隧道洞外调光方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，特别涉及一种隧道洞外调光方法。

背景技术：

驾驶者从洞外亮度较高的日光环境驶入隧道内较暗的亮度环境时，隧道内外的亮度差别使驾车面临显著的“黑洞效应”。视觉暗适应的过程中，眼睛对隧道内道路、设施、路面上障碍物的识别过程会出现暂时的中断，需要在一段时间恢复，在此过程中驾驶者对周围环境的识认能力逐步提升，直至完全适应洞内较暗的环境。为保证在一定行车速度下驾驶者进入隧道前能够识别到路面上的障碍物，通常在隧道入口段、过渡段设置不同规模的加强照明灯具以提高洞内亮度，使驾驶者逐步适应由亮变暗的光环境。洞内人工照明的实际需要亮度与洞外环境亮度成正比。洞外的环境亮度越高，洞内人工照明的亮度也需要相应提高，消耗的电能也越高。同理，驾驶者从隧道内较暗的亮度环境驶入洞外亮度较高的日光环境时，隧道内外的亮度差别使驾车面临显著的“白洞效应”，因此在隧道出口段也设置了加强照明灯具以提高洞内亮度，使驾驶者逐步适应由暗变亮的光环境。

隧道运营耗电量巨大，隧道照明系统能耗通常占实际运营能耗的绝大部分。隧道照明系统又以入口段、过渡段的加强照明灯具设备为主要能耗项，目前中国已是世界上隧道和地下工程数量最多、里程最长、发展速度最快的国家。照明电费支出成为运营单位的主要经营支出之一，给运营单位带来较大的经济压力。

一些隧道通过采用洞外遮光棚等形式降低洞外亮度，减小洞内外亮度差，从而降低洞内需要亮度，控制灯具降低发光亮度以实现节能。我国的部分城市隧道和高速公路隧道设置了洞外减光结构物，常见的洞外减光结构如钢筋混凝土格栅、遮光棚通常能提升隧道洞口的景观效果，也在一定程度上减小了洞外亮度，但对隧道照明方面的考虑不足，洞外减光结构物形式、结构长度的设计缺乏相应的理论依据，设置机理不明确，减光结构物下的路面均匀度较差，往往存在眩光现象，对驾驶安全和舒适性造成威胁。

目前对隧道洞外减光与自然光利用的研究较少，尚无通过实时调控自然光代替洞内光电照明的研究。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道洞外调光方法，通过在隧道洞口外设置调光结构，能够根据实时环境参数，使调光结构分段达到不同的计算透光率，科学合理地利用自然光为路面各区段提供加强照明各段落所需光通量。相当于在隧道洞外通过利用、调节自然光使洞外调光结构的各段落分别达到常规隧道洞内各加强照明段的需要亮度，从而使调光结构等效替代加强照明段，将光电照明转换为了自然光照明，实现加强照明零碳化，促进运营节能。

本发明的隧道洞外调光方法，包括以下步骤：

s1、在隧道进口端和出口端洞外分别设置隧道进口端洞外调光结构和隧道出口端洞外调光结构，将隧道进口端洞外调光结构沿隧道长度方向划分为第一洞外调光段、第二洞外调光段、第三洞外调光段、第四洞外调光段、第五洞外调光段，并根据隧道设计速度vt、照明停车视距ds以及隧道内净空高度h计算第一至第五洞外调光段的长度d1～d5；将隧道出口端洞外调光结构沿隧道长度方向划分为第六洞外调光段和第七洞外调光段，第六洞外调光段的长度d6和第七洞外调光段的长度d7均设定为30米；

s2、通过采集模块实时采集车流量和亮度数据，并将采集到的数据上传至运算模块；

s3、运算模块根据设计速度、设计小时交通量n以及洞外亮度l20(s)计算出第一至第五洞外调光段的实时需要亮度l1～l5以及第一至第五洞外调光段的光线透过初始值f1～f5；运算模块根据设计速度、设计小时交通量n、洞外亮度l20(s)以及中间段亮度lin计算出第六洞外调光段的实时需要亮度l6和第七洞外调光段的实时需要亮度l7以及第六洞外调光段的光线透过初始值f6和第七洞外调光段的光线透过初始值f7；

s4、运算模块将各洞外调光段的光线透过率初始值下发至调光控制模块，由调光控制模块控制各洞外调光段的光线透过率分别达到该初始计算值，则各洞外调光段的自然光分别按照不同的设定光线透过率透过相应比例的光线，为各洞外调光段下路面提供所需亮度；同时，采集模块实时测取并上传第一洞外调光段的路面亮度值l1s和第六洞外调光段下的路面亮度值l6s，由运算模块进行循环反馈控制，直至洞外各段调光结构下路面均已透过所需光通量，等效于常规隧道内相应电光加强照明的实际效果。

进一步，在步骤s1中，第一至第五洞外调光段沿隧道长度方向自外向内依次设置，第六洞外调光段和第七洞外调光段沿隧道长度方向自内向外依次设置。

进一步，第一至第五洞外调光段的长度d1～d5的计算公式分别为：

式中：d1为第一洞外调光段的长度，单位为m；d2为第二洞外调光段的长度单位为m；d3为第三洞外调光段的长度，单位为m；d4为第四洞外调光段的长度，单位为m；d5为第五洞外调光段的长度，单位为m；ds为照明停车视距，单位为m；vt为隧道设计速度，单位为km/h；vt/1.8为2s内的行驶距离；2vt/1.8为4s内的行驶距离；3vt/1.8为6s内的行驶距离；h为隧道内净空高度，单位为m。

进一步，在步骤s2中，采集模块包括洞外车流量检测器、洞外亮度检测器、洞外调光段亮度检测器。

进一步，在步骤s3中，第一至第五洞外调光段的实时需要亮度l1～l5的计算公式分别为：

l1＝k×l20(s)

l2＝0.5×k×l20(s)

l3＝0.15×l1＝0.15×k×l20(s)

l4＝0.05×l1＝0.05×k×l20(s)

l5＝0.02×l1＝0.02×k×l20(s)

式中：l1为第一洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l2为第二洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l3为第三洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l4为第四洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l5为第五洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；k为亮度折减系数；l20(s)为洞外亮度，单位为cd/m²；

第一至第五洞外调光段的光线透过初始值f1～f5根据实时洞外亮度l20(s)与所对应洞外调光段的实时需要亮度之比确定，即：

f1＝l1/l20(s)＝k；

f2＝l2/l20(s)＝0.5k＝0.5f1；

f3＝l3/l20(s)＝0.15k＝0.15f1；

f4＝l4/l20(s)＝0.05k＝0.05f1；

f5＝l5/l20(s)＝0.02k＝0.02f1。

进一步，在步骤s4中，设n＝l1s-l1＝l1s-k×l20(s)，若0≤n≤m，则第一至第五洞外调光段下路面均已透过所需光通量，等效于常规隧道内相应电光加强照明的实际效果；若n＞m，则将f1减小0.001，即f1(t)＝f1(t-1)-0.001，通过调光控制模块控制第一至第五洞外调光段的光线透过率同步变化，f2(t)＝0.5f1(t)，f3(t)＝0.15f1(t)，f4(t)＝0.05f1(t)，f5(t)＝0.02f1(t)；若n＜0，则将f1增大0.001，即f1(t)＝f1(t-1)+0.001，调光控制模块控制各洞外调光段的光线透过率同步变化；进行循环反馈控制。

进一步，m根据全年最大洞外亮度l20(s)max的取值确定，l20(s)max取值范围为(2000，6500)，m＝0.001×l20(s)max，即m取值范围为(2，6.5)。

进一步，在步骤s3中，第六洞外调光段的实时需要亮度l6和第七洞外调光段的实时需要亮度l7的计算公式分别为：

l6＝3×lin

l7＝5×lin

式中：l6为第六洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l7为第七洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；lin为中间段的亮度，单位为cd/m²；

第六洞外调光段的光线透过初始值f6和第七洞外调光段的光线透过初始值f7根据中间段的亮度lin和洞外亮度l20(s)计算，即：

f6＝l6/l20(s)＝3lin/l20(s)；

f7＝l7/l20(s)＝5lin/l20(s)＝5/3×f6。

进一步，在步骤s4中，设j＝l6s-l6＝l6s-3×lin，若0≤j≤p，则第六、第七洞外调光段下路面均已透过所需光通量，等效于常规隧道内相应电光加强照明的实际效果；

p的取值范围为(0.3×lin，0.3×lin+2)；

若j＞p，则将f6减小0.1×3lin/l20(s)，即f6(t)＝f6(t-1)-0.3×lin/l20(s)，通过调光控制模块控制第六、第七洞外调光段的光线透过率同步变化，f7(t)＝5/3×f6(t)；

若j＜0，则将f6增大0.1×3lin/l20(s)，即f6(t)＝f6(t-1)+0.3×lin/l20(s)，调光控制模块控制第六、第七洞外调光段的光线透过率同步变化，f7(t)＝5/3×f6(t)；进行循环反馈控制。

进一步，若第五洞外调光段的亮度l5小于等于中间段亮度lin的两倍，则不设置第五洞外调光段。

本发明的有益效果：本发明的隧道洞外调光方法，根据隧道各进出口加强照明段长度分段设置相同长度的隧道洞外调光结构，设置机理和理论依据明确。洞外调光结构下路面光学指标完全满足隧道照明系统设计要求，行车安全性及舒适性高。洞外光环境随时在发生变化，本方法是根据实时环境参数自动计算并动态调整当前洞外各段达到其等效段落所需透光率，透过相应光通量，实现实时动态智能调光。在隧道洞外通过利用、调节自然光使洞外调光结构的各段落分别达到常规隧道进出口内各加强照明段的需要亮度，用按需调整的洞外自然光等效替代洞内原本需要设置的加强照明段光电照明，即以自然光替代加强照明的方法取消隧道照明系统的主要能耗项(即加强照明灯具)，实现加强照明零碳化，科学减光并利用自然光，从根本上解决隧道运营耗电量巨大的问题，促进运营节能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的流程框图。

具体实施方式

本发明的隧道洞外调光方法，包括以下步骤：

s1、在隧道进口端和出口端洞外分别设置隧道进口端洞外调光结构和隧道出口端洞外调光结构，将隧道进口端洞外调光结构沿隧道长度方向划分为第一洞外调光段、第二洞外调光段、第三洞外调光段、第四洞外调光段、第五洞外调光段，并根据隧道设计速度vt、照明停车视距ds以及隧道内净空高度h计算第一至第五洞外调光段的长度d1～d5；将隧道出口端洞外调光结构沿隧道长度方向划分为第六洞外调光段和第七洞外调光段，第六洞外调光段的长度d6和第七洞外调光段的长度d7均设定为30米；

s2、通过采集模块实时采集车流量和亮度数据，并将采集到的数据上传至运算模块；

s3、运算模块根据设计速度、设计小时交通量n以及洞外亮度l20(s)计算出第一至第五洞外调光段的实时需要亮度l1～l5以及第一至第五洞外调光段的光线透过初始值f1～f5；运算模块根据设计速度、设计小时交通量n、洞外亮度l20(s)以及中间段亮度lin计算出第六洞外调光段的实时需要亮度l6和第七洞外调光段的实时需要亮度l7以及第六洞外调光段的光线透过初始值f6和第七洞外调光段的光线透过初始值f7；

s4、运算模块将各洞外调光段的光线透过率初始值下发至调光控制模块，由调光控制模块控制各洞外调光段的光线透过率分别达到该初始计算值，则各洞外调光段的自然光分别按照不同的设定光线透过率透过相应比例的光线，为各洞外调光段下路面提供所需亮度；同时，采集模块实时测取并上传第一洞外调光段的路面亮度值l1s和第六洞外调光段下的路面亮度值l6s，由运算模块进行循环反馈控制，直至洞外各段调光结构下路面均已透过所需光通量，等效于常规隧道内相应电光加强照明的实际效果。

本实施例中，在步骤s1中，第一至第五洞外调光段沿隧道长度方向自外向内依次设置，第六洞外调光段和第七洞外调光段沿隧道长度方向自内向外依次设置。

本实施例中，第一至第五洞外调光段的长度d1～d5的计算公式分别为：

式中：d1为第一洞外调光段的长度，单位为m；d2为第二洞外调光段的长度单位为m；d3为第三洞外调光段的长度，单位为m；d4为第四洞外调光段的长度，单位为m；d5为第五洞外调光段的长度，单位为m；ds为照明停车视距，单位为m；vt为隧道设计速度，单位为km/h；vt/1.8为2s内的行驶距离；2vt/1.8为4s内的行驶距离；3vt/1.8为6s内的行驶距离；h为隧道内净空高度，单位为m。本实施例的照明停车视距ds的取值参见表1。

表1照明停车视距ds(m)

本实施例中，在步骤s2中，采集模块包括洞外车流量检测器、洞外亮度检测器、洞外调光段亮度检测器。

本实施例中，在步骤s3中，第一至第五洞外调光段的实时需要亮度l1～l5的计算公式分别为：

l1＝k×l20(s)

l2＝0.5×k×l20(s)

l3＝0.15×l1＝0.15×k×l20(s)

l4＝0.05×l1＝0.05×k×l20(s)

l5＝0.02×l1＝0.02×k×l20(s)

式中：l1为第一洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l2为第二洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l3为第三洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l4为第四洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l5为第五洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；k为亮度折减系数；l20(s)为洞外亮度，单位为cd/m²；本实施例的亮度折减系数k的取值参见表2。

表2亮度折减系数k

注：当交通量在其中间值时，按线性内插取值。

第一至第五洞外调光段的光线透过初始值f1～f5根据实时洞外亮度l20(s)与所对应洞外调光段的实时需要亮度之比确定，即：

f1＝l1/l20(s)＝k；

f2＝l2/l20(s)＝0.5k＝0.5f1；

f3＝l3/l20(s)＝0.15k＝0.15f1；

f4＝l4/l20(s)＝0.05k＝0.05f1；

f5＝l5/l20(s)＝0.02k＝0.02f1。

本实施例中，在步骤s4中，设n＝l1s-l1＝l1s-k×l20(s)，若0≤n≤m，则第一至第五洞外调光段下路面均已透过所需光通量，等效于常规隧道内相应电光加强照明的实际效果；若n＞m，则将f1减小0.001，即f1(t)＝f1(t-1)-0.001，通过调光控制模块控制第一至第五洞外调光段的光线透过率同步变化，f2(t)＝0.5f1(t)，f3(t)＝0.15f1(t)，f4(t)＝0.05f1(t)，f5(t)＝0.02f1(t)；若n＜0，则将f1增大0.001，即f1(t)＝f1(t-1)+0.001，调光控制模块控制各洞外调光段的光线透过率同步变化；进行循环反馈控制。

本实施例中，m根据全年最大洞外亮度l20(s)max的取值确定，l20(s)max取值范围为(2000，6500)，m＝0.001×l20(s)max，即m取值范围为(2，6.5)。

本实施例中，在步骤s3中，第六洞外调光段的实时需要亮度l6和第七洞外调光段的实时需要亮度l7的计算公式分别为：

l6＝3×lin

l7＝5×lin

式中：l6为第六洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；l7为第七洞外调光段的亮度，单位为cd/m²；lin为中间段的亮度，单位为cd/m²；本实施例的中间段亮度lin的取值参见表3。

表3中间段亮度表lin(cd/m²)

第六洞外调光段的光线透过初始值f6和第七洞外调光段的光线透过初始值f7根据中间段的亮度lin和洞外亮度l20(s)计算，即：

f6＝l6/l20(s)＝3lin/l20(s)；

f7＝l7/l20(s)＝5lin/l20(s)＝5/3×f6。

本实施例中，在步骤s4中，设j＝l6s-l6＝l6s-3×lin，若0≤j≤p，则第六、第七洞外调光段下路面均已透过所需光通量，等效于常规隧道内相应电光加强照明的实际效果；

p的取值范围为(0.3×lin，0.3×lin+2)；

若j＞p，则将f6减小0.1×3lin/l20(s)，即f6(t)＝f6(t-1)-0.3×lin/l20(s)，通过调光控制模块控制第六、第七洞外调光段的光线透过率同步变化，f7(t)＝5/3×f6(t)；

若j＜0，则将f6增大0.1×3lin/l20(s)，即f6(t)＝f6(t-1)+0.3×lin/l20(s)，调光控制模块控制第六、第七洞外调光段的光线透过率同步变化，f7(t)＝5/3×f6(t)；进行循环反馈控制。

本实施例中，若第五洞外调光段的亮度l5小于等于中间段亮度lin的两倍，则不设置第五洞外调光段。

实施例一：

假定一长3km的单洞单向两车道隧道，设计时速为80km/h，设计小时交通量n为1200veh/(h·ln)，纵坡为0％，隧道内净空高度为7m，洞外亮度l20(s)max＝4000cd/m²，当前实时洞外亮度l20(s)＝3000cd/m²。根据表1可得，照明停车视距ds＝100m；根据表2可得，亮度折减系数k＝0.035；根据表3可得，中间段亮度lin＝3.5。

根据本发明所述算法计算：

d6＝30m

d7＝30m

当l5≤2lin(2lin＝7cd/m²)，不设置第五洞外调光段。经计算，l5＝0.02×l1＝0.02×k×l20(s)＝0.02×0.035×4000cd/m²＝2.8cd/m²，即l5＜7cd/m²，故不设置第五洞外调光段，d5＝0m。传感单元实时测取上传的参数包括车流量数据、第一洞外调光段区域路面实测亮度值l1s、第六洞外调光段区域路面实测亮度值l6s、隧道进出口端实时洞外亮度值l20(s)。

第一至第四洞外调光段及第六、第七洞外调光段的光线透过率初始值分别为：f1＝k＝0.035；f2＝0.5k＝0.0175；f3＝0.15k＝0.00525；f4＝0.05k＝0.00175；f6＝3lin/l20(s)＝0.0035；f7＝5lin/l20＝0.00583。

运算模块将f1～f7取值下发至调光控制模块，由调光控制模块控制各洞外调光段的光线透过率分别达到该值，则各洞外调光段的自然光分别按照不同光线透过率透过相应比例的光线，为各洞外调光段下路面提供所需亮度。

隧道进口端的洞外调光段循环进行反馈控制：n＝l1s-l1＝l1s-k×l20(s)＝l1s-105，若0≤n≤m，已知l20(s)max＝4000cd/m²，m＝0.001×l20(s)max＝4cd/m²，即0≤n≤4，则第一至第四洞外调光段下路面均已透过所需光通量(实际亮度略大于计算所需亮度)，等效于常规隧道内相应电光加强照明的实际效果；若n＞4，则f1(t)＝f1(t-1)-0.001＝0.035-0.001＝0.034，调光控制模块控制第一至第四洞外调光段的光线透过率同步变化，f2(t)＝0.5f1(t)＝0.5×0.034＝0.017；f3(t)＝0.15f1(t)＝0.15×0.034＝0.0051；f4(t)＝0.05f1(t)＝0.05×0.034＝0.0017；若n＜0，则f1(t)＝f1(t-1)+0.001＝0.035+0.001＝0.036，调光控制模块控制第一至第四洞外调光段的光线透过率同步变化，f2(t)＝0.5f1(t)＝0.5×0.036＝0.018；f3(t)＝0.15f1(t)＝0.15×0.036＝0.0054；f4(t)＝0.05f1(t)＝0.05×0.036＝0.0018；如此循环反馈控制，直至0≤n≤4后，仍持续反馈。

隧道出口端的洞外调光段循环进行反馈控制：j＝l6s-l6＝l6s-3×lin＝l6s-10.5，若0≤j≤2，则第六、第七洞外调光段下路面均已透过所需光通量(实际亮度略大于计算所需亮度)，等效于常规隧道内相应电光加强照明的实际效果。p的取值范围为(1.05，3.05)；若j＞2，则f6(t)＝f6(t-1)-0.3×lin/l20(s)＝0.0035-0.00035＝0.00315，调光控制模块控制第六、第七洞外调光段的光线透过率同步变化，f7(t)＝5/3×f6(t)＝0.00525；若j＜0，则f6(t)＝f6(t-1)+0.3×lin/l20(s)＝0.0035+0.00035＝0.00385，调光控制模块控制第六、第七洞外调光段的光线透过率同步变化，f7(t)＝5/3×f6(t)＝0.00642；如此循环反馈控制，直至0≤j≤2后，仍持续反馈。

由此，隧道进出口端各洞外调光段均通过实时调整相应段落的光线透过率为洞外调光段提供常规隧道内电光加强照明段所需的亮度，以自然光替代电光照明，实现对自然光的科学利用，大幅节约能源消耗。

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。