连接，照明控制子单元还与照明单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，控制单元及其受其控制的子单元均配备有无线通信模块，相互间通过无线通信进行连接。
3.根据权利要求1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，还具有巡检单元，巡检单元与照明控制子单元、照明单元相连接，巡检单元，用于采集照明单元中的电流与电压情况，并与照明控制子单元进行信息连接，由照明控制子单元对照明单元中的电流与电压进行比较判断，当出现异常时照明控制子单元自主产生报警信号，同时将故障位置信息反馈至总控制单元中。
4.根据权利要求 1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，每个照明单元对应的一个照明控制子单元、巡检单元。
5.根据权利要求1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，还具有车流量检测子单元，车流量监测子单元与总控制单元相连接，车流量检测子单元安装于隧道外，位于道路侧面，高度10-100cm，总控制单元中设置有节能模式。
6.根据权利要求1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，总控制单元和各个照明控制子单元是由芯片构成；无线通信模块，主要是由ZigBee构成，通过相同的传输频段，将信号在不同的单元间传输，保证系统的通讯正常。
7.根据权利要求1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，亮度检测子单元，由光电池或光敏二极管与最小STM32系统组成，亮度检测子单元将外部的亮度信号转化为模拟电压信号，通过AD转换将模拟电压信号转换为数字信号进行传输。
8.根据权利要求1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，照明单元由LED灯构成，通过不同占空比的PWM波形进行亮度的调控。
9.根据权利要求1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，车流量检测子单元由红外线车流量检测单元构成，安装在隧道口。
10.根据权利要求1所述的一种公路隧道照明的控制装置，其特征在于，巡检子单元由电流电压检测模块构成，实时检测照明单元中的电流与电压情况，并与照明控制子单元连接，由照明控制子单元对照明单元中的电流与电压进行比较判断，当出现异常时照明控制子单元自主产生报警信号，同时将故障位置信息反馈至总控制单元中。
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CN112291905A (zh) * 2020-11-04 2021-01-29 上海电机学院 一种基于人眼视觉特性的隧道照明控制方法
CN112399692A (zh) * 2020-11-11 2021-02-23 上海电机学院 一种隧道照明监控系统

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