一种城市隧道智能照明系统及调光方法与流程

1.本发明涉及城市隧道内照明控制领域，具体涉及一种城市隧道智能照明系统及调光方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国城市隧道建设的持续发展，城市隧道运营管养不善所带来的交通问题日益突出，隧道照明不仅要保证隧道内的行车安全与舒适，并且应尽量减少能耗。与公路隧道不同，城市隧道交通有着自身的特点。城市隧道车流量较大，行车速度相对较慢，车辆在隧道内部逗留的时间较长，由于气体不易扩散等原因，极易出现低能见度现象。这种现象会使隧道内照明灯具的照明效果下降，照明用电虚耗，严重时还易引发交通事故。一旦发生事故时容易造成城市交通大面积瘫痪，且由于其封闭性事故处理难，极易导致二次事故行车产生影响。同时，照明运营过程中易出现照明灯具损坏，侧壁材料污浊等情况，因此城市隧道照明的设计合理性、绿色智能化不但影响运营成本，也对隧道行车安全性和行车舒适度有很大影响。
3.同时，城市隧道交通具有很强的时空特点，例如车辆高峰集中于早上及傍晚。其他时段车流量明显较低，如不能实现隧道内照明亮度的实时调控，将会造成较大的电能浪费。目前隧道内照明控制主要为手动控制、时序控制等，灵活性不足，且由于难以实现最优控制而造成“无效照明”、“过度照明”的现象尤为突出。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的缺陷，为此本发明提供了一种城市隧道智能照明系统及调光方法，通过实时采集的洞内外照明环境信息以及车辆通行信息，建立车流量、洞内能见度以及洞外亮度l20(s)短时预测模型，结合车流量、能见度以及洞外亮度短时预测数据实现城市隧道运营中照明灯具的动态智能控制，避免了隧道运营中的调光的滞后性，有助于减少过度照明和无效照明，实现节能环保。
5.本发明提供了一种城市隧道智能照明系统的调光方法，包括以下步骤：
6.s1：将环境信息感知模块实时采集的车速、车流量、洞外亮度、洞内能见度以及照明设施检测模块采集的灯具工作性能、隧道侧壁涂装材料污浊信息，经网络传输模块发送至信息综合处理模块；
7.s2：信息综合处理模块对车速、车流量、洞外亮度以及洞内能见度数据进行分析，对时间间隔δt内车流量、洞外亮度以及洞内能见度数据进行短时预测，并选取时间间隔δt内的平均车速、车流量、最大洞外亮度以及最低洞内能见度，结合预先存储的隧道各照明区段长度、隧道断面数据，计算满足车辆通行时隧道不同照明区段需要达到的目标亮度值，结合预先存储的各区段灯具型号、灯具数量及位置信息，初步计算灯具功率大小；同时，结合灯具和隧道侧壁涂装材料故障位置、程度的信息分析，调整故障灯具两侧以及侧壁污浊范围内的灯具功率，确定各位置灯具功率大小，生成调光信号，并将调光信息经网络传输模
块发送至照明控制模块；
8.s3：照明控制模块包括沿隧道洞内纵向依次布置的led照明灯具、灯具控制器，灯具控制器根据调光信息对led照明灯具进行亮度调节；
9.s4：环境信息感知模块采集各照明区段调节后的隧道实时亮度，并将洞内实时亮度数据表发送至信息综合处理模块，信息综合处理模块比较隧道实时亮度值与s2确定的隧道不同区段需要达到的目标亮度值，如果误差在
±
5％以内，灯具故障范围为
±
30％以内，则调光结束；如果误差在
±
5％以外，灯具故障范围为
±
30％以外，根据环境信息感知模块采集的数据确定需要再次调节的灯具位置以及灯具亮度，计算灯具功率调节量，生成调光信号，并发送至灯具控制器再次调节灯具亮度，环境信息感知模块再次采集不同照明区段的实时亮度数据表并发送至信息综合处理模块，判断隧道实时亮度值是否达到目标亮度值，如果误差满足要求，则调光结束；如果误差不满足要求，重复进行调整以满足目标亮度值要求；
10.s5：将灯具亮度调节信息整合出该时段隧道照明控制数据一览表进行存储，信息综合处理模块标识灯具故障位置和侧壁污浊程度；
11.s6：返回s1，进入下一周期的检测与调节。
12.优选的，白天场景下(5:00-18:00)s2具体为：
13.s2.1：根据下式确定入口段初步亮度值，
14.l
th1
＝k
×
l20(s)
15.l
th2
＝0.5
×k×
l20(s)
16.其中，l
th1
、l
th1
分别为入口段1、2的亮度值；l20(s)为δt时间间隔内预测的洞外亮度值；k为折减系数，受车速、车流量限制，折减系数k控制函数如表1所示，
17.表1折减系数k控制函数
[0018][0019]
式中，n为δt时间间隔内预测的车流量，换算成辆/小时；v为δt时间间隔内预测的平均车速；
[0020]
s2.2：根据下式确定过渡段的初步亮度值，
[0021]
l
tr1
＝0.15
×
l
th1
[0022]
l
tr2
＝0.05
×
l
th1
[0023]
l
tr3
＝0.02
×
l
th1
[0024]
其中，l
tr1
、l
tr2
、l
tr3
分别为过渡段1、2、3的亮度值；
[0025]
s2.3：根据城市隧道照明设计标准(db32/t 3692-2019)确定基本段初步亮度值l
in
，
[0026]
当与隧道衔接道路类型为快速路和主干路时，l
in
取2.5cd/m2；当道路类型为次干路时，l
in
取1.5cd/m2；当道路类型为支路时，l
in
取1.0cd/m2；
[0027]
s2.4：根据下式确定出口段的初步亮度值，
[0028]
l
ex1
＝3
×
l
in
[0029]
l
ex2
＝5
×
l
in
[0030]
其中，l
ex1
、l
ex2
分别为出口段1、2的亮度值；
[0031]
s2.5：对上述确定的隧道各区段初步亮度值进行能见度补偿，补偿规则如下表所示。
[0032]
表2不同能见度对隧道各区段初步亮度值补偿规则(白天)
[0033][0034][0035]
优选的，夜间场景下(18:00-次日5:00)s2具体为：
[0036]
s2.1：根据下式确定隧道各区段初步亮度值，
[0037]
l
th1
＝l
th2
＝l
tr1
＝l
tr2
＝l
tr3
＝l
in
＝l
ex1
＝l
ex2
＝lr[0038]
其中，lr为夜间洞外路面亮度；
[0039]
s2.2：对上述确定的隧道各区段初步亮度值进行车流量补偿，补偿规则如下：
[0040]
表3不同车流量对隧道各区段初步亮度值补偿规则(夜间)
[0041]
车流量范围补偿后亮度值n≤3500.5l1200＞n＞350ln≥12001.5l
[0042]
s2.3：对上述确定的隧道各区段初步亮度值进行能见度补偿，补偿规则如下表所示，
[0043]
表4不同能见度对隧道各区段初步亮度值补偿规则(夜间)
[0044][0045][0046]
优选的，s2中调整故障灯具两侧各10m范围内的灯具亮度。
[0047]
优选的，s4确定需要调节灯具的功率通过下式进行计算：
[0048][0049]
△
p＝
△
φ/λ
[0050]
式中，利用系数η，灯具间距s，照度转换系数m，灯具维护系数m，马路宽度w，灯具布置系数ω，需要调节的亮度差
△
l，需要调节灯具的光通量
△
φ，需要调节灯具的功率
△
p，光通量与功率转换系数λ。
[0051]
本发明还提供了一种城市隧道智能照明系统，包括环境信息感知模块、照明设施检测模块、信息综合处理模块、网络传输模块和照明控制模块，
[0052]
环境信息感知模块包括位于隧道洞外的声波测速雷达和车辆检测仪、洞外亮度采集仪、若干个洞内亮度采集仪和若干个洞内能见度采集仪，用于采集车速、车流量、洞外亮度、洞内亮度和洞内能见度信息；
[0053]
照明设施检测模块包括均匀分布于隧道洞内的监控摄像机，用于采集灯具工作性能和隧道侧壁涂装材料污浊信息；
[0054]
信息综合处理模块用于接受并处理环境信息感知模块和照明设施检测模块采集的信息，计算灯具功率调节量，生成调光信号并通过网络传输模块传输至照明控制模块；
[0055]
照明控制模块包括沿隧道洞内纵向依次布置的led照明灯具、灯具控制器，灯具控制器根据调光信号对led照明灯具进行亮度调节。
[0056]
优选的，声波测速雷达与车辆检测仪位于距隧道口两倍停车视距处。
[0057]
优选的，声波测速雷达、车辆检测仪和洞外亮度采集仪冗余布置。
[0058]
优选的，车辆检测仪、洞内亮度采集仪和洞内能见度采集仪均采用摄像机监控。
[0059]
优选的，洞内能见度采集仪均匀布置在隧道内部各照明区段。
[0060]
优选的，洞外亮度采集仪位于距隧道入口一倍停车视距处，距地面1.5m高。
[0061]
优选的，洞内亮度采集仪和洞内能见度采集仪的间距分别为100m-200m。
[0062]
本发明通过设置环境信息感知模块，采集车辆通行信息以及洞内外照明环境信
息，包括车速、车流量、洞外亮度以及洞内能见度，建立车速、车流量、洞内能见度以及洞外亮度l20(s)短时预测模型，结合洞外亮度、车流量数据以及洞内能见度短时预测数据利用信息综合处理模块计算得到目标亮度值，照明控制模块实时地调整不同区段照明亮度，再通过信息综合处理模块比较隧道实时亮度值以及需要达到的目标亮度值，对灯具亮度进行调整，实现城市隧道运营中照明灯具的动态智能控制，最大限度地保证照明质量，避免了隧道内照明的过度照明或照明不足问题。
[0063]
本发明的有益效果：
[0064]
(1)针对城市隧道污染物浓度高以及车流量具有明显的时空特点，综合了车流量、车速、洞外亮度以及洞内能见度四种环境信息，从而确定隧道各区段照明亮度目标值，结合洞内亮度信息以及照明设施故障信息对照明结果进行修正，与照明控制模块形成智能控制。
[0065]
(2)针对城市隧道照明控制系统调节的滞后性，建立车速、车流量、洞内能见度以及洞外亮度l20(s)短时预测模型，结合车流量、洞外亮度以及洞内能见度短时预测数据进行调光控制，实现城市隧道运营中照明灯具的动态智能控制。
[0066]
(3)城市隧道白天、夜间洞外环境的巨大差异，对城市隧道智能照明系统的调光方法进行设计，形成了白天以及夜间两种调光方法，避免了洞内亮度设置不合理造成驾驶员视觉障碍以及电能虚耗。
[0067]
(4)基于机器图像识别技术的快速发展，大量采用以监控摄像机作为环境信息采集设备具有准确性高、安全性强、自动化程度高以及成本低的特点，同时设置声波测速雷达、车辆检测仪以及洞外亮度采集仪采用冗余系统，保证了隧道内调光的准确性以及控制系统的可靠性。
[0068]
(5)照明设施检测模块通过监控摄像机判断灯具工作性能(正常工作、损坏)以及侧壁材料污浊状况(干净、污浊)，降低了隧道运营管理人员的管理难度及运营管理的工作量，为实现照明运营中的高效管理打下基础。
附图说明
[0069]
图1为本发明提供的城市隧道智能照明控制方法的流程示意图。
[0070]
图2为本发明提供的设备分布示意图。
具体实施方式
[0071]
下面对本发明涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明。这些说明仅仅是采用举例的方式进行说明本发明的方式是如何实现的，并不能对本发明构成任何的限制。
[0072]
如图1-2所示，本发明提供了一种城市隧道智能照明系统，包括环境信息感知模块、照明设施检测模块、信息综合处理模块、网络传输模块和照明控制模块，
[0073]
环境信息感知模块包括位于隧道洞外的声波测速雷达和车辆检测仪、洞外亮度采集仪、若干个洞内亮度采集仪和若干个洞内能见度采集仪，用于采集车速、车流量、洞外亮度、洞内亮度和洞内能见度信息；
[0074]
照明设施检测模块包括均匀分布于隧道洞内的监控摄像机，用于采集灯具工作性
能和隧道侧壁涂装材料污浊信息；
[0075]
信息综合处理模块用于接受并处理环境信息感知模块采集的车速、车流量、洞外亮度、洞内亮度、洞内能见度信息以及照明设施检测模块采集的灯具工作性能、隧道侧壁涂装材料污浊信息，计算灯具功率调节量，生成调光信号并通过网络传输模块传输至照明控制模块；
[0076]
照明控制模块包括沿隧道洞内纵向依次布置的led照明灯具、灯具控制器，灯具控制器根据调光信号对led照明灯具亮度调节。
[0077]
作为一个具体的实施例，声波测速雷达与车辆检测仪位于距隧道口两倍停车视距处，分别采集车辆速度以及车流量信息。
[0078]
作为一个具体的实施例，声波测速雷达、车辆检测仪和洞外亮度采集仪采用冗余布置，提高系统稳定性。
[0079]
作为一个具体的实施例，车辆检测仪、洞内亮度采集仪和洞内能见度采集仪均采用摄像机监控视频采集车流量、隧道环境照度以及洞内能见度信息。监控摄像机采用广角成像原理，扩大监控量测范围。
[0080]
作为一个具体的实施例，洞内能见度采集仪均匀布置在隧道内部各照明区段，用于采集各照明区段的照明环境的能见度信息。
[0081]
作为一个具体的实施例，洞外亮度采集仪位于距隧道入口一倍停车视距处，距地面1.5m高，用于采集隧道洞外亮度l20(s)。
[0082]
作为一个具体的实施例，洞内亮度采集仪均匀布置在隧道内部各照明区段，用于采集各照明区段的环境照度。
[0083]
作为一个具体的实施例，洞内亮度采集仪和洞内能见度采集仪的间距分别为100m-200m。
[0084]
照明设施检测模块为均匀分布于隧道洞内的监控摄像机。通过拍摄隧道洞内照明灯具以及侧壁涂装材料工作状态，判断灯具工作性能(正常工作、损坏)以及侧壁涂装材料污浊状况(干净、一般、污浊)。当发现灯具损坏以及侧壁涂装材料污浊时，判断其故障位置、程度，通过网络传输模块将故障信息上报至信息综合处理模块。
[0085]
照明控制模块中的led照明灯具包括基本照明灯具和加强照明灯具。基本照明灯具沿隧道纵向均匀布置，加强照明灯具布置于隧道入口段、过渡段以及出口段。照明控制模块中的灯具控制器可实现led照明灯具的单灯控制，实现灯具的开启与关闭以及无极调光等功能。
[0086]
本发明还提供了一种城市隧道智能照明系统的调光方法，包括以下步骤：
[0087]
s1：将位于隧道洞外的声波测速雷达和车辆检测仪实时采集的车速和车流量信息、洞外亮度采集仪实时采集的洞外亮度信息、洞内能见度采集仪实时采集的洞内能见度信息以及照明设施检测模块采集的灯具工作性能和隧道侧壁涂装材料污浊等信息，经网络传输模块发送至信息综合处理模块；
[0088]
s2：信息综合处理模块对车速、车流量、洞外亮度以及洞内能见度数据进行分析，对时间间隔δt内车流量、洞外亮度以及洞内能见度数据进行短时预测，并选取时间间隔δt内的平均车速、车流量、最大洞外亮度l20(s)以及最低洞内能见度，结合预先存储的隧道基本数据，如隧道各照明区段长度、隧道断面，计算满足车辆通行时隧道不同照明区段需要
达到的目标亮度值，结合预先存储的灯具信息，如各区段灯具型号、灯具数量及位置等，初步计算灯具功率大小；同时，结合灯具和隧道侧壁涂装材料故障位置、程度的信息分析，调整故障灯具两侧以及侧壁污浊范围内的灯具功率，确定各位置灯具功率大小，生成调光信号，并将调光信息经网络传输模块发送至照明控制模块；
[0089]
s3：照明控制模块包括沿隧道洞内纵向依次布置的led照明灯具、灯具控制器，灯具控制器根据调光信息对led照明灯具进行亮度调节；
[0090]
s4：位于隧道洞内的洞内亮度采集仪采集各照明区段调节后的隧道实时亮度，并将洞内实时亮度数据表发送至信息综合处理模块，信息综合处理模块比较隧道实时亮度值与s2确定的隧道不同区段需要达到的目标亮度值，如果误差在
±
5％以内，灯具故障范围为
±
30％以内，则调光结束；如果误差在
±
5％以外，灯具故障范围为
±
30％以外，根据洞内亮度采集仪数据确定需要再次调节的灯具位置以及灯具亮度，计算灯具功率调节量，生成调光信号，并发送至灯具控制器再次调节灯具亮度，洞内亮度采集仪再次采集不同照明区段的实时亮度数据表并发送至信息综合处理模块，判断隧道实时亮度值是否达到目标亮度值，如果误差满足要求，则调光结束；如果误差不满足要求，重复进行调整以满足目标亮度值要求；
[0091]
s5：将灯具亮度调节信息整合出该时段隧道照明控制数据一览表进行存储，信息综合处理模块标识灯具故障位置以及侧壁污浊程度；
[0092]
s6：返回s1，进入下一周期的检测与调节。
[0093]
其中，s2中的δt为城市隧道智能照明系统的调光间隔，可根据隧道具体调光需求取值。
[0094]
由于城市隧道白天、夜间洞外环境的巨大差异，因此对城市隧道智能照明系统的调光方法进行设计，避免洞内亮度设置不合理造成驾驶员视觉障碍以及电能虚耗。
[0095]
其中，白天场景下(5:00-18:00)s2具体为：
[0096]
s2.1：根据下式确定入口段初步亮度值，
[0097]
l
th1
＝k
×
l20(s)
[0098]
l
th2
＝0.5
×k×
l20(s)
[0099]
其中，l
th1
、l
th1
分别为入口段1、2的亮度值；l20(s)为δt时间间隔内预测的洞外亮度值；k为折减系数，受车速、车流量限制，折减系数k控制函数如表1所示；
[0100]
表1折减系数k控制函数
[0101]
[0102][0103]
式中，n为δt时间间隔内预测的车流量，换算成辆/小时；v为δt时间间隔内预测的平均车速；
[0104]
s2.2：根据下式确定过渡段的初步亮度值，
[0105]
l
tr1
＝0.15
×
l
th1
[0106]
l
tr2
＝0.05
×
l
th1
[0107]
l
tr3
＝0.02
×
l
th1
[0108]
其中，l
tr1
、l
tr2
、l
tr3
分别为过渡段1、2、3的亮度值；
[0109]
其中，隧道照明区段可分四段，从隧道入口以内依次为入口段、过渡段、基本段以及出口段。隧道照明分区段设置是为满足驾驶员视觉适应需求，避免“黑洞”“白洞”效应。驾驶员视觉从高亮度向低亮度适应的反应时间通常较长，反之则较短，因此行车进口端入口段及过渡段长度大于行车出口段长度；
[0110]
s2.3：根据城市隧道照明设计标准(db32/t 3692-2019)确定基本段初步亮度值l
in
，
[0111]
当与隧道衔接道路类型为快速路和主干路时，l
in
取2.5cd/m2；当道路类型为次干路时，l
in
取1.5cd/m2；当道路类型为支路时，l
in
取1.0cd/m2；
[0112]
s2.4：根据下式确定出口段的初步亮度值，
[0113]
l
ex1
＝3
×
l
in
[0114]
l
ex2
＝5
×
l
in
[0115]
其中，l
ex1
、l
ex2
分别为出口段1、2的亮度值；
[0116]
s2.5：对上述确定的隧道各区段初步亮度值进行能见度补偿，补偿规则如下表所示，
[0117]
表2不同能见度对隧道各区段初步亮度值补偿规则(白天)
[0118]
[0119][0120]
其中，夜间场景下(18:00-次日5:00)s2具体为：
[0121]
s2.1：根据下式确定隧道各区段初步亮度值，
[0122]
l
th1
＝l
th2
＝l
tr1
＝l
tr2
＝l
tr3
＝l
in
＝l
ex1
＝l
ex2
＝lr[0123]
其中，lr为夜间洞外路面亮度；
[0124]
s2.2：对上述确定的隧道各区段初步亮度值进行车流量补偿，补偿规则如下：
[0125]
表3不同车流量对隧道各区段初步亮度值补偿规则(夜间)
[0126]
车流量范围补偿后亮度值n≤3500.5l1200＞n＞350ln≥12001.5l
[0127]
s2.3：对上述确定的隧道各区段初步亮度值进行能见度补偿，补偿规则如下表所示，
[0128]
表4不同能见度对隧道各区段初步亮度值补偿规则(夜间)
[0129][0130][0131]
作为一个具体的实施例，s4确定需要调节灯具的功率为可通过下式进行计算：
[0132][0133]
△
p＝
△
φ/λ
[0134]
式中，利用系数η，灯具间距s，照度转换系数m，灯具维护系数m，马路宽度w，灯具布置系数ω，需要调节的亮度差
△
l，需要调节灯具的光通量
△
φ，需要调节灯具的功率
△
p，光通量与功率转换系数λ。
[0135]
作为一个具体的实施例，信息综合处理模块根据照明设施检测模块上报的故障信息调整故障灯具两侧各10m范围内灯具亮度，保证故障路段照明亮度符合规范要求。
[0136]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。