CN101938878A - 基于智能专家照度曲线的隧道led照明自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道内照明设备技术领域，涉及一种基于智能专家照度曲线的隧道LED照明自动控制方法：1)检测洞外亮度，获得洞外亮度值，对该亮度值折减后得到入口段的亮度；2)划分过渡段，以入口段的亮度为基础，设定各段的亮度初步基准值；3)建立一个专家库，对输入的隧道长度、隧道高度、洞外亮度、行车速度、交通流量、以及交通方式的信息进行推理，调整相应的各段的亮度基准值；4)对过渡段的亮度分布进行柔滑处理；5)生成完整动态的亮度需求曲线；6)根据亮度需求曲线和洞内部分亮度检测值实现对整体LED隧道灯的亮度反馈调节。本发明的方法能够延长隧道内灯具的使用寿命，降低维护成本，并能节约能耗。

Description

基于智能专家照度曲线的隧道LED照明自动控制方法

技术领域

本发明属于隧道内照明设备技术领域，特别涉及一种隧道照明智能控制方法。

背景技术

长期以来，隧道照明一直沿用的高压钠灯、荧光灯高压汞灯、卤素灯等常规产品由于含汞等有害物质，且在隧道内必须常年通电点亮，耗能极大，已越来越不适应人们对环保节能的追求，人们迫切需要寻找新型的节能环保的照明光源。

LED灯作为一种新型的固体光源，即节能、寿命长、利用率高。还有一个优越的特性就是亮度瞬时可控性。这个特性不仅能使能耗更低、寿命更长，也能使光衰更低。设计隧道LED照明设备，应当考虑如下几点：

1、洞外亮度对能耗的影响

洞外亮度是隧道照明设计的一个最基本的参数，通常是在7-8月份的夏季中午晴天测得，照明的设计都要依据这个参数，但洞外亮度受随季节，时间，气候的影响，实际亮度远小于这个值，因此在一年90％的时间里，洞外亮度都小于这个值，造成过度照明和电能的浪费。有研究表明年平均白天功率需求只占设计功率的22.7％，如果亮度可控，则通过根据需求进行亮度的调整，则可以节省77.3％的白天功率。传统的高压钠灯只能做到很小范围的调光，且通常做成有级分段调光的形式，而led灯则有很宽的调节范围，且可以实现快速无级的调节。

2、LED灯作为一种半导体固体灯，影响其寿命的一个很重要的因素就是其结温，因此如果能不断根据需要调整灯具的运行功率使其不用一直满负荷运行，可以降低结温，改善散热条件，增加使用寿命。

3、LED灯的温度同样影响其光衰，因此通过根据需求进行亮度调节可以减缓LED灯的光衰。

4、目前国家标准对隧道内亮度要求是分段固定的，各段之间亮度缺少过渡，因此柔化亮度曲线有利于隧道内司机的眼睛舒适性的改善，更有利于安全驾驶。

因此，如果能够实时根据检测到的隧道参数包括洞外亮度、洞内亮度、车流量流速等，并根据这些参数以及国家标准动态生成符合实际需要的照度曲线，然后根据该曲线，对隧道内的所有灯具进行亮度控制调整，使得隧道内的实际照度符合该需求曲线，则可以大大优化隧道内照明的节能安全运行。

发明内容

本发明针对现有隧道照明控制***，无法完全按照实际的亮度需要，进行在线控制和调整隧道内的亮度的缺点，提出一种隧道LED照明自动控制方法。采用本发明提供的方法对LED照明***进行智能决策和控制，一方面可以节约能耗，一方面还可以延长灯具的使用寿命和减少光衰，另一方面还能提高安全性。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种基于智能专家照度曲线的隧道LED照明自动控制方法，包括下列步骤：

1)检测洞外亮度，获得洞外亮度值，对该亮度值折减后得到入口段的亮度；

2)将过渡段分为两个或两个以上的过渡子段，以入口段的亮度为基础，设定各过渡段、中间段、出口段的亮度初步基准值；

3)建立一个专家库，对输入的隧道长度、隧道高度、洞外亮度、行车速度、交通流量、以及交通方式的信息进行推理，采用正向链接推理控制策略，调整相应的入口段、各过渡子段、中间段和出口段的亮度基准值；

4)在专家***里，根据CIE标准的眼睛适应曲线，利用公式L_tr＝L_th(1.9+t)^-1.4，从入口段开始，对隧道内全部过渡子段或部分过渡子段的亮度分L_tr进行柔滑处理，式中，车速为v，S为位移，对应隧道的长度，L_th为入口段的待柔滑亮度基准值；

5)由专家***生成完整动态的亮度需求曲线；

6)根据亮度需求曲线，设定对各个LED隧道灯所在位置的亮度进行反馈调节的给定值，根据洞内部分亮度检测值实现对整体LED隧道灯的亮度反馈调节。

作为优选实施方好似，该控制方法在第5)步生成了亮度需求曲线后，还包括如下的前馈控制方式：以隧道内的位置为参数，代入亮度需求曲线，得到对应位置的平均照度E_av，再将该位置对应隧道段的灯具间隔S以及平均照度E_av代入光通量公式

式中，利用系数η，灯具排列模式N，维护系数M，马路宽度W为常数，求得所需计算位置的灯具的平均光通量φ，再根据该位置的灯具的满光通量，计算该处灯具的调光百分比，从而确定该处灯具的控制量的大小，对每个灯具的亮度进行前馈控制。

本发明针对隧道照明***，采用LED灯具进行重新设计、替换和改造，提出了一种采用专家***的方法，检测洞外亮度、洞内亮度、车流量流速等参数，并结合CIE标准的隧道照度需求曲线，生成动态的隧道内的照度需求曲线。然后采用一种前馈结合反馈的控制策略，根据生成的照度需求曲线，对隧道内的所有灯具的照度进行控制和调节，使得隧道内的照度能够实时的跟随实际的照度需要，优化照明***的安全节能运行，延长了灯具的使用寿命和减少光衰，并能大大节约了能耗。

附图说明

图1本发明实施例应用的隧道LED照明***结构图。

图2经过CIE柔滑处理后的亮度需求曲线。

图3专家***框图。

图4整体隧道照明前馈与反馈控制原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

为了解决隧道照明节能安全优化控制问题，本发明按照图1搭建隧道照明监控***，包括中心监控主机、亮度检测单元、车流量流速监测单元、环境温度传感器、通信总线、区域控制器、带通信总线的单灯控制电源、LED灯具。中心监控主机采用工控机，运行中心监控管理软件和通信接口软件，车流量流速检测***、亮度计和温度传感器的检测参数，通过通信总线，传送给中心监控主机。中心监控主机通过通信接口，把区域控制指令下发到各个区域控制器，再通过区域控制器的通信总线分别对***的所有灯具进行控制，进行调光，并能对每台灯具的状态(亮灯，灭灯，故障，照度给定等)进行查询，并显示在软件监控界面上。

本发明提出在该***平台下，实现一种基于专家***的隧道内部照度需求曲线的生成方法，该方法通过该平台下在线检测到的洞外亮度、洞内亮度、车流量、车流速等信息，结合国家对于隧道照明的标准要求，根据《公路隧道通风照明设计规范》中关于照明的相关内容，建立了一个专家库，对输入的隧道长度、隧道高度、洞外亮度、行车速度、交通流量、以及交通方式等信息进行推理，确定相应的入口段、过渡段、中间段和出口段的亮度基准值。然后，采用一种结合CIE适应曲线的曲线柔滑的方法，使亮度曲线更加平滑，从而满足人眼适应过程舒适度的要求。在照度需求曲线生成之后，本发明还采用前馈与反馈相结合的灯具亮度控制调节方法，根据求得的照度需求曲线，对隧道内的所有灯具的亮度进行调节，使隧道内的亮度符合该照度曲线。由于洞外亮度，洞内亮度，车流量流速是个动态变化的参数，所以整个照度曲线的生成以及灯具的亮度调节过程是一个动态过程。

下面从两个方面对本发明的控制方法做详细说明。

(1)采用智能专家***生成照度需求曲线，采用CIE适应曲线柔滑照度需求曲线。

具体步骤如下：

1)采用亮度传感器可以直接将检测到的洞外亮度L20(S)通过通讯总线传输到中心监控主机，来获得准确的洞外亮度值，该检测值作为中心监控主机的控制决策依据。

在入口段，根据公式

Lth＝k·L20(S)(1)

计算出入口段的亮度。其中k为折减系数。

规范只给出了“双车道单向交通”在车流量大于2400辆/h和小于700辆/h以及“双车道单向交通”在车流量大于1300辆/h和小于360辆/h时在不同设计车速下的折减系数。因此其中所列出的折减系数并不能覆盖所有不同的情况。对中间范围内没有给出的折减系数按照插值方法进行计算。

根据公路隧道照明设计规范将过渡段分为三个过渡子段阶梯，即过渡段1，过渡段2和过渡段3。并在每段分开的过渡子段中，每段的亮度基准值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{tr}1}=0.3L_{\mathrm{th}}\\ L_{\mathrm{tr}2}=0.1L_{\mathrm{th}}\\ L_{\mathrm{tr}3}=0.035L_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在整个隧道完整照明过程中，中间段是基本部分。中间段照明的基本任务仍是保证停车视距，中间段的照明水平与空气透过率(及通风条件)、行车速度以及交通量等因素有关。在正常通风条件下中间过渡段的亮度Ltr可根据标准中的列表取值。根据规范出口段的亮度设定为中间段的5倍即可。这一部分确定的是初步的亮度的理论值，还需要后续的专家***进行动态调整。

2)根据《公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1-1999》中关于照明的相关内容，建立一个专家库，结构如图3所示，并对输入的隧道长度、隧道高度、洞外亮度、行车速度、交通流量、以及交通方式等信息进行推理，调整相应的入口段、各个过渡子段、中间段和出口段的亮度基准值。由于隧道分段给出亮度基准值，因此，亮度分布是阶梯状的，因此可以采用下述曲线柔滑的方法，使亮度曲线平滑。

在过渡段，以亮度基准值为基础，根据CIE标准的眼睛适应曲线(参见机械工业出版社2007年1月出版的由李铁楠编著的“城市道路照明设计”一书)，利用公式(3)可以柔滑过渡段适应曲线。

L_tr＝L_th(1.9+t)^-1.4(3)

该曲线是以时间t作为参量，假定车速为v，S为位移，令

代入上式(3)，则该曲线可以转化为以位移为参量的曲线。位移长度对应隧道的长度，以前述亮度基准值为基础，从入口段开始，在隧道的全部过渡子段或者部分过渡子段，如前两个过渡子段间的亮度阶梯部分，以该转化后的适应曲线替代，该替代曲线的长度选取，以更有利于柔滑曲线为原则，从而可以把阶梯状的亮度需求曲线变成平滑的亮度需求曲线。图2是对全部的过渡子段进行例柔滑后的曲线。

隧道亮度专家***由N条规则组成，在N条规则中，共出现M个概念(也称作事实)，共M个事实，每个事实给一个编号，从编号从1到M，在规则对象中我们不存储事实概念，只有该事实的编号，同样规则的结论也是事实概念的编号，事实与规则的数据以常量表示。

隧道亮度专家***由模式、交通方式、车速、车流量等因素组成的若干条规则，共计M个概念(即事实)，每个事实给一个编号，在规则对象中，知识库不储存事实概念，只储存该事实的编号，程序有编号序列的方式表达了产生式规则，而事实则以常量表示。

推理机是实施问题求解的核心执行机构，它是对知识进行解释的程序，根据知识的语义，对按一定策略找到的知识进行解释执行，并把结果记录到动态库的适当空间中去。

3)***采用正向链接推理控制策略，它是从已知事实一步步推出新的结论的过程，其工作步骤为：①收集当前情况所满足的规则。如果不止一个规则部分被满足，那么应用冲突消解策略选择优先级最高的规则，并删除其余的规则；②执行所选择规则的THEN部分的操作，直到问题得到解决为止，根据输入的条件计算隧道中每一段的长度，并选择对应的亮度值。部分规则表述如下：

规则1：

如果：洞外亮度小于52cd/m2

则：模式为“夜晚”

规则2：

如果：车流量大于700辆/h

则：车流量较大

规则3：

如果：车流量小于等于700辆/h

则：车流量较小

规则4：

如果：模式为“夜晚”，且车流量较大，且交通方式为“双车道单向交通”，且车速小于等于100km/h，大于80km/h

则：隧道亮度为9cd/m2

规则5：

如果：模式为“夜晚”，且车流量较大，且交通方式为“双车道单向交通”，且车速小于等于80km/h，大于60km/h

则：隧道亮度为4.5cd/m2

规则6：

如果：洞外亮度大于设计亮度

则：洞外亮度＝设计亮度

规则7：

如果：洞外亮度小于设计亮度，且模式为“白天”

则：洞外亮度＝实测亮度

......

规则N-1：

如果：洞外亮度大于52cd/m2

则：为“白天”模式

规则N：

如果：模式为“白天”，且交通方式为“双车道单向交通”，车速为100km/h，车流量大于2400辆/h，

则：k＝0.045，中间段亮度为9cd/m²

4)由专家库确定隧道各个段的亮度基准值，并采用CIE适应曲线柔滑亮度需求曲线，最后由专家***生成完整动态的亮度需求曲线。

(2)、采用前馈与反馈结合的控制策略，使实际灯具产生的亮度能符合亮度度需求曲线。

控制原理框图如图4所示。

给定照度需求曲线后，根据上述的《公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1-1999》，有平均照度公式：

$E_{\mathrm{av}}=\frac{\mathrm{\η}\·\mathrm{\φ}\·M\·N}{W\·S}---\left(4\right)$

E_av是平均照度，φ为光通量，η是利用系数，N是灯具排列模式，M是维护系数，W是马路宽度，S为灯具间隔，可以得到：

$\mathrm{\φ}=\frac{W\·S\·E_{\mathrm{av}}}{\mathrm{\η}\·W\·N}---\left(5\right)$

η，N，M，W在隧道里通常是常数，而S作为灯具间隔，在隧道内不同段而不同，给定的亮度需求曲线为以隧道长度为横坐标的连续的曲线。以隧道内的位置为参数，代入亮度需求曲线，得到对应位置的E_av，再将该位置对应隧道段的灯具间隔S以及E_av代入式(5)，即可求得所需计算位置的灯具的平均光通量φ，再根据该位置的灯具的满光通量，计算该处灯具的调光百分比，从而确定该处灯具的控制量的大小。因此，可以通过式(5)计算每个灯具所需要的调节亮度，进行前馈控制。由于前馈控制是在平均值的基础上计算，而灯具的实际功率等级可能不一样，因此，该前馈控制有一定的偏差，在此基础上，通过隧道内多个节点的亮度检测器，反馈调节器比较照度需求曲线和实际检测到的隧道内亮度，对灯具的亮度进行修正。从而，保证隧道内的实际亮度符合亮度需求曲线。

本实施例为了达到更好的控制效果，还采用了前馈控制的技术手段。实际应用中，除去前馈控制这个环节也是可行的。

Claims (2)

1.基于智能专家照度曲线的隧道LED照明自动控制方法，包括下列步骤：

1)检测洞外亮度，获得洞外亮度值，对该亮度值折减后得到入口段的亮度；

2)将过渡段分为两个或两个以上的过渡子段，以入口段的亮度为基础，设定各过渡段、中间段、出口段的亮度初步基准值；

3)建立一个专家库，对输入的隧道长度、隧道高度、洞外亮度、行车速度、交通流量、以及交通方式的信息进行推理，采用正向链接推理控制策略，调整相应的入口段、各过渡子段、中间段和出口段的亮度基准值；

4)在专家***里，根据CIE标准的眼睛适应曲线，利用公式L_tr＝L_th(1.9+t)^-1.4，从入口段开始，对隧道内全部过渡子段或部分过渡子段的亮度分布L_tr进行柔滑处理，式中，v为车速，S为位移，对应隧道的长度，L_th为入口段的待柔滑亮度基准值；

5)由专家***生成完整动态的亮度需求曲线；

6)根据亮度需求曲线，设定对各个LED隧道灯所在位置的亮度进行反馈调节的给定值，根据洞内部分亮度检测值实现对整体LED隧道灯的亮度反馈调节。

2.根据权利要求1所述的基于智能专家照度曲线的隧道LED照明自动控制方法，其特征在于，该控制方法在第5)步生成了亮度需求曲线后，还包括如下的前馈控制方式：以隧道内的位置为参数，代入亮度需求曲线，得到对应位置的平均照度E_av，再将该位置对应隧道段的灯具间隔S以及平均照度E_av代入光通量公式

式中，利用系数η，灯具排列模式N，维护系数M，马路宽度W为常数，求得所需计算位置的灯具的平均光通量φ，再根据该位置的灯具的满光通量，计算该处灯具的调光百分比，从而确定该处灯具的控制量的大小，对每个灯具的亮度进行前馈控制。

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