公路隧道出入口遮光自动调节系统的制作方法

本发明涉及交通运输领域，具体涉及一种公路隧道出入口遮光自动调节系统。

背景技术：

在一些山地和丘陵地区，公路隧道因其能够减少行车里程、节约燃油等优点被广泛应用。由于公路隧道结构的封闭性，使隧道内外亮度差很大。当驾驶员驾驶车辆出入公路隧道时，无法快速适应这种突变的照度环境，导致在隧道出入口路段交通事故频发。目前针对隧道出入口段遮光设施的方法很多，但多数都是固定式遮光装置，不能根据不同的外部照度环境以及出入口处车流的速度，对遮光度进行自行调整。基于此背景，根据隧道内外不同的照度环境及车流速度，在隧道出入口段提供一种适应驾驶员视觉特性的照度逐步渐变自动遮光系统显得尤为必要。

技术实现要素：

为了弥补已有技术的不足，本发明提供一种公路隧道出入口遮光自动调节系统。

本发明采用的技术方案是：

一种公路隧道出入口遮光自动调节系统，其特征在于：包括有设置在隧道出入口外的遮光棚以及用于调节遮光棚遮光度的控制系统，所述控制系统包括有外部信号采集单元、AD转换模块、控制单元、电动机传动系统，所述遮光棚上滑动安装有遮光板，电动机传动系统与遮光板控制连接；所述外部信号采集单元包括有速度信号采集单元、照度信号采集单元，速度信号采集单元包括有车辆检测器以及与车辆检测器的信号输出端连接的车速信号采集单元，车辆检测器安装在隧道出入口上游，照度信号采集单元包括有外部照度检测器、内部照度检测器以及与外部照度检测器、内部照度检测器的信号输出端连接的照度信号处理单元，外部照度检测器、内部照度检测器分别安装在遮光棚的上游和遮光棚内，车速信号采集单元、照度信号处理单元的信号输出端接入AD转换模块的信号输入端；所述控制单元包括有PLC和反馈单元，反馈单元包括有霍尔传感器以及与霍尔传感器的信号输出端连接的信号隔直、放大、整形电路，霍尔传感器安装在遮光板上，AD转换模块和信号隔直、放大、整形电路的信号输出端分别接入PLC，PLC的信号输出端连接电动机传动系统；根据隧道内外环境照度差值以及通过隧道出入口时的交通流速度，结合驾驶员明暗适应视觉特性，确定遮光棚的遮光度，使用PLC对调整遮光板位置的相关开关量、模拟量进行控制，实现公路隧道出入口光线自动调节。

所述的一种公路隧道出入口遮光自动调节系统，其特征在于：所述遮光板包括有间隔设置的多个上层板、多个下层板，上层板、下层板的数量一致，遮光棚的两侧还设有槽道，所述下层板固定设置在遮光棚上，上层板通过滚轮滑动安装在槽道中，槽道的两端分别设有限位块。

所述的一种公路隧道出入口遮光自动调节系统，其特征在于：所述电动机传动系统包括有多个电动机，各电动机分别通过电机传动装置连接在一个上层板上，各电动机分别控制其对应的上层板在槽道上滑动。

所述的一种公路隧道出入口遮光自动调节系统，其特征在于：所述内部光照检测器的数量与上层板的数量一致，各内部光照检测器分别安装在各下层板位于上游的一端，车辆行驶至遮光棚后，位于上游的内部光照检测器相对于下一个内部光照检测器作为外部光照检测器检测到外部光照信号，上游的内部光照检测器检测到的外部光照信号和下一个内部光照检测器检测到的内部光照信号同时接入照度信号处理单元进行处理。

所述的一种公路隧道出入口遮光自动调节系统，其特征在于：所述霍尔传感器的数量与上层板的数量一致，每个上层板上安装一个霍尔传感器，霍尔传感器采集到的电动机速度以及遮光板位置的信号反馈给PLC。

电动机数量根据实际遮光长度确定，遮光长度根据实际隧道内外部环境确定。

本发明的优点是：

本发明采用自动控制单元对隧道出入口遮光进行自动控制，通过采集隧道内外光照强度及交通流速度，根据驾驶员明、暗视觉特性曲线，控制单元调节过渡段的光照强度，从而最大可能为驾驶员提供最佳视觉环境，减少交通事故的发生。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为遮光棚外观示意图。

图3为遮光板侧视图。

图4为遮光棚自动调光原理图。

图5为照度信号检测器位置图。

图6为系统执行流程图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，一种公路隧道出入口遮光自动调节系统，包括有设置在隧道出入口外的遮光棚以及用于调节遮光棚遮光度的控制系统，控制系统包括外部信号采集单元1、AD转换模块、控制单元3、电动机传动系统4。

外部信号采集单元1包括速度信号采集单元5、照度信号采集单元6；所述速度信号采集单元包括车辆检测器8、速度信号处理单元9；所述照度信号采集单元包括外部照度检测器10、内部照度检测器11、照度信号处理单元12。

AD转换模块采用AD转换器2。

控制单元3包括与AD转换器2输出端连接的PLC13，信号隔直、放大、整形电路14、霍尔传感器15，其中霍尔传感器15与信号隔直、放大、整形电路14组成反馈单元7，把霍尔传感器15采集到的电动机速度以及遮光板位置的信号反馈到PLC13。

如图2所示为整个遮光棚外观样式，遮光棚包括有遮光板、槽道20，遮光板包括有间隔设置的多个上层板18、多个下层板19，上层板18、下层板19的数量一致，下层板19固定设置在遮光棚上，上层板18通过滚轮21滑动安装在槽道20中，槽道20的两端分别设有限位块22。

如图3为遮光板样式，可以看出遮光棚包括限位块22（限制上层板移动位置）、上层板18（可滑动）、下层板19（固定不动）、槽道20以及滚轮21。电动机16控制上层板18移动，上层板18可以通过槽道20来回移动。

电动机传动系统4包括多台电动机16、电动机传动装置17；电动机16分别与PLC13、电动机传动装置17连接，各电动机16分别通过电机传动装置17连接在一个上层板18上，各电动机16分别控制其对应的上层板18在槽道20上滑动。。

内部光照检测器11的数量与上层板18的数量一致，各内部光照检测器18分别安装在各下层板19位于上游的一端，车辆行驶至遮光棚后，位于上游的内部光照检测器11相对于下一个内部光照检测器作为外部光照检测器检测到外部光照信号，上游的内部光照检测器检测到的外部光照信号和下一个内部光照检测器检测到的内部光照信号同时接入照度信号处理单元12进行处理。

霍尔传感器15的数量与上层板18的数量一致，每个上层板18上安装一个霍尔传感器15，霍尔传感器15采集到的电动机速度以及遮光板位置的信号反馈给PLC。

如图4所示，图（a）表示遮光棚半遮光的情况，图（b）表示遮光棚3/4遮光的情况，图（c）表示遮光棚全遮光，以达到调节光照强度的目的。本发明对总长度为S的遮光棚以每Si为一个长度单位分段进行控制，由限位块定位，以防止遮光板超出可移动范围。

由于整个遮光棚总长度不变，在照度差最大以及平均速度最大的情况下设定整个遮光棚的最大长度Smax。Smax根据具体每个隧道的外部环境确定。根据检测数据计算过渡段S长度，当S<Smax时，按照S的总长度进行调光控制；当S>Smax时按照Smax的总长度进行调光控制。以每段遮光棚内外照度不超过规定的眩光阈值范围为标准，使得隧道出入口段照度差逐渐减小。照度检测器分别设置在隧道出入口内外部，如图5所示。速度检测器分别设置在隧道出入口上游400米处。以保证有充足的时间调节遮光棚的照度，从而使驾驶员在平滑的照度环境下安全通过隧道出入口。由于道路车流状态的变化是分时段的，系统每3分钟检测一次，遮光板进行一次调整。

本发明公路隧道出入口遮光自动调节系统的实现原理包括：

首先需要确定一般情况下遮光棚需要的总长度。为了能够适应绝大多数环境条件，根据历史监测数据，取隧道内、外部照度差最大以及最高限速Vmax为准则，计算遮光棚总长度Smax。

Smax=Vmax∙T

其中，T为最大照度差下驾驶员眩光恢复时间。

（1）驾驶员明、暗适应视觉特性：

Lout=1KEout（1）

Lin=1KEin（2）

式中：Lout为隧道洞外亮度，cd/m2；Lin为隧道洞内亮度，cd/m2；Eout为隧道洞外照度，lx；Ein为隧道洞内照度，lx；K为路面平均亮度与平均照度换算率，lx/(cd·m2)，沥青混凝土路面取15—22 lx/(cd·m2)；水泥混凝土路面取10～13lx/(cd·m2)。

由李英涛等在《公路隧道出入口减光格栅段合理长度研究》结果可知隧道出、入口眩光恢复时间分别为：

Tin=0.0204∙（Eout-Ein）0.6031（3）

Tout=0.0201∙（Eout-Ein）0.6012（4）

眩光阈值TI：

TI=65∙LoutLin∙100%（5）

CIE（国际照明委员会）推荐值为：非常用路段为10%，繁忙路段为15%。根据眩光阈值TI，确定照度范围，防止眩光。由公式（5）可知：

Lout=165∙TI∙Lin0.8（6）

前一段长度Si的外部亮度Lout，i作为下一段长度Si+1的内部亮度Lin，i（i =1、2、3……n ）。

获得在眩光阈值TI范围内的外部亮度，由公式（1）可换算成外部照度Eout，i（i =1、2、3……n ）；根据眩光恢复时间以及通过的车流速度确定在这个特定的照度范围内遮光棚的长度Si（i =1、2、3……n ）。

（2）根据车流速度确定遮光棚长度：

在隧道出入口，由于受到速度管控等因素的影响，车辆的行驶车速会发生一定的变化。一般情况下机动车通过隧道的最高行驶速度是由管理单位根据路线的实际情况决定的，针对不同的道路条件有不同的限速标准。例如对于高速公路，有些与路段限速一致，有些限速为80km/h甚至更低；对于城市道路，通常限制在60km/h以下，对人车可能混行的隧道或双向隧道，限速在40km/h以下。针对不同管理速度要求的隧道出入口的遮光设施长度应有不同的标准。

张生瑞等在基于速度控制的高速公路隧道交通安全策略中提到，在没有限速的隧道行车过程中，在隧道入口段，大型车速度变化不大，而小型车速度会发生突变。隧道入口段，小型车速度差大于20km/h，属于易发事故段，危险性较大。故在隧道出入口处设置自动遮光装置，能够减少车辆在出入隧道时，车速的大幅度变化，从而减少交通事故的发生率，增加隧道出入口处的交通安全性。

如图2（a）所示，由于遮光棚物理性质的限制，使得车辆直接进入遮光棚的半遮光状态。所以此临界段（入口段为遮光棚第一段，出口段为遮光棚最后一段）的驾驶员视觉回复时间计算如下：

入口段：Tin,1=0.0204∙（Eout，1-Ein，1）0.6031（7）

出口段：Tout，n=0.0201∙（Eout，n-Ein，n）0.6012（8）

其中，i =1、2、3……n 。

1）在有限速要求的隧道，车辆在进入隧道前车速都会降到限定速度以内，以限制速度V为标准，设置隧道出入口每段遮光装置长度为：

Sin，i=Tin∙V（9）

Sout，i=Tout∙V（10）

其中，i =1、2、3……n ，V为出入口上游车辆的速度。

临界段遮光棚长度为：

Sin，1=Tin,1∙V（11）

Sout，1=Tout,1∙V（12）

从而获得隧道出入口处遮光棚总长度为：

Sin=∑Sin，i（13）

Sout=∑Sout，i（14）

2）在无限速要求的隧道，车辆接近隧道出入口时速度是不确定的，没有可以依据的速度标准。

根据实时的速度测试得到车流的速度Vt，判断遮光棚的长度。隧道出入口每段遮光装置长度为：

Sin，i=Vt∙Tin（15）

Sout，i=Vt∙Tout（16）

其中，i =1、2、3……n ，Vt为出入口上游车辆的检测速度。

临界段遮光棚长度为：

Sin，1=Tin,1∙Vt（17）

Sout，1=Tout,1∙Vt（18）

隧道出入口遮光棚总长度为：

Sin=∑Sin，i（19）

Sout=∑Sout，i（20）

（3）控制单元设计

设计控制电路，包括电源、信号采集部分、信号转换部分、检测部分和反馈阶段。通过控制电路的设计，进而实现遮光棚的自动调光。

控制系统主要有PLC、霍尔传感器、信号隔直放大整形电路组成。其中通过PLC，控制电机的启动、停止，以及各硬件模块的初始化。系统采用霍尔传感器测量电机的位置和速度，将传感器脉冲信号数据存入PLC。当遮光棚移动时，PLC接受霍尔传感器发送的信号决定电机的转动状态。

通过PLC中引入霍尔传感器，从而对信号进行分析。由于霍尔传感器直接输出的脉冲信号不规则，因此通过整形电路，对霍尔器件输出的脉冲信号隔直、放大、整形成标准方波。然后将处理过的信号输入PLC完成反馈。

具体步骤如下：

步骤1：通过外部信号采集单元分别采集到速度V、内部照度Ein、以及外部照度Eout等外部信息。

步骤2：采集车流的速度信号并进行处理。

步骤3：将采集到的外部信号进行AD转换。

步骤4：将转换后的信号输入到PLC，通过PLC计算每段遮光棚的长度Si，通过PLC对每个发电机分别进行控制。

步骤5：判断检测计算出的遮光棚总长度S是否小于最大长度Smax，若小于按照总长度S进行调光控制，若不小于则按照最大总长度Smax进行调光控制。

步骤6：通过霍尔传感器检测每个单元遮光板位置，然后将检测到的信号进行处理，反馈给PLC。

步骤7：判断遮光板是否到达指定位置，若到达指定位置就直行步骤8，若未到达指定位置则返回步骤4。

步骤8：PLC进行各个模块的初始化，转移至步骤1。