公路隧道出入口遮光自動調節系統的製作方法

2023-07-31 02:22:47 1

本發明涉及交通運輸領域，具體涉及一種公路隧道出入口遮光自動調節系統。

背景技術：

在一些山地和丘陵地區，公路隧道因其能夠減少行車裡程、節約燃油等優點被廣泛應用。由於公路隧道結構的封閉性，使隧道內外亮度差很大。當駕駛員駕駛車輛出入公路隧道時，無法快速適應這種突變的照度環境，導致在隧道出入口路段交通事故頻發。目前針對隧道出入口段遮光設施的方法很多，但多數都是固定式遮光裝置，不能根據不同的外部照度環境以及出入口處車流的速度，對遮光度進行自行調整。基於此背景，根據隧道內外不同的照度環境及車流速度，在隧道出入口段提供一種適應駕駛員視覺特性的照度逐步漸變自動遮光系統顯得尤為必要。

技術實現要素：

為了彌補已有技術的不足，本發明提供一種公路隧道出入口遮光自動調節系統。

本發明採用的技術方案是：

一種公路隧道出入口遮光自動調節系統，其特徵在於：包括有設置在隧道出入口外的遮光棚以及用於調節遮光棚遮光度的控制系統，所述控制系統包括有外部信號採集單元、AD轉換模塊、控制單元、電動機傳動系統，所述遮光棚上滑動安裝有遮光板，電動機傳動系統與遮光板控制連接；所述外部信號採集單元包括有速度信號採集單元、照度信號採集單元，速度信號採集單元包括有車輛檢測器以及與車輛檢測器的信號輸出端連接的車速信號採集單元，車輛檢測器安裝在隧道出入口上遊，照度信號採集單元包括有外部照度檢測器、內部照度檢測器以及與外部照度檢測器、內部照度檢測器的信號輸出端連接的照度信號處理單元，外部照度檢測器、內部照度檢測器分別安裝在遮光棚的上遊和遮光棚內，車速信號採集單元、照度信號處理單元的信號輸出端接入AD轉換模塊的信號輸入端；所述控制單元包括有PLC和反饋單元，反饋單元包括有霍爾傳感器以及與霍爾傳感器的信號輸出端連接的信號隔直、放大、整形電路，霍爾傳感器安裝在遮光板上，AD轉換模塊和信號隔直、放大、整形電路的信號輸出端分別接入PLC，PLC的信號輸出端連接電動機傳動系統；根據隧道內外環境照度差值以及通過隧道出入口時的交通流速度，結合駕駛員明暗適應視覺特性，確定遮光棚的遮光度，使用PLC對調整遮光板位置的相關開關量、模擬量進行控制，實現公路隧道出入口光線自動調節。

所述的一種公路隧道出入口遮光自動調節系統，其特徵在於：所述遮光板包括有間隔設置的多個上層板、多個下層板，上層板、下層板的數量一致，遮光棚的兩側還設有槽道，所述下層板固定設置在遮光棚上，上層板通過滾輪滑動安裝在槽道中，槽道的兩端分別設有限位塊。

所述的一種公路隧道出入口遮光自動調節系統，其特徵在於：所述電動機傳動系統包括有多個電動機，各電動機分別通過電機傳動裝置連接在一個上層板上，各電動機分別控制其對應的上層板在槽道上滑動。

所述的一種公路隧道出入口遮光自動調節系統，其特徵在於：所述內部光照檢測器的數量與上層板的數量一致，各內部光照檢測器分別安裝在各下層板位於上遊的一端，車輛行駛至遮光棚後，位於上遊的內部光照檢測器相對於下一個內部光照檢測器作為外部光照檢測器檢測到外部光照信號，上遊的內部光照檢測器檢測到的外部光照信號和下一個內部光照檢測器檢測到的內部光照信號同時接入照度信號處理單元進行處理。

所述的一種公路隧道出入口遮光自動調節系統，其特徵在於：所述霍爾傳感器的數量與上層板的數量一致，每個上層板上安裝一個霍爾傳感器，霍爾傳感器採集到的電動機速度以及遮光板位置的信號反饋給PLC。

電動機數量根據實際遮光長度確定，遮光長度根據實際隧道內外部環境確定。

本發明的優點是：

本發明採用自動控制單元對隧道出入口遮光進行自動控制，通過採集隧道內外光照強度及交通流速度，根據駕駛員明、暗視覺特性曲線，控制單元調節過渡段的光照強度，從而最大可能為駕駛員提供最佳視覺環境，減少交通事故的發生。

附圖說明

圖1為本發明的結構原理圖。

圖2為遮光棚外觀示意圖。

圖3為遮光板側視圖。

圖4為遮光棚自動調光原理圖。

圖5為照度信號檢測器位置圖。

圖6為系統執行流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖給出的實例對本發明作進一步詳細說明。

參照圖1，一種公路隧道出入口遮光自動調節系統，包括有設置在隧道出入口外的遮光棚以及用於調節遮光棚遮光度的控制系統，控制系統包括外部信號採集單元1、AD轉換模塊、控制單元3、電動機傳動系統4。

外部信號採集單元1包括速度信號採集單元5、照度信號採集單元6；所述速度信號採集單元包括車輛檢測器8、速度信號處理單元9；所述照度信號採集單元包括外部照度檢測器10、內部照度檢測器11、照度信號處理單元12。

AD轉換模塊採用AD轉換器2。

控制單元3包括與AD轉換器2輸出端連接的PLC13，信號隔直、放大、整形電路14、霍爾傳感器15，其中霍爾傳感器15與信號隔直、放大、整形電路14組成反饋單元7，把霍爾傳感器15採集到的電動機速度以及遮光板位置的信號反饋到PLC13。

如圖2所示為整個遮光棚外觀樣式，遮光棚包括有遮光板、槽道20，遮光板包括有間隔設置的多個上層板18、多個下層板19，上層板18、下層板19的數量一致，下層板19固定設置在遮光棚上，上層板18通過滾輪21滑動安裝在槽道20中，槽道20的兩端分別設有限位塊22。

如圖3為遮光板樣式，可以看出遮光棚包括限位塊22（限制上層板移動位置）、上層板18（可滑動）、下層板19（固定不動）、槽道20以及滾輪21。電動機16控制上層板18移動，上層板18可以通過槽道20來回移動。

電動機傳動系統4包括多臺電動機16、電動機傳動裝置17；電動機16分別與PLC13、電動機傳動裝置17連接，各電動機16分別通過電機傳動裝置17連接在一個上層板18上，各電動機16分別控制其對應的上層板18在槽道20上滑動。。

內部光照檢測器11的數量與上層板18的數量一致，各內部光照檢測器18分別安裝在各下層板19位於上遊的一端，車輛行駛至遮光棚後，位於上遊的內部光照檢測器11相對於下一個內部光照檢測器作為外部光照檢測器檢測到外部光照信號，上遊的內部光照檢測器檢測到的外部光照信號和下一個內部光照檢測器檢測到的內部光照信號同時接入照度信號處理單元12進行處理。

霍爾傳感器15的數量與上層板18的數量一致，每個上層板18上安裝一個霍爾傳感器15，霍爾傳感器15採集到的電動機速度以及遮光板位置的信號反饋給PLC。

如圖4所示，圖（a）表示遮光棚半遮光的情況，圖（b）表示遮光棚3/4遮光的情況，圖（c）表示遮光棚全遮光，以達到調節光照強度的目的。本發明對總長度為S的遮光棚以每Si為一個長度單位分段進行控制，由限位塊定位，以防止遮光板超出可移動範圍。

由於整個遮光棚總長度不變，在照度差最大以及平均速度最大的情況下設定整個遮光棚的最大長度Smax。Smax根據具體每個隧道的外部環境確定。根據檢測數據計算過渡段S長度，當SSmax時按照Smax的總長度進行調光控制。以每段遮光棚內外照度不超過規定的眩光閾值範圍為標準，使得隧道出入口段照度差逐漸減小。照度檢測器分別設置在隧道出入口內外部，如圖5所示。速度檢測器分別設置在隧道出入口上遊400米處。以保證有充足的時間調節遮光棚的照度，從而使駕駛員在平滑的照度環境下安全通過隧道出入口。由於道路車流狀態的變化是分時段的，系統每3分鐘檢測一次，遮光板進行一次調整。

本發明公路隧道出入口遮光自動調節系統的實現原理包括：

首先需要確定一般情況下遮光棚需要的總長度。為了能夠適應絕大多數環境條件，根據歷史監測數據，取隧道內、外部照度差最大以及最高限速Vmax為準則，計算遮光棚總長度Smax。

Smax=Vmax∙T

其中，T為最大照度差下駕駛員眩光恢復時間。

（1）駕駛員明、暗適應視覺特性：

Lout=1KEout（1）

Lin=1KEin（2）

式中：Lout為隧道洞外亮度，cd/m2；Lin為隧道洞內亮度，cd/m2；Eout為隧道洞外照度，lx；Ein為隧道洞內照度，lx；K為路面平均亮度與平均照度換算率，lx/(cd·m2)，瀝青混凝土路面取15—22 lx/(cd·m2)；水泥混凝土路面取10～13lx/(cd·m2)。

由李英濤等在《公路隧道出入口減光格柵段合理長度研究》結果可知隧道出、入口眩光恢復時間分別為：

Tin=0.0204∙（Eout-Ein）0.6031（3）

Tout=0.0201∙（Eout-Ein）0.6012（4）

眩光閾值TI：

TI=65∙LoutLin∙100%（5）

CIE（國際照明委員會）推薦值為：非常用路段為10%，繁忙路段為15%。根據眩光閾值TI，確定照度範圍，防止眩光。由公式（5）可知：

Lout=165∙TI∙Lin0.8（6）

前一段長度Si的外部亮度Lout，i作為下一段長度Si+1的內部亮度Lin，i（i =1、2、3……n ）。

獲得在眩光閾值TI範圍內的外部亮度，由公式（1）可換算成外部照度Eout，i（i =1、2、3……n ）；根據眩光恢復時間以及通過的車流速度確定在這個特定的照度範圍內遮光棚的長度Si（i =1、2、3……n ）。

（2）根據車流速度確定遮光棚長度：

在隧道出入口，由於受到速度管控等因素的影響，車輛的行駛車速會發生一定的變化。一般情況下機動車通過隧道的最高行駛速度是由管理單位根據路線的實際情況決定的，針對不同的道路條件有不同的限速標準。例如對於高速公路，有些與路段限速一致，有些限速為80km/h甚至更低；對於城市道路，通常限制在60km/h以下，對人車可能混行的隧道或雙向隧道，限速在40km/h以下。針對不同管理速度要求的隧道出入口的遮光設施長度應有不同的標準。

張生瑞等在基於速度控制的高速公路隧道交通安全策略中提到，在沒有限速的隧道行車過程中，在隧道入口段，大型車速度變化不大，而小型車速度會發生突變。隧道入口段，小型車速度差大於20km/h，屬於易發事故段，危險性較大。故在隧道出入口處設置自動遮光裝置，能夠減少車輛在出入隧道時，車速的大幅度變化，從而減少交通事故的發生率，增加隧道出入口處的交通安全性。

如圖2（a）所示，由於遮光棚物理性質的限制，使得車輛直接進入遮光棚的半遮光狀態。所以此臨界段（入口段為遮光棚第一段，出口段為遮光棚最後一段）的駕駛員視覺回復時間計算如下：

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，車輛在進入隧道前車速都會降到限定速度以內，以限制速度V為標準，設置隧道出入口每段遮光裝置長度為：

Sin，i=Tin∙V（9）

Sout，i=Tout∙V（10）

其中，i =1、2、3……n ，V為出入口上遊車輛的速度。

臨界段遮光棚長度為：

Sin，1=Tin,1∙V（11）

Sout，1=Tout,1∙V（12）

從而獲得隧道出入口處遮光棚總長度為：

Sin=∑Sin，i（13）

Sout=∑Sout，i（14）

2）在無限速要求的隧道，車輛接近隧道出入口時速度是不確定的，沒有可以依據的速度標準。

根據實時的速度測試得到車流的速度Vt，判斷遮光棚的長度。隧道出入口每段遮光裝置長度為：

Sin，i=Vt∙Tin（15）

Sout，i=Vt∙Tout（16）

其中，i =1、2、3……n ，Vt為出入口上遊車輛的檢測速度。

臨界段遮光棚長度為：

Sin，1=Tin,1∙Vt（17）

Sout，1=Tout,1∙Vt（18）

隧道出入口遮光棚總長度為：

Sin=∑Sin，i（19）

Sout=∑Sout，i（20）

（3）控制單元設計

設計控制電路，包括電源、信號採集部分、信號轉換部分、檢測部分和反饋階段。通過控制電路的設計，進而實現遮光棚的自動調光。

控制系統主要有PLC、霍爾傳感器、信號隔直放大整形電路組成。其中通過PLC，控制電機的啟動、停止，以及各硬體模塊的初始化。系統採用霍爾傳感器測量電機的位置和速度，將傳感器脈衝信號數據存入PLC。當遮光棚移動時，PLC接受霍爾傳感器發送的信號決定電機的轉動狀態。

通過PLC中引入霍爾傳感器，從而對信號進行分析。由於霍爾傳感器直接輸出的脈衝信號不規則，因此通過整形電路，對霍爾器件輸出的脈衝信號隔直、放大、整形成標準方波。然後將處理過的信號輸入PLC完成反饋。

具體步驟如下：

步驟1：通過外部信號採集單元分別採集到速度V、內部照度Ein、以及外部照度Eout等外部信息。

步驟2：採集車流的速度信號並進行處理。

步驟3：將採集到的外部信號進行AD轉換。

步驟4：將轉換後的信號輸入到PLC，通過PLC計算每段遮光棚的長度Si，通過PLC對每個發電機分別進行控制。

步驟5：判斷檢測計算出的遮光棚總長度S是否小於最大長度Smax，若小於按照總長度S進行調光控制，若不小於則按照最大總長度Smax進行調光控制。

步驟6：通過霍爾傳感器檢測每個單元遮光板位置，然後將檢測到的信號進行處理，反饋給PLC。

步驟7：判斷遮光板是否到達指定位置，若到達指定位置就直行步驟8，若未到達指定位置則返回步驟4。

步驟8：PLC進行各個模塊的初始化，轉移至步驟1。