一种公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法与流程

本发明属于隧道照明技术领域，具体涉及一种公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法。

背景技术：

隧道照明是高速公路隧道内必须安装的设备系统，是高速公路隧道营运安全的基本保障，根据《公路隧道照明设计细则》，长度大于100m的隧道均应设置照明系统。同时，隧道照明系统又是高速公路隧道内的高能耗系统，照明能耗成本在高速公路隧道运营成本中占有很大比重。有关公路隧道用电量统计表明，隧道每公里年电费为40余万元；随着我国高速公路建设步伐的加快，高速公路隧道里程还将不断增加，巨大的照明能耗和费用既给隧道运营单位造成巨大负担，也不符合国家倡导的“节能减排”要求。因此，对隧道照明节能进行技术研究具有非常重要的现实意义。

我国的《公路隧道照明设计细则》只规定了隧道照明灯具的布置形式，但没有给出灯具安装参数的优化方法，国际照明委员会标准也存在同样的问题。在实际隧道照明设计中，通常是凭借经验进行灯具的安装，因此，灯具安装参数常常不合理，由此导致照明光线不足(欠照明)或浪费(过照明)的现象较为普遍。

因此，如何有效解决上述问题，对隧道布灯参数进行优化，从而在满足照明的前提下，降低公路隧道能耗成本，提高公路隧道运行水平，是目前迫切需要解决的事情。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法，包括以下步骤：

步骤一：建立坐标系：以隧道纵向为x轴、隧道横向为y轴、高度方向为z轴，建立三维直角坐标系；

对于待优化的隧道中间段，设其长度为l；

设在隧道中间段左右两侧对称布置两排灯具，分别为左排灯具和右排灯具；其中，左排灯具和右排灯具的横向间距为d1，每排灯具的纵向间距相同，为s；假设隧道中间段共布置灯具数量为n个，因此，左排灯具按顺序依次记为：z1、z2…zn/2，各灯具在路面的投影点依次记为o1、o2…on/2；右排灯具按顺序依次记为：y1、y2…yn/2，各灯具在路面的投影点依次记为o1’、o2’…on/2’；

以相邻的4盏灯具在路面的投影点所围成的区域沿y轴的外延有效隧道路面区域称为计算区域，因此，隧道中间段被划分为l/s个计算区域，分别为计算区域j1、计算区域j2…计算区域jl/s；即：计算区域j1为投影点o1、投影点o2、投影点o2’和投影点o1’围成的区域沿y轴的外延有效隧道路面区域；计算区域j2为投影点o3、投影点o4、投影点o4’和投影点o3’围成的区域沿y轴的外延有效隧道路面区域；依此类推，计算区域jl/s为投影点ol/s、投影点ol/s+1、投影点ol/s+1’和投影点ol/s’围成的区域沿y轴的外延有效隧道路面区域；

步骤二：对于位于两端的计算区域j1和计算区域jl/s，作以下处理：

对于计算区域j1，在投影点o1左侧的属于过渡区域的相邻灯具记为z0，其在路面的投影点记为o0；在投影点o1’左侧的属于过渡区域的相邻灯具记为y0，其在路面的投影点记为o0’；

对于计算区域jl/s，在投影点ol/s+1右侧的属于过渡区域的相邻灯具记为z00，其在路面的投影点记为o00；在投影点ol/s+1’右侧的属于过渡区域的相邻灯具记为y00，其在路面的投影点记为o00’；

因此，对于计算区域j1，对应的8个最相邻灯具依次为z0y0z1y1z2y2z3y3，依次记为计算区域j1第1灯具、计算区域j1第2灯具…计算区域j1第8灯具；

对于计算区域j2，对应的8个最相邻灯具依次为z1y1z2y2z3y3z4y4，依次记为计算区域j2第1灯具、计算区域j2第2灯具…计算区域j2第8灯具；

对于计算区域j3，对应的8个最相邻灯具依次为z2y2z3y3z4y4z5y5，依次记为计算区域j3第1灯具、计算区域j3第2灯具…计算区域j3第8灯具；

依此类推，直到计算区域jl/s-1，对应的8个最相邻灯具依次为zl/s-2yl/s-2zl/s-1yl/s-1zl/syl/szl/s+1yl/s+1；依次记为计算区域jl/s-1第1灯具、计算区域jl/s-1第2灯具…计算区域jl/s-1第8灯具；

对于计算区域jl/s，对应的8个最相邻灯具依次为zl/s-1yl/s-1zl/syl/szl/s+1yl/s+1z00y00；依次记为计算区域jl/s第1灯具、计算区域jl/s第2灯具…计算区域jl/s第8灯具；

步骤三：依据灯具配光数据，确定偏离灯具光轴线γ角处的实际发光光强ic(γ，θ)的计算式：

其中，γ为灯具光线与灯具光轴线的夹角；θ为灯具光线所在配光剖面与c0/180配光剖面的夹角；ic(γ，θ)为灯具光源处的发光强度；i1000(γ，θ)为灯具配光数据表中与γ角和θ角对应的光强值；η0为灯具光输出率；η为灯具利用系数；m为灯具养护系数；p为单个灯具功率；q为灯具的发光效率；

步骤四：对于每个计算区域内任意的隧道路面计算点b(x,y)，采用以下方法确定与该计算区域对应的最相邻的8个灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度ebi：

(1)确定各盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线与灯具光轴线的夹角：

(2)确定各盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线所在配光剖面与c0/180配光剖面的夹角：

(3)确定各盏灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度：

其中：(x,y)为b点坐标；γi为计算区域第i灯具照到b点的光线与该灯具光轴线的夹角；θi为计算区域第i灯具照到b点的光线所在配光剖面与该灯具c0/180配光剖面的夹角；ic(γiθi)为第i灯具在b点光线方向的实际发光强度；h为灯具光源中心至路面的垂直距离；s为灯具纵向间距；d1为灯具横向间距；ξ为灯具光轴线在c0/180配光剖面内的仰角；

步骤五：确定基于灯具配光数据的公路隧道路面任一计算点的总水平照度：

计算区域内任一计算点b(x,y)处的总水平照度eb是计算区域周边共8盏灯具在该计算点处产生的水平照度之和，即：

步骤六：建立公路隧道中间段照明对称布灯参数优化模型：

minp＝n·p＝[(2l/s)+2]·p

emin＝min{ei,j},i＝1,2,...,n1,j＝1,2,...,n2

ecmin＝min{ei,j},i＝1,2,...,n1,j＝n2/2

ecmax＝max{ei,j},i＝1,2,...,n1,j＝n2/2

其中，hmin为灯具安装高度最小值；hmax为灯具安装高度最大值；n为隧道中间段安装的灯具总数量；p为n盏灯具的总功率；l为隧道中间段长度；e0为满足交通要求的中间段最小照度值；emin为路面最小照度值；ecmin为隧道路面中线上的最小照度；ecmax为隧道路面中线上的最大照度；eav为隧道路面平均照度；n1为计算区域纵向等分的节点数；n2为计算区域横向等分的节点数；u0为路面亮度总均匀度；u1为路面中线亮度纵向均匀度；α1、α2分别为灯具纵向沿x方向和-x方向的发光角度；β1、β2分别为灯具横向沿y方向和-y方向的发光角度；r为隧道洞身截面拱弧半径，单位为米；d为整个隧道路面的宽度；v为行车速度；h0为隧道净高；对于ei,j中的i代表纵向等分节点编号；j代表横向等分节点编号；ei,j代表第j行第j列节点的照度；

步骤七：通过步骤一-步骤六，得到以下优化的布灯参数：灯具的功率、安装高度、纵向安装间距、横向安装间距和安装仰角。

优选的，隧道中间段所安装的各灯具的型号和配光数据均相同。

优选的，隧道中间段所安装的各灯具的功率、发光效率、灯具利用系数和灯具养护系数均相同。

优选的，隧道中间段所安装的各灯具的安装高度、纵向安装间距、横向安装间距和安装仰角均相同。

优选的，灯具的c0/180配光剖面指各灯具的短轴配光剖面。

优选的，各灯具安装时，c0/180配光剖面与隧道纵向垂直。

优选的，根据各灯具与路面计算点的位置关系，确定各灯具到路面计算点的光线与相应灯具光轴线间的夹角以及该光线所在配光剖面与相应灯具c0/180配光剖面之间的夹角。

优选的，步骤三中，根据各灯具到路面计算点的光线与相应灯具光轴线间的夹角以及该光线所在配光剖面与c0/180配光剖面之间的夹角，确定各灯具在相应光线方向处的实际发光强度。

优选的，还包括：

步骤八：对优化得到的布灯参数进行仿真验证。

优选的，步骤八具体为：

根据公路隧道中间段照明对称布灯参数优化模型求得的布灯参数优化值进行布灯，建立隧道中间段照明仿真模型并进行计算，计算出隧道路面的最小照度、平均照度、亮度总均匀度、中线亮度纵向均匀度，并与标准要求值比较，验证其是否符合相应的标准要求。

本发明提供的一种公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法具有以下优点：

本发明根据所选灯具的配光数据，优化灯具的布灯参数，当灯具按照优化的布灯参数安装时，照明系统将在满足交通安全要求的前提下，总能耗最小，从而降低隧道运营的能耗成本和总成本，具有明显的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明提供的一种公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法的流程示意图；

图2为应用本发明公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法时采用的坐标系和计算区域的布置图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

本发明提供一种公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法，是一种基于灯具配光数据、通过优化隧道照明对称布灯参数来实现节能的技术，属于公路隧道照明节能技术研究领域，本发明的研究成果将对降低公路隧道能耗成本、提高公路隧道运行水平具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

本发明提供的一种公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法，以我国《公路隧道照明设计细则》(jtg/td70/2-01-2014)为依据，基于灯具配光数据对高速公路隧道中间段照明对称布灯参数进行优化以达到节能的目的。主要构思为：根据灯具配光数据分别建立各灯在公路隧道路面计算区域内任一点产生的水平照度和总水平照度，然后，以灯具的功率、安装高度、纵向安装间距、横向安装间距、安装仰角为优化参数，以隧道路面照度、亮度、照度均匀度、频闪等满足交通安全的要求为优化约束条件，以隧道中间段照明总功耗最小为目标，建立基于灯具配光数据的对称布灯参数优化模型，得到对称布灯方式的优化布灯参数，包括单灯功率、灯具安装高度、纵向安装间距、横向安装间距和安装仰角等，使照明灯具在其工作寿命期间，充分发挥照明能力，实现照明系统的节能。本发明的显著效果是：根据所选灯具的配光数据，优化灯具的布灯参数，当灯具按照优化的布灯参数安装时，照明系统将在满足交通安全要求的前提下，总能耗最小，从而降低隧道运营的能耗成本和总成本，具有明显的经济效益和社会效益。

参考图1，本发明提供的公路隧道中间段照明对称布灯参数优化方法，包括以下步骤：

步骤一：建立坐标系：以隧道纵向为x轴、隧道横向为y轴、高度方向为z轴，建立三维直角坐标系；

对于待优化的隧道中间段，设其长度为l；

设在隧道中间段左右两侧对称布置两排灯具，分别为左排灯具和右排灯具；其中，左排灯具和右排灯具的横向间距为d1，每排灯具的纵向间距相同，为s；假设隧道中间段共布置灯具数量为n个，因此，左排灯具按顺序依次记为：z1、z2…zn/2，各灯具在路面的投影点依次记为o1、o2…on/2；右排灯具按顺序依次记为：y1、y2…yn/2，各灯具在路面的投影点依次记为o1’、o2’…on/2’；

以相邻的4盏灯具在路面的投影点所围成的区域沿y轴的外延有效隧道路面区域称为计算区域。为方便说明计算区域的含义，参考图2，左排灯具依次为：z1、z3、z5和z7，其在路面的投影点依次为o1、o2、o3和o4；右排灯具依次为：y1、y2、y3和y4，其在路面的投影点依次为o1’、o2’、o3’和o4’。对于相邻的4个灯具，z2、z3、y3和y2，其在路面的投影点所围成的区域为o2-o3-o3’-o2’，其沿y轴的外延有效隧道路面区域为b2-b3-b3’-b2’，即：b2-b3-b3’-b2’为1个计算区域。

因此，隧道中间段被划分为l/s个计算区域，分别为计算区域j1、计算区域j2…计算区域jl/s；即：计算区域j1为投影点o1、投影点o2、投影点o2’和投影点o1’围成的区域沿y轴的外延有效隧道路面区域；计算区域j2为投影点o3、投影点o4、投影点o4’和投影点o3’围成的区域沿y轴的外延有效隧道路面区域；依此类推，计算区域jl/s为投影点ol/s、投影点ol/s+1、投影点ol/s+1’和投影点ol/s’围成的区域沿y轴的外延有效隧道路面区域；

步骤二：对于位于两端的计算区域j1和计算区域jl/s，作以下处理：

对于计算区域j1，在投影点o1左侧的属于过渡区域的相邻灯具记为z0，其在路面的投影点记为o0；在投影点o1’左侧的属于过渡区域的相邻灯具记为y0，其在路面的投影点记为o0’；

对于计算区域jl/s，在投影点ol/s+1右侧的属于过渡区域的相邻灯具记为z00，其在路面的投影点记为o00；在投影点ol/s+1’右侧的属于过渡区域的相邻灯具记为y00，其在路面的投影点记为o00’；

因此，对于计算区域j1，对应的8个最相邻灯具依次为z0y0z1y1z2y2z3y3，依次记为计算区域j1第1灯具、计算区域j1第2灯具…计算区域j1第8灯具；

对于计算区域j2，对应的8个最相邻灯具依次为z1y1z2y2z3y3z4y4，依次记为计算区域j2第1灯具、计算区域j2第2灯具…计算区域j2第8灯具；

对于计算区域j3，对应的8个最相邻灯具依次为z2y2z3y3z4y4z5y5，依次记为计算区域j3第1灯具、计算区域j3第2灯具…计算区域j3第8灯具；

依此类推，直到计算区域jl/s-1，对应的8个最相邻灯具依次为zl/s-2yl/s-2zl/s-1yl/s-1zl/syl/szl/s+1yl/s+1；依次记为计算区域jl/s-1第1灯具、计算区域jl/s-1第2灯具…计算区域jl/s-1第8灯具；

对于计算区域jl/s，对应的8个最相邻灯具依次为zl/s-1yl/s-1zl/syl/szl/s+1yl/s+1z00y00；依次记为计算区域jl/s第1灯具、计算区域jl/s第2灯具…计算区域jl/s第8灯具；

本发明中，对于计算区域内任意的隧道路面计算点，共有最相邻的8盏灯具对计算点的照度产生影响，8盏灯具分别为：形成计算区域的相邻的4盏灯具、计算区域左侧相邻的2盏灯具以及计算区域右侧相邻的2盏灯具。

而对于隧道中间段位于两端的计算区域j1和计算区域jl/s，需要进行特殊处理，即：对于计算区域j1，为得到8盏最相邻灯具，需要将属于左侧过渡区域的2个相邻灯具考察进来；对于计算区域jl/s，为得到8盏最相邻灯具，需要将属于右侧过渡区域的2个相邻灯具考察进来；由于隧道中间段涉及到的灯具数量较多，因此，进行上述处理的误差非常小，不会对布灯参数结果产生影响。

步骤三：依据灯具配光数据，确定偏离灯具光轴线γ角处的实际发光光强ic(γ，θ)的计算式：

其中，γ为灯具光线与灯具光轴线的夹角；θ为灯具光线所在配光剖面与c0/180配光剖面的夹角；ic(γ，θ)为灯具光源处的发光强度；i1000(γ，θ)为灯具配光数据表中与γ角和θ角对应的光强值；η0为灯具光输出率；η为灯具利用系数；m为灯具养护系数；p为单个灯具功率；q为灯具的发光效率；

步骤四：对于每个计算区域内任意的隧道路面计算点b(x,y)，采用以下方法确定与该计算区域对应的最相邻的8个灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度ebi：

(1)确定各盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线与灯具光轴线的夹角：

(2)确定各盏灯具照射到隧道路面计算点b(x,y)处的光线所在配光剖面与c0/180配光剖面的夹角：

(3)确定各盏灯具在隧道路面计算点b(x,y)处产生的水平照度：

其中：(x,y)为b点坐标；γi为计算区域第i灯具照到b点的光线与该灯具光轴线的夹角；θi为计算区域第i灯具照到b点的光线所在配光剖面与该灯具c0/180配光剖面的夹角；ic(γiθi)为第i灯具在b点光线方向的实际发光强度；h为灯具光源中心至路面的垂直距离；s为灯具纵向间距；d1为灯具横向间距；ξ为灯具光轴线在c0/180配光剖面内的仰角；

步骤五：确定基于灯具配光数据的公路隧道路面任一计算点的总水平照度：

计算区域内任一计算点b(x,y)处的总水平照度eb是计算区域周边共8盏灯具在该计算点处产生的水平照度之和，即：

步骤六：建立公路隧道中间段照明对称布灯参数优化模型：

minp＝n·p＝[(2l/s)+2]·p

emin＝min{ei,j},i＝1,2,...,n1,j＝1,2,...,n2

ecmin＝min{ei,j},i＝1,2,...,n1,j＝n2/2

ecmax＝max{ei,j},i＝1,2,...,n1,j＝n2/2

其中，hmin为灯具安装高度最小值；hmax为灯具安装高度最大值；n为隧道中间段安装的灯具总数量；p为n盏灯具的总功率；l为隧道中间段长度；e0为满足交通要求的中间段最小照度值；emin为路面最小照度值；ecmin为隧道路面中线上的最小照度；ecmax为隧道路面中线上的最大照度；eav为隧道路面平均照度；n1为计算区域纵向等分的节点数；n2为计算区域横向等分的节点数；u0为路面亮度总均匀度；u1为路面中线亮度纵向均匀度；α1、α2分别为灯具纵向沿x方向和-x方向的发光角度；β1、β2分别为灯具横向沿y方向和-y方向的发光角度；r为隧道洞身截面拱弧半径，单位为米；d为整个隧道路面的宽度；v为行车速度；h0为隧道净高；对于ei,j中的i代表纵向等分节点编号；j代表横向等分节点编号；ei,j代表第j行第j列节点的照度；

上述约束条件主要体现的思想包括：(1)中间段路面亮度应不低于在设定的行车速度和交通流量下的规范最小值；(2)路面亮度总均匀度和路面中线亮度纵向均匀度应不低于《公路隧道照明设计细则》所要求的规范值。(3)灯具与隧道墙壁之间、灯具与隧道拱顶之间至少保留0.4m的距离以便灯具安装和通风散热。

步骤七：通过步骤一-步骤六，得到以下优化的布灯参数：灯具的功率、安装高度、纵向安装间距、横向安装间距和安装仰角。

还包括：步骤八：对优化得到的布灯参数进行仿真验证。

步骤八具体为：

根据公路隧道中间段照明对称布灯参数优化模型求得的布灯参数优化值进行布灯，建立隧道中间段照明仿真模型并进行计算，计算出隧道路面的最小照度、平均照度、亮度总均匀度、中线亮度纵向均匀度，并与标准要求值比较，验证其是否符合相应的标准要求。当然，也可以与常规布灯方案比较，从而证实本发明布灯方案的节能性能。

本发明中，隧道中间段是指除去隧道头部区域和隧道尾部区域的中间区域，在该区域中，所安装的各灯具的型号和配光数据均相同。灯具可以是电磁感应灯或led灯，不包括高压/低压钠灯。所安装的各灯具的功率、发光效率、灯具利用系数和灯具养护系数均相同。所安装的各灯具的安装高度、纵向安装间距、横向安装间距和安装仰角均相同。因此，对于隧道中间段，尤其适合本发明提供的照明对称布灯参数优化方法。

本发明的目的在于提供一种根据灯具配光数据优化隧道中间段照明对称布灯参数，从而实现节能的方法，该方法可以实现隧道照明灯具在工作寿命内，充分发挥其照明能力，减少或避免隧道路面“过照明”、和“欠照明”现象，在满足交通安全要求的前提下，实现隧道照明系统的节能。

本发明的显著效果是：适用于完全对称、对称和不对称等各种形状配光曲线(数据)的灯具。根据所选灯具的配光数据，优化灯具的布灯参数，当灯具按照优化的布灯参数安装时，将充分发挥照明灯具在其工作寿命内的照明能力，照明系统将在满足交通安全要求的前提下，总能耗最小，从而降低隧道运营的能耗成本和总成本，具有明显的经济效益和社会效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。