隧道横向均匀照明控制策略研究.docx

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1、隧道横向均匀照明控制策略研究陈佳妮，刘欣雨，肖广兵(南京林业大学汽车与交通工程学院江苏南京210037)摘要：为了解决当前废道照明中存在的同板面内照度突变，能源利用率低等问题，设计了一种隧道横向均匀照明的自动控制霰略。该策略根据人口亮度，车流量，车速等分析得隧道内各路段平均照度：调整各光源入射角度与降低光通量交替进行保证路面在重登面积最小的基础上全覆盖；基于全覆盖利用试探法继续调整入射角度，使无效照明面积占比最小，从而实现隧道横向路面照明的均匀化调控。该策略对于外界灯光变化的自适应性强，具备实时调光功能，实现了按需照明，减少了光照重登面积过多引起的能源浪费，并降低驾驶员行车过中光线明暗交替产生

2、的眩荤概率。关键词：隧道照明；均匀化：自动控制；试探法中图分类号：U459.2TheResearchonHomogenizingBrightnessContro1forTunne1TransverseJianiChen,Xinyu1iu,GuangbingXiao(NanjingForestryUniversity,DepartmentofVehic1eandTrafficEngineering,210037.NanjingChina)Abstract:Currenttunne11ightingexiststhesuddenchangeofi11uminationinthesamesectio

3、nandhasa1owenergyuti1izationefficiency.Inordertosett1esuchprob1ems,thispaperproposedaautomaticcontro1strategyabouthomogenizingbrightnessbasedontunne1transverse.Thestrategygainedtheaveragei11uminationthoughana1yzingtheoutsidebrightness,trafficandspeed.Then,adjusttheincidentang1eofeachtightsourceandre

4、ducethe1uminousf1uxa1ternate1ytoensurethattheroadsurfacehasbeencoveredcomp1ete1ybasedontheminimumover1appingarea.usedbacktrackingmethodtoadjusttheang1econtinuous1yhe1ptominimizetheproportionofinva1id1ightingareaaswe11asrea1izethehomogenize.Thestrategyhasstrongadaptabi1itytothechangeofexterna11ightan

5、drea1-timedimmingfunction,ha1soreducetheenergywasteandtheprobabi1ityofvertigocausedby1ightandshadea1ternationduringdriving.Keywords:tunne11ighting;homogenize;automaticcontro1,backtrackingmethod0引言隧道的智能化和现代化已经成为未来城市交通安全的个重要发展方向U1然而隘道空间几近封闭，尤其多车道隧道角落常存在光线屏蔽或光线不足的问题，这成为行车过程中的一大隐患。常用的解决方案更多关注隧道出入口照明光线的阶

6、梯型过渡问题，但是缺少对隧道横截面照度分布不均匀问题的讨论。为了提高隧道的通行能力，考虑采用动态光线调节，达成横截面内各处光照强度的一致性。目前学者对隧道均匀照明做出了一些改进研究，王毅豪等通过分析隧道内外亮度设计了一套高速公路隧道1ED智能调光系统网；魏清华等以车辆的行为信息为切入点，将获取的信号传输到无线监控终端进行调控，使用PID闭环反馈调节原理完成隧道内亮度的准确调节；梁波等研究表明漫反射率大的蓄能反光材料可以提高隧道的光亮程度。国内学者对隧道照明研究主要集中在优化初始布灯参数和亮度调节，缺乏对光线入射角度动态变化的考量。同时，现有研究面向隧道入口一出口的过渡照明质量，忽视了隧道截面中

7、间至两边光照强度的一致性。本文以多车道隧道为应用背景，通过综合分析隧道照明的要求和特点，设计了基于矩阵式1Eo灯的隧道智能调光系统。该系统一对一控制各点光源工作状态，在一定范困内可调光线入射角并进行无极调光，确保光线在隧道截面等额全覆盖。1 数学建模考虑一个由mn个点光源构成的矩阵灯以及一段长为1,宽为S的隧道路段。截取高度为土?的水平层面作为本文的研究区域，其中力为轿车驾驶员的平均视线高度，人为头部偏转预留高度。算法1：全覆盖算法%矩阵灯各光源光通量赋值for/=1：m,7=1：”，r；end%任取一点A（s,t）进行全覆盖检测forS=-1/2：1/2,t-S2s5/2将矩阵灯几何中心在路

8、面的投影M记为原点，出入口垂线方向为X轴,切线方向为.Y轴建立空间直角坐标系。用矩阵及X”=（劭）中的元素劭表示灯组中第i行第J列的点光源，引入可控参数光线入射角和点光源光通量巾，空间角与X轴、Z轴夹角分别为和依据DIA1iix照明模型可知点光源投影区域内照明强度沿中心向四周递减，参数控制入射光线的倾斜度，参数。决定点光源的光通量，与工作功率成正比，越大投影区域内达到指定光照强度的有效照明面积越大。本文研究目的是实现隧道沿X轴方向，减少亮度曲线上的突变点个数及亮度上下浮动的差值。通过调整入射角和灯源光通量6,减小研究区域内光线重叠以及盲区的面积，当满足以下条件时，则认为区域内照明亮度基本达到均

9、匀分布。光照单元在一定范围内进行任意A次移动的过程中，重复计算无效照明面积比率I=屋含，总存在一个满足：in（,生，小，么）该时刻各光源的光通量和入射角度为最优调节方案。2 算法控制算法通过变化光线入射角和灯源光通量t的组合，模拟检测工作面照明投影的覆盖情况，使得面内任意一点均受光源光线直射同时照明重登面积最少，能源浪费最小，从而实现隧道照明的均匀性。2.1 照明全覆盖全覆盖具体步骤为赋予初始工作光源较大光通量，确保各点均在照射范围内，其基本算法为代码如算法1所示。首先，定义光照单元（UnifofI11umination,UOD为点光源配光曲线内达到路面平均照度瓦IV的投影区域（图I阴影区域）

10、“叫将光线路径围成的区域近似看作个圆锥，当W90时，光照单元是一个。“为圆心，2a为长轴，2力为短轴的椭圆；=90时，光照单元为正圆（口=）。其中，该组矩阵灯工作状态下Ua圆心构成集合N=5ijW,iJZ+全覆盖检验转变为比较点与光照单元圆心O坐标、长短轴长度的位置关系。a=a+；end参考当前隧道纵向照明阶梯型研窕结果叫上位机计算研究区域合理平均照度Eav,根据光学公式得各光源理想光通量为：6=信+-/XR,（1）WwK=1其中，A为截取路段面积，后部求和表示光源投影区域间的照度影响量与投影距离相关，N为单组矩阵灯灯源数量，U、K分别是灯具维护和利用系数。以一个略大于理想光通量幅的值赋于工作

11、灯源，获得多个大面积的光照单元。校验研究区域达成全覆盖目标的方法如下，其中为允许偏差量，任取研究区域内一点A（）,与集合N=5iW”Jm,iJZ+中任一光照单元满足位置关系：则完成全覆盖照明要求。初始照明采用大于6的光通量，高效迅速地达成全覆盖的同时也造成了研究区域内存在大量多重交段面积，如图2所示。2.22.3 照明平铺算法为解决图2中，大面枳重叠（斜线区域）和多层重强（阴影区域）的情况，在全覆盖要求的基础上，调整入射角度a,计算并比较各方案对应的无效照明面积比率r算法2给出了均匀度算法的基本步骤。算法2：照明平铺算法%初始无效照明面积赋值mik0%划定调整批次等级依1、2、36=1;for

12、n=+1,w=+1;ifOijOnmWj+rmnk=b;es1ek=b+1endend舟调整入射角度先检验无效照明面积比率for=+;ifnVnmin1=minendend首先依据任意一光照单元与中央圆的相对位置关系划分移动批次，定义与中央圆直接相交的单元为第一批次，第一批次向外拓展的相交圆为第二批次，依此类推。移动策略按内到外的顺序逐批向远离中心的方向移动,通过适量扩大照明空白（图3区域I）减少大量重叠区域面积。本文通过逐点法确定入射角度移动步长，调整入射角度使圆心移动步长为（r1r）,若n减小说明此次移动有效，则调整方案优于前者。截取一个较大的人如果n减小明显那么选取一个较大的门，反之则减

13、小移动步长.（肛，n）;如果n增大，截取小步长以图3为例，此图将照明单元划分成一批次，星空记号单元为研究区域的中央单元，由批次划分规则可知三角记号为第一批次，矩形记号为第二批次。光照单元圆心Q,沿移动单元圆心与中央圆圆心的连线方向移动（如图箭头所示），利用试探法确定移动的方向及每次的步长。反复计算n,确定当前批次各光照单元最优位置再进行下一级调整，在优化前提下，允许出现区域I处空白区域获得最优调解方案。2.4 配光优化算法光照平铺后重塾部分减少，但该区域仍存在光照强度高于研究区域所需光强的情况。配光优化算法通过降低个别光照单元强度使叠加区域高光强的情况得到改善。确定需要降低亮度的目标光照单元的

14、算法如下：算法3：配光优化算法%研究区域边界记为P先关闭多余灯源%降低小面积照明灯源光通量if1ength_OMyS/2if1engthOPa=-es1e1ighf=Oendend%可调光照单元减小光通量%任取两单元交点5（,v）%圆周共有个交点forw=-12:1/2,v=-S2：S/2r+i1Count=COiint+1ifcount=n=-endendend平铺过程中灯源的工作状态及光通量保持不变，即光照单元面积不变向外拓展，研究区域边界处产生两种非正常光照单元。其一，单元整体处于研究区域之外，此类光源不承担照明工作，直接关闭。其二，单元圆心远离边界线，但光照单元仍有少部分为有效照明（图

15、4中c）,降低该类灯源的工作功率，使调整后的光照单元照度高于算法2.1中平均照度Jv下限并且保证该过程中4不增大。中央区域的光照单元同样存在两种形式，一类为圆周外存在少量空白间隙的不可调单元（图4中。），一类为圆周上各段圆弧均在其他光照单元内的可调单元（图4中方）。在算法2.3中不可调单元光通量保持不变，如果持续降低灯源可能造成空白间隙处圆环交段强度之和小于反,，下限。在实际照明中，单个灯源投影的光照单元外仍存在一定量光线，其形状可以近似看作内径等于光照单元半径，外径无限大的圆环，如图4斜线区域，虚线表示无穷远。由于可调单元与四周单元结合紧密，同一位置圆环重叠数量多，光线在此处集聚提升了光照强度，因此该类灯源有足够的光通量调节余量。减小对应灯源的光通量，使调整后的光照单元在投影区域照度高于n，下限的基础上缩小面积并且保证不增大。如图4所示，光照单元C的圆心远离边缘线，并且承担的覆盖区域面积较小，因此可以降低光通量来减小光照单元面积。但仍需满足三个要求：光照单元照度大于En,下限；值保持不变或减小；完全覆盖目标工作区域。光照单元“四周空白间隙较多，所以光通量保持不变。光照单元力