一种城市信号灯亮度自适应调节方法与流程

本发明涉及交通信号控制领域，尤其涉及一种城市信号灯亮度自适应调节系统及方法。

背景技术：

交通信号灯是一种交通安全管理设施，颜色信号灯是传递信息的重要手段。由于外界光环境比较复杂，而目前市面上使用的信号灯光强是固定的，在夜间与环境亮度对比过于明显，会引起驾驶人的“暗适应”效应，造成驾驶员的炫光感；在环境光强过亮时，信号灯与环境光强相差不明显，又会造成辨认的困难。存在较大的隐患，降低了交通系统的友好度，容易引发交通事故。有些地区为了提高信号灯辨认性，采用的信号灯往往亮度过亮，造成资源浪费还会造成光学污染。目前关于自适应调节的信号灯系统已经有了相关研究，例如：深圳市全美科技开发有限公司研究了一种信号灯，包括光控开关电路控制环路电阻，调整流过发光模块的电流。来控制信号灯亮度强弱变化。但信号灯的光强变化与外界环境光的变化无法实现准确匹配，没有考虑到驾驶员的舒适性；长安大学研发了一种信号灯可以根据环境光照度，自动调节交通信号灯的光强输出。但只有环境光照度，没有涉及天气情况。这些研究都考虑的不够全面，或多或少的存在着一些缺陷。

科学的信号灯亮度控制可以提高道路的使用效率，提高城市的车辆通行速度。本研究的自适应灯光控制技术根据环境光照度或天气情况，可以自适应调节信号灯的光强度输出，实现在环境光强度较高、天气晴好的情况下提高信号灯的光强度，以便驾驶员可以清晰地看到信号灯的指示，节约能源、低碳环保，具有很广阔的应用前景和实际意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中信号灯强度固定，容易引起驾驶员的暗适应效应的缺陷，提供一种城市信号灯亮度自适应调节系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种城市信号灯亮度自适应调节系统，包括依次连接的环境光检测模块、运算放大器、V/F转换器、控制模块、D/A数模转换器和触发电路；其中：

环境光检测模块，用于实时采集信号灯周围的外界环境的光强度信号；

运算放大器，用于对采集到的光强度信号进行信号放大；

V/F转换器，用于对放大后的光强度信号进行信号转换，转换为与环境光强度成正比的频率脉冲信号；

控制模块，包括环境光分级单元和自适应调节单元；环境光分级单元用于根据天空模型近似评估天空光照度情况，根据人眼的视觉特征应用韦伯-费希纳定律，实现外界环境光强度的分级，根据分级进行视觉功效实验，得到信号灯亮度与外界环境的光强度对于人眼的最适匹配关系；自适应调节单元用于根据频率脉冲信号解调得到当前的光强度，结合信号灯亮度与外界环境的光强度对于人眼的最适匹配关系，得到调节信号灯亮度的控制信号；

D/A数模转换器，用于将控制信号转换为模拟信号；

触发器，与信号灯的功率单元相连，用于根据模拟信号，驱动功率单元实现对信号灯光源的实时调节。

本发明提供一种城市信号灯亮度自适应调节方法，包括以下步骤：

S1、根据天空模型计算自然光照强度，日出后使用自然光照强度作为外界环境光强度；日落后获取人工光照强度作为外界环境光强度；根据人眼的视觉特征应用韦伯-费希纳定律，实现外界环境光强度的分级，根据分级进行视觉功效实验，得到信号灯亮度与外界环境的光强度对于人眼的最适匹配关系；

S2、实时采集信号灯周围的光强度信号，结合信号灯亮度与外界环境的光强度对于人眼的最适匹配关系，生成调节信号灯亮度的调节值，实时调节信号灯的亮度。

进一步地，本发明的步骤S1中根据天空模型计算自然光照强度的方法为：

根据天空模型，将天空光的水平照度近似作为自然光的总体光照强度，天空光的水平照度的计算公式为：

EKH＝A+B Sin^Cat

其中，EKH为天空光水平照度，A为日出/日落时的光照度，B为太阳高度角照度系数，c为太阳发高度角照度指数，at为太阳高度角。

进一步地，本发明的步骤S1中根据天空模型计算自然光照强度的方法还包括对不同天空条件进行拟合的方法，具体为：

将天空条件分为晴天空、部分有云天空和有云天空，其中：

晴天空水平照度为：EckH＝0.8+15.5sin^0.5at

部分有云天空水平照度为：EpkH＝0.3+45sinat

有云天空水平照度为：EokH＝0.3+21sinat

单位为klux，计算范围为太阳高度角非负，即白天的环境光照强度；

根据不同的位置，对晴天空、部分有云天空和有云天空的照度赋予不同的权重，分别将其乘以对应权重后求和，即为拟合后的自然光照强度。

进一步地，本发明的步骤S1中获取人工光照强度作为外界环境光强度的方法为：

选取主干道与主干道交叉口、主干道与支干道的交叉口和支干道和支干道的交叉口，并分别在较繁华的地段和偏远地段分别取样重复测量，最后根据样本数进行加权平均，得到人工光照强度。

进一步地，本发明的步骤S1中根据人眼的视觉特征应用韦伯-费希纳定律，实现外界环境光强度分级的方法为：

人眼的主观亮度F与进入眼睛的光强B的对数成正比：

F＝K·lgB+KO

其中，K和Ko是常数；

在日出日落时B＝0.3klux，人的主观亮度F最小为1；

在正午外界环境光达到最大时B＝45klux，主观亮度F达到最大取10；

得到k＝4.13586；Ko＝-9.24502；

得到人眼的主观亮度F与进入眼睛的光强B的对数为：

F＝4.13586*lgB-9.24502

在此基础上可将环境光分为10级：

第I级为独自作用时区，认为日落后环境光为一常数不发生改变；

第II-X级取在太阳高度角大于0的时段，根据费希纳对数中主观亮度等分曲线环境光强建立外界环境光强度的分级。

本发明产生的有益效果是：本发明的城市信号灯亮度自适应调节系统及方法，通过韦伯-费希纳定律和建筑、航空领域的天空模型应用于交通领域，通过视觉功效实验进行环境光强与信号灯光强的匹配，实现交叉口驾驶员视觉环境的定量计算；并构建信号灯随环境变化的自校正系统，实现信号灯根据外界环境变化的自动校正；能够改善驾驶员观察信号灯的试认性和舒适性达，提高信号灯的识别率，防止由于光照强度变化引起的信号灯误判，大大提高了交通行驶的安全。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的费希纳对数曲线图；

图2是本发明实施例的环境光与最适信号灯亮度趋势图；

图3是本发明实施例的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的城市信号灯亮度自适应调节系统，包括依次连接的环境光检测模块、运算放大器、V/F转换器、控制模块、D/A数模转换器和触发电路；其中：

环境光检测模块，用于实时采集信号灯周围的外界环境的光强度信号；

运算放大器，用于对采集到的光强度信号进行信号放大；

V/F转换器，用于对放大后的光强度信号进行信号转换，转换为与环境光强度成正比的频率脉冲信号；

控制模块，包括环境光分级单元和自适应调节单元；环境光分级单元用于根据天空模型近似评估天空光照度情况，根据人眼的视觉特征应用韦伯-费希纳定律，实现外界环境光强度的分级，根据分级进行视觉功效实验，得到信号灯亮度与外界环境的光强度对于人眼的最适匹配关系；自适应调节单元用于根据频率脉冲信号解调得到当前的光强度，结合信号灯亮度与外界环境的光强度对于人眼的最适匹配关系，得到调节信号灯亮度的控制信号；

D/A数模转换器，用于将控制信号转换为模拟信号；

触发器，与信号灯的功率单元相连，用于根据模拟信号，驱动功率单元实现对信号灯光源的实时调节。

本发明实施例的城市信号灯亮度自适应调节方法，包括以下步骤：

S1、根据天空模型计算自然光照强度，日出后使用自然光照强度作为外界环境光强度；日落后获取人工光照强度作为外界环境光强度；根据人眼的视觉特征应用韦伯-费希纳定律，实现外界环境光强度的分级，根据分级进行视觉功效实验，得到信号灯亮度与外界环境的光强度对于人眼的最适匹配关系；

根据天空模型计算自然光照强度的方法为：

根据天空模型，将天空光的水平照度近似作为自然光的总体光照强度，天空光的水平照度的计算公式为：

EKH＝A+B Sin^Cat

其中，EKH为天空光水平照度，A为日出/日落时的光照度，B为太阳高度角照度系数，c为太阳发高度角照度指数，at为太阳高度角。

根据天空模型计算自然光照强度的方法还包括对不同天空条件进行拟合的方法，具体为：

将天空条件分为晴天空、部分有云天空和有云天空，其中：

晴天空水平照度为：EckH＝0.8+15.5sin^0.5at

部分有云天空水平照度为：EpkH＝0.3+45sinat

有云天空水平照度为：EokH＝0.3+21sinat

单位为klux，计算范围为太阳高度角非负，即白天的环境光照强度；

根据不同的位置，对晴天空、部分有云天空和有云天空的照度赋予不同的权重，分别将其乘以对应权重后求和，即为拟合后的自然光照强度。

获取人工光照强度作为外界环境光强度的方法为：

选取主干道与主干道交叉口、主干道与支干道的交叉口和支干道和支干道的交叉口，并分别在较繁华的地段和偏远地段分别取样重复测量，最后根据样本数进行加权平均，得到人工光照强度。

根据人眼的视觉特征应用韦伯-费希纳定律，实现外界环境光强度分级的方法为：

人眼的主观亮度F与进入眼睛的光强B的对数成正比：

F＝K·lgB+KO

其中，K和Ko是常数；

在日出日落时B＝0.3klux，人的主观亮度F最小为1；

在正午外界环境光达到最大时B＝45klux，主观亮度F达到最大取10；

得到k＝4.13586；Ko＝-9.24502；

得到人眼的主观亮度F与进入眼睛的光强B的对数为：

F＝4.13586*lgB-9.24502

在此基础上可将环境光分为10级：

第I级为独自作用时区，认为日落后环境光为一常数不发生改变；

第II-X级取在太阳高度角大于0的时段，根据费希纳对数中主观亮度等分曲线环境光强建立外界环境光强度的分级。

S2、实时采集信号灯周围的光强度信号，结合信号灯亮度与外界环境的光强度对于人眼的最适匹配关系，生成调节信号灯亮度的调节值，实时调节信号灯的亮度。

在本发明的另一个具体实施例中，自适应调节信号灯光强的控制方法，根据城市环境光亮度变化特点，结合韦伯费希纳定律，对环境光进行分级。且因为环境光度实际测量复杂，考虑到不同城市气候复杂性，结合“Gillette-Pierpoint天空模型”，对各等级环境光根据太阳高度角的变化程度(即环境光强所停留时间)进行加权，得出每个等级环境光强的代表强度计算自然光。

已知信号灯周围环境光照度等于自然光照度加上人工光照度即：

E总＝E自然+E人工

因为环境光照度实际测量复杂且考虑到不同城市气候复杂性，可使用“Gillette-Pierpoint天空模型”计算E自然。“Gillette-Pierpoint天空模型”的近似天空光照度认为，在大部分内陆及沿海城市，基本无阳光直射现象。此时，将天空光的水平照度近似认为为天空光的总体光照度，对应于太阳高度角所绘的曲线的方程式具有这样一个特点，即方程式的基本形式是相同的，只要用一个式子调整一下式中的几个系数，就可拟合三种天空条件(晴天空、部分有云天空、有云天空)，这个基本公式为：

EKH＝A+B Sin^Cat

式中，EKH为天空光水平照度，klux(见表一)；

A为日出/日落时的光照度，klux(见表一)；

B为太阳高度角照度系数(见表一)；

c为太阳发高度角照度指数(见表一)；

at为太阳高度角。

表一 式中的系数

*无直射阳光，E dh＝0；

得到：

晴天空水平照度为：EckH＝0.8+15.5sin^0.5at

部分有云天空水平照度为：EpkH＝0.3+45sinat

有云天空水平照度为：EokH＝0.3+21sinat

本实施例中，根据气象数据，三种天空发生概率大致依次为(0.05；0.7； 0.25)，加权后得到：

EKH＝0.325+0.775sin^0.5at+36.75sinat

单位为klux，计算范围为太阳高度角非负，即白天的环境光照强度；

E人工为开启的霓虹灯、路灯等人工照度。因为此天空模型中在太阳高度角很小接进0或负值时认为环境光为零(月光照度<1lux)，而人工照明在白天基本不会开启，所以实质上E自然与E人工在大部分时间是独立作用的(日出与日落时二者出现交集)。

通过照度实验测量得出E人工，为了使数据具有普适性，本项目选取主干道与主干道交叉口、主干道与支干道的交叉口和支干道和支干道的交叉口，并分别在较繁华的地段和偏远地段分别取样重复测量，最后根据样本数进行加权平均。因为夜间人工照度不会改变，且国标规定霓虹灯照度数量级为10^2(lux) 级，通过测量得出E人工,E人工大约为0.3lux(月光)～300lux(主干道)。计算出一天中最小E总为E人工∈(a,b)lux，最大E总为E自然∈(A,B)lux。综上得夜间E总∈(0.3,30lux),白天E总∈(300,45000lux)(最大范围)。且大部分城市环境光照度大致上在该范围内。

人眼对光的感觉与环境光强变化并非正比，在较暗的环境下变化1lux都会使人眼有较大感知，而在外部光线达到上万lux时，变化1000lux都不会被人眼察觉。基于上述现象，本项目引入韦伯费希纳定律来划分环境光。基于韦伯—费希纳定律。韦伯-费希纳定律是表明心理量和物理量之间关系的定律。德国生理学家韦伯发现同一刺激差别量必须达到一定比例，才能引起差别感觉。这一比例是个常数，用公式表示:

ΔI(差别阈限)/I(标准刺激度)＝k(常数/韦伯分数)

这就是韦伯定律。把最小可觉差(连续的差别阈限)作为感觉量的单位，即每增加一个差别阈限，心理量增加一个单位。感觉量与物理量的对数值成正比也就是说感觉量的增加落后于物理量的增加，物理量成几何级数增长，心理量成算术级数增长，这个经验公式被称为费希纳定律或韦伯-费希纳定律。适用于中等强度的刺激。人眼对光的感觉与环境光强变化并非正比，在较暗的环境下变化1lux都会使人眼有较大感知，而在外部光线达到上万lux时，变化 1000lux都不会被人眼察觉。韦伯—费希纳定律给出了人眼对于客观光线变化的感知即主观亮度与光源亮度之间的关系是近似的对数关系。人眼的主观亮度 F与进入眼睛的光强B的对数成正比：

F＝K·lgB+KO

其中，K和Ko是有关的常数。在日出日落(0.3klux)时人的主观亮度 F最小为“1”,在正午外界环境光达到最大(45klux)时主观亮度感觉达到最大取“10”，得到k＝4.13586；Ko＝-9.24502。如图1所示，此时环境光强度与人眼主观亮度的对数曲线(F＝4.13586*lgB-9.24502)。

在此基础上可将环境光分为10级：E人工第I级为独自作用时区(夜间)，认为环境光为一常数不发生改变；第II～X级取在太阳高度角大于0的时段，根据费希纳对数中主观亮度等分曲线环境光强建立E总环境光的分级：

表二 环境光分级

为了实现信号灯的自适应调节，需要找到不同等级环境光情况下与最适信号灯光源的对应，以实现光源实时变换。对于各等级环境光，首先根据太阳高度角的变化程度(即环境光强所停留时间)进行加权，得出每个等级环境光强的代表强度Epi(i∈{I～VII})：

at＞0时

(xi为该档环境光强区间太阳高度角下限，xj为上限)

at＜0时Epi≈E人工

根据不同代表环境光强Epi，通过进行视觉功效实验找出对应的最适信号灯光源强度。

视觉功效法是测试在不同环境下，人眼对于背景中出现的目标的反应时间。

在本实施例中，测试对象为背景亮度，对不同颜色的信号灯进行实验。实验过程中我们决定将视觉功效实验由室内改为室外，便于得到现有器材在室内无法模拟出来的亮度，考虑到色温色差等因素的影响，最后决定直接模拟真实环境，在室外进行视觉功效实验。

在本实施例中，我们通过在6米高的杆上挂上照度仪与制作的信号灯光板，将照度仪的数据线连接电脑，在一天之中检测与我们设计环境光照度相同的时间(偏差值在如下区间内都认为光环境没有改变)：I，II，III级相差代表环境光强±50lux；IV，V，VI级相差代表环境光强±100lux；VII，VIII级相差代表环境光强±200lux；IX，X级相差代表环境光强±300lux。选取150位实验者，调节亮度记录，记录观测者的观测感受反应。当照度从最不满意到最满意的时候，给评价者一个心理尺度，从0％到100％，同时还给出了参考评语：太暗、较暗、适中、亮、较亮、过亮。我们记录并统计每一位观测者的“适中”与“亮”两个评语对应的信号灯亮度值，对这两个信号灯亮度按4:3加权，取该值为观测者的舒适亮度并绘出曲线，取曲线最高点位信号灯亮度的调节数值。

经过实验，可得到每一档环境光对应的最适信号灯灯珠亮度：

表三 信号灯对应光强调节

如图3所示，在进行了环境光的分级以及与信号灯光强的对应关系后，可通过由光敏传感器、运算放大器、V/F转换器、单片机、触发电路组成的系统进行光强的自适应调节。信号灯通过光敏传感器接受外界光强度，经运算放大器与V/F转换器将环境光强转变为与环境光强成正比的频率脉冲信号，并将数据送到单片机，单片机通过一系列的计算(根据上文的理论模型对应相应的信号灯光强与穿透度所需的电压)，就可以得到控制信号，然后将数据送到D/A 数模转换器转变成摸拟信号，送给触发器，最后由触发器驱动功率单元，使信号灯实现光源的实时调节。

本发明的有益效果为：

(1)针对交叉口驾驶员视觉环境特点，提出了“环境性视色盲”的概念，即为：由于交叉口环境变化，如昼夜交替，使得交叉口驾驶员视觉环境因光线过强而出现“眩光”效应，或因光线昏暗辨不清信号灯灯色的现象。

(2)将心理学的经典公式：韦伯-费希纳定律和建筑、航空领域的天空模型应用于交通领域，通过视觉功效实验进行环境光强与信号灯光强的匹配，实现交叉口驾驶员视觉环境的定量计算。

(3)构建信号灯随环境变化的自校正系统，系统由光敏传感器、运算放大器、V/F转换器、单片机、触发电路组成，将光敏传感器检测到的物理信息量转变为电信号脉冲，将信号传输到单片机，触发驱动功率单元，实现信号灯根据外界环境变化的自动校正。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。