一種公路隧道中間段照明中央布燈參數優化模型及方法與流程
2023-07-09 00:23:11 1
本發明涉及一種公路隧道中間段照明中央布燈參數優化模型及方法，屬於公路隧道照明節能技術研究領域。
背景技術：
隧道照明是高速公路隧道內必須安裝的設備系統，是高速公路隧道營運安全的基本保障，同時隧道照明系統又是高速公路隧道內的高能耗系統，照明能耗成本在高速公路隧道運營成本中佔有很大比重。根據《公路隧道照明設計細則》，長度大於100m的隧道均應設置照明。有關公路隧道用電量統計表明，隧道每公裡年電費為40餘萬元；隨著我國高速公路建設步伐的加快，高速公路隧道裡程還將不斷增加，巨大的照明能耗和費用既給隧道運營單位造成巨大負擔，也不符合國家倡導的「節能減排」要求。因此，對隧道照明節能進行技術研究非常具有非常重要現實意義。
我國的《公路隧道照明設計細則》只規定了隧道照明燈具的布置形式，但沒有給出燈具安裝參數的優化方法，國際照明委員會標準也存在同樣的問題。在實際隧道照明設計中，通常是憑藉經驗進行燈具的安裝，由於燈具安裝參數不合理導致照明光線不足(欠照明)或浪費(過照明)的現象較為普遍，對照明燈具的安裝參數進行優化可以避免或減少這種現象。但大部分國內外專家和學者對隧道照明的節能技術研究，主要集中在照明控制方面，而在布燈參數優化方面的研究相對較少。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種公路隧道中間段照明中央布燈參數優化模型及方法，可以實現隧道照明燈具在工作壽命內，充分發揮其照明能力，減少或避免隧道路面「過照明」、和「欠照明」現象，在滿足交通安全要求的前提下，實現隧道照明系統的節能。
為了解決上述技術問題，本發明提供了如下的技術方案：
本發明一方面公開了一種公路隧道中間段照明中央布燈參數優化模型，該優化模型以燈具的功率、安裝高度、縱向安裝間距為優化參數，以公路隧道路面照度、亮度、照度均勻度、頻閃滿足交通安全的要求為約束條件，以隧道中間段照明總功耗最小為目標。
進一步地，各燈具的型號和配光數據表均相同。
進一步地，各燈具的功率、發光效率、燈具利用係數和燈具養護係數均相同。
進一步地，各燈具的安裝高度、縱向安裝間距均相同。
進一步地，各燈具的短軸配光剖面設為c0/180配光剖面。
進一步地，各燈具安裝時，c0/180配光剖面與隧道縱向垂直。
進一步地，根據各燈具與路面計算點的位置關係，確定各燈具到路面計算點的光線與相應燈具光軸線間的夾角以及該光線所在配光剖面與相應燈具c0/180配光剖面之間的夾角。
進一步地，根據各燈具到路面計算點的光線與相應燈具光軸線間的夾角以及該光線所在配光剖面與c0/180配光剖面之間的夾角，確定各燈具在相應光線方向處的實際發光強度。
本發明的另一個方面公開了一種公路隧道中間段照明中央布燈參數優化方法，其按下列步驟進行：
s1、確定計算區域、計算用的燈具數量和坐標系
以相鄰的2盞燈具之間的路面區域為計算區域，該區域內的點為計算點，同時考慮計算區域外側相鄰的2盞燈具對計算區域內計算點照度的影響，共有4盞燈具對計算點的照度產生影響；以隧道縱向為x軸、隧道橫向為y軸、高度方向為z軸，以計算區域的中心點為原點，建立三維直角坐標系；
s2、依據燈具配光數據，確定偏離燈具光軸線γ角處的實際光強ic(γ，θ)的計算式
其中，γ為燈具光線與燈具光軸線的夾角；θ為燈具光線所在配光剖面與c0/180配光剖面的夾角；ic(γ，θ)為燈具光源處的發光強度；i1000(γ，θ)為燈具配光數據表中與γ角和θ角對應的光強值；η0為燈具光輸出率；η為燈具利用係數；m為燈具養護係數；p為燈具功率；q為燈具的發光效率；
s3、基於燈具配光數據，確定每盞燈具在隧道路面計算點b(x,y)處產生的水平照度ebi
(1)確定每盞燈具照射到隧道路面計算點b(x,y)處的光線與燈具光軸線的夾角
其中，(x,y)為b點坐標；γi(i＝1,2,3,4)為第i個燈具照到b點的光線與該燈具光軸線的夾角；h為燈具光源中心至路面的垂直距離；s為燈具縱向間距；
(2)確定每盞燈具照射到隧道路面計算點b(x,y)處的光線所在配光剖面與c0/180配光剖面的夾角
其中，θi(i＝1,2,3,4)為第i個燈具照到b點的光線所在配光剖面與該燈具c0/180配光剖面的夾角；
(3)確定每盞燈具在隧道路面計算點b(x,y)處產生的水平照度
其中，ic(γi，θi)(i＝1,2,3,4)為第i個燈具在b點光線方向的實際發光強度；
s4、確定基於燈具配光數據的公路隧道路面任一計算點的總水平照度
計算區域內任一計算點b(x,y)處的總水平照度是計算區域周邊共4盞燈具在該計算點處產生的水平照度之和，即：
s5、建立公路隧道中間段照明中央布燈參數優化模型
minp＝n·p＝lp/s
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為燈具安裝高度最小值；hmax為燈具安裝高度最大值；n為燈具總數量；p為n盞燈具的總功率；l為隧道中間段長度；e0為滿足交通要求的中間段最小照度值；emin為路面最小照度值；ecmin為隧道路面中線上的最小照度；ecmax為隧道路面中線上的最大照度；eav為隧道路面平均照度；n1為計算區域縱向等分的節點數；n2為計算區域橫向等分的節點數；u0為路面亮度總均勻度；u1為路面中線亮度縱向均勻度；α1、α2分別為燈具縱向(±x方向)的發光角度；β1、β2分別為燈具橫向(±y方向)的發光角度；d為整個隧道路面的寬度；
s6、對所得布燈參數優化值進行仿真驗證
根據優化模型求得的布燈參數優化值進行布燈，建立隧道中間段照明仿真模型並進行計算，算出隧道路面的最小照度、平均照度、亮度總均勻度、中線亮度縱向均勻度，並與標準要求值比較；與常規布燈方案比較，計算節電率。
本發明所達到的有益效果是：
本發明通過建立高速公路隧道中間段路面的水平照度模型和隧道安全運行對隧道照明系統要求的約束條件，研究了高速公路隧道照明中間段中央布燈參數之間的關係，發明了一種基於燈具配光數據的公路隧道中間段照明節能的中央布燈參數優化方法。本發明適用於完全對稱、對稱和不對稱等各種形狀配光曲線(數據)的燈具。根據所選燈具的配光數據，優化燈具的布燈參數，當燈具按照優化的布燈參數安裝時，將充分發揮照明燈具在其工作壽命內的照明能力，照明系統將在滿足交通安全要求的前提下，總能耗最小，從而降低隧道運營的能耗成本和總成本，具有明顯的經濟效益和社會效益。
附圖說明
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：
圖1是本發明的步驟流程圖；
圖2是實施例中坐標系的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1所示，一種公路隧道中間段照明中央布燈參數優化方法，其按下列步驟進行：
s1、確定計算區域、計算用的燈具數量和坐標系
以相鄰的2盞燈具之間的路面區域為計算區域，該區域內的點為計算點，同時考慮計算區域外側相鄰的2盞燈具對計算區域內計算點照度的影響，共有4盞燈具對計算點的照度產生影響；以隧道縱向為x軸、隧道橫向為y軸、高度方向為z軸，以計算區域的中心點為原點，建立三維直角坐標系；
s2、依據燈具配光數據，確定偏離燈具光軸線γ角處的實際光強ic(γ，θ)的計算式
其中，γ為燈具光線與燈具光軸線的夾角；θ為燈具光線所在配光剖面與c0/180配光剖面的夾角；ic(γ，θ)為燈具光源處的發光強度；i1000(γ，θ)為燈具配光數據表中與γ角和θ角對應的光強值；η0為燈具光輸出率；η為燈具利用係數；m為燈具養護係數；p為燈具功率；q為燈具的發光效率；
s3、基於燈具配光數據，確定每盞燈具在隧道路面計算點b(x,y)處產生的水平照度ebi
(1)確定每盞燈具照射到隧道路面計算點b(x,y)處的光線與燈具光軸線的夾角
其中，(x,y)為b點坐標；γi(i＝1,2,3,4)為第i個燈具照到b點的光線與該燈具光軸線的夾角；h為燈具光源中心至路面的垂直距離；s為燈具縱向間距；
(2)確定每盞燈具照射到隧道路面計算點b(x,y)處的光線所在配光剖面與c0/180配光剖面的夾角
其中，θi(i＝1,2,3,4)為第i個燈具照到b點的光線所在配光剖面與該燈具c0/180配光剖面的夾角；
(3)確定每盞燈具在隧道路面計算點b(x,y)處產生的水平照度
其中，ic(γi，θi)(i＝1,2,3,4)為第i個燈具在b點光線方向的實際發光強度；
s4、確定基於燈具配光數據的公路隧道路面任一計算點的總水平照度
計算區域內任一計算點b(x,y)處的總水平照度是計算區域周邊共4盞燈具在該計算點處產生的水平照度之和，即：
s5、建立公路隧道中間段照明中央布燈參數優化模型
minp＝n·p＝lp/s
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為燈具安裝高度最小值；hmax為燈具安裝高度最大值；n為燈具總數量；p為n盞燈具的總功率；l為隧道中間段長度；e0為滿足交通要求的中間段最小照度值；emin為路面最小照度值；ecmin為隧道路面中線上的最小照度；ecmax為隧道路面中線上的最大照度；eav為隧道路面平均照度；n1為計算區域縱向等分的節點數；n2為計算區域橫向等分的節點數；u0為路面亮度總均勻度；u1為路面中線亮度縱向均勻度；α1、α2分別為燈具縱向(±x方向)的發光角度；β1、β2分別為燈具橫向(±y方向)的發光角度；d為整個隧道路面的寬度；
s6、對所得布燈參數優化值進行仿真驗證
根據優化模型求得的布燈參數優化值進行布燈，建立隧道中間段照明仿真模型並進行計算，算出隧道路面的最小照度、平均照度、亮度總均勻度、中線亮度縱向均勻度，並與標準要求值比較；與常規布燈方案比較，計算節電率。
一種公路隧道中間段照明中央布燈參數優化模型，該優化模型以燈具的功率、安裝高度、縱向安裝間距為優化參數，以公路隧道路面照度、亮度、照度均勻度、頻閃滿足交通安全的要求為約束條件，以隧道中間段照明總功耗最小為目標。各燈具的型號和配光數據表均相同。
各燈具的功率、發光效率、燈具利用係數和燈具養護係數均相同。各燈具的安裝高度、縱向安裝間距均相同。各燈具的短軸配光剖面設為c0/180配光剖面。各燈具安裝時，c0/180配光剖面與隧道縱向垂直。根據各燈具與路面計算點的位置關係，確定各燈具到路面計算點的光線與相應燈具光軸線間的夾角以及該光線所在配光剖面與相應燈具c0/180配光剖面之間的夾角。根據各燈具到路面計算點的光線與相應燈具光軸線間的夾角以及該光線所在配光剖面與c0/180配光剖面之間的夾角，確定各燈具在相應光線方向處的實際發光強度。
實施例：
確定計算區域、優化計算所用燈具數量和坐標系；如圖2所示，燈具總數量為4，中間相鄰的2個燈具a2～a3之間的路面區域為計算區域。確定燈具的類型，獲取該型燈具的配光數據；燈具可以是電磁感應燈或led燈，不包括高壓/低壓鈉燈。
基於燈具配光數據，確定偏離燈具光軸線的實際光強計算式；依據燈具實際光強計算式，確定每盞燈具在隧道路面計算點產生的水平照度計算表達式：依據各計算點的坐標和各燈具的位置關係，確定各燈具到計算點的光線與相應燈具光軸線的夾角i以及該光線與相應燈具光軸線所在配光剖面與c0/180配光剖面之間的夾角i，依據i和i及相應燈具的配光數據，獲得相應燈具在計算點方向的實際光強，結合該燈具在隧道路面計算點處產生的水平照度計算表達式，得到各燈具在隧道路面計算點處產生的水平照度。
將各燈具在隧道路面計算點處產生的水平照度求和，即得到該計算點的總水平照度。
確定公路隧道照明優化的約束條件：(1)燈具布置應滿足頻閃f≤2.5hz或f≥15hz的要求。對於隧道中間段，取頻閃f≤2.5hz。(2)中間段路面亮度應不低於在設定的行車速度和交通流量下的規範最小值；(3)路面亮度總均勻度和路面中線亮度縱向均勻度應不低於《公路隧道照明設計細則》所要求的規範值。(4)燈具與隧道牆壁之間、燈具與隧道拱頂之間至少保留0.4m的距離以便燈具安裝和通風散熱。
將優化目標函數與約束條件結合，即得公路隧道照明中央布燈總能耗最小的布燈參數優化模型。優化參數包括單燈功率、燈具安裝高度和縱向安裝間距。
最後應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。