公路隧道出入口灯光配置优化及其控制系统研究.docx

1、公路隧道出入口灯光配置优化及其控制系统研究一、课题名称：西双版纳傣族自治州人民医院 何梅 找人代写职称论文 代发，写完论文不付款，特此公告。 此文章与此无关。公路隧道出入口灯光配置优化及其控制系统研究国家级科研项目省（部）级科研项目横向课题自选课题二、课题研究的依据及意义（包括所选课题目前在国内外研究现状及水平等）1、课题研究的背景和意义隧道照明系统是高速公路交通工程中一个重要的系统，隧道光照环境的优劣对保障行车安全具有重要的作用。目前，在国内中、长和以上的高速公路隧道均设置照明灯具，并依据规范通常把隧道分为入口段、过渡段、中间段和出口段等四个段来设计照明。设计中各段的长度和照度是从全年行车安

2、全要求出发，一般是以全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定隧道内各段的灯具功率和灯具分布密度的，对于如天气、车速、车流量等参数只是在设计阶段给予以最大值考虑，导致各段照明的长度和照度也始终是处于最大值状态。在控制方面，由于受线路布线回路的限制，只能做到2、3级人工或自动控制，对于天气、车速、车流量等时变参数无法从宏观上对整个隧道的照明进行自适应方式调制。因此，传统的隧道照明系统能够实现照明自动控制的非常有限，并且普遍存在着能源浪费、配光设计不合理等问题。公路隧道的主要功能是服务于人和车的通行，其间照明的作用是为了减小或消除驾驶员因隧道内外光线的明暗而引起视觉上的差异，确保车辆在白天和夜间行驶的交

3、通安全。然而由于照明设计和照明控制上的局限，使得当前有相当一部分公路隧道的人工照明在照明亮度水平和亮度级差分布上存在不合理现象，这一方面造成了照明电能的大量浪费，使照明费用成为运营管理部门的一笔沉重负担；另一方面，内外亮度的极大反差以及内部区段亮度级差的不合理分布，使驾驶员接近、穿越和通过隧道出入口的行车过程中产生种种视觉问题1，严重时会导致交通事故的发生。由此可见，公路隧道出入口亮度分布(灯光配置)的优化对减小隧道内外亮度差、降低照明能耗、保障行车安全具有重要的意义。本课题以国家自然科学基金项目流动空间人工光环境优化与节能控制研究（51178373）为依托，开展公路隧道出入口灯光配置优化及照

4、明控制系统研究。意在通过本课题的研究建立能够依据隧道内外亮度动态调整出入口照明灯具开启数目的灯光配置优化模型，探索约束条件下即内外亮度差最小、开启灯数量最少目标下灯光配置的优化和调度算法，并将此研究成果应用于隧道出入口的照明控制中，研发照明控制系统，实现隧道出入口照明的智能控制。2、国外研究现状照明控制问题的研究和探索已经走过了漫长的过程。回顾照明控制的发展过程，会发现照明控制自人类使用电能照明开始就已渗透其中，从最初的手工开关控制到后来的照明自动控制和智能控制，无不体现着人类对照明实施智能化控制的追求，并在这一追求的驱动下不断地探索照明控制领域的新理论和新方法。国外在照明控制和照明技术方面的

5、研究和实践起步较早，技术相对成熟。早在20世纪60年代在意、法两国之间的MontBlanc隧道就有了依据交通量、速度和洞外亮度进行隧道照明自动调光的应用2，随后照明控制成为照明界和控制界的关注点。尤其是在近十年来，照明技术、视觉理论和智能控制在照明领域的研究和应用越来越广泛，并出现了一系列的研究成果3-16。如在照明理论和技术方面，Ito, Hayato3等基于计算机图形理论研究了公路隧道照明亮度对比临界值的确定问题；Pachamanov4等针对隧道照明设计中的照度分布问题提出一种基于照明装置的几何参数和路面反射特性的线性优化算法；Leitao5 等提出了一种利用遗传算法优化隧道各区段照明灯具

6、分布的方法；Sermin6等论述了隧道洞口建筑物对隧道的减光作用；L.M. Gil-Martin7等研究了隧道洞外加装半透明聚酯膜对降低隧道入口段和过渡段的亮度从而降低照明能耗的作用。在视觉理论方面，Miomir Kostic8等利用中间视觉理论分析对比了照明的经济和技术因素；Varady9等通过对中间视觉特性的分析，提出了照明的优化方法。在照明控制方面，Cziker A. 10等采用模糊控制实现了人工照明和自然采光互补的节能照明；Robson R. 11等将人工神经网络(ANN)应用于照明系统，实现人工照明接近于自然光的效果；Y.J. Wen 12等以照明节能和用户满意为约束条件，采用线性规

7、划方法研究照明的智能优化问题；M.S. Pan13-16等基于无线传感网络和BACnet网络构建照明控制系统，实现照明的智能控制和照明节能；另外，在应用系统方面，随着技术的相对成熟及相应规范的出台，一些专业公司推出了应用于某一领域的照明控制系统，如澳大利亚邦齐公司的Dynalite控制系统、瑞士ABB公司的I-Bus系统、加拿大Dellux Technologies公司的Intelligent Tunnel Lighting System ITL-500(智能照明系统)和美国路创公司的GRAFIK系统等。目前，国外照明控制方式大致可分为手动控制方式、分时段进行的时序控制方式和根据洞内外的亮度值

8、自动控制照明回路的全自动控制方式两种，并逐渐由逻辑分组控制向根据隧道交通流量、行车速度、天气情况等因素的智能控制网络技术发展。3、国内研究现状国内对照明理论和控制技术的研究虽然起步较晚，但在该领域的研究十分活跃。借鉴国外公路隧道的成功经验和先进技术，交通部于2000年1月正式颁布了公路隧道通风照明设计规范(JTJ026.1-1999) 17。自该规范颁布后，国内学者的主要研究方向不再集中于照明系统的设计而是照明系统的控制，从各自领域提出了一系列解决照明控制及相关问题的理论和方法，以实现照明系统的自动化控制和照明节能。如在视觉特征与隧道照明关系方面，潘晓东教授18等提出了以“瞳孔面积最大瞬态速度

9、值”(MTPA)为视觉负荷评价指标，利用行车试验分析了视觉负荷与隧道口光环境的关系，得出隧道进出口在白天、夜间不同限速条件下视觉环境应加强改善的范围，并提出了相应的改善措施；杜志刚19-22等针对明暗适应中的视觉震荡现象，以高速公路隧道进出口驾驶员的瞳孔变化为对象，通过大量行车试验和理论分析得出了驾驶员瞳孔面积与隧道进出口照度成幂函数关系以及基于视觉适应的隧道进出口照明公式和合理的照度过渡斜率。慕慧23等利用瞳孔面积变化速度与行车安全关系的定量分析，研究了基于视觉适应性的隧道进出口安全行车的临界速度；林燕丹教授24-26等从明视觉、暗视觉及中间视觉的光谱灵敏曲线出发，讨论不同照明状态下，光源光

10、谱对人类视觉的影响；杨春宇，张青文27-28等采用中间视觉的实用模型和实验数据研究照明节能和照明反应时间；胡英奎29等采用照明反应时间测试装置和iView X眼动仪，研究了道路照明条件下驾驶员瞳孔大小随亮度水平的变化规律，给出了人眼瞳孔与背景亮度之间基本呈负指数关系的结论。在控制理论和技术应用方面，黄天戍和杨超30-31等采用模糊控制实现隧道照明控制；李林32等根据平均亮度计算并采用多段控制策略实现高速公路隧道的照明控制；戚佳金33等提出了一种基于动态调光的高速公路隧道照明节能控制系统；刘炜34基于传感器信息融合和模糊神经网络研究了人工照明光环境全过程拟人化控制；崔丰曦，肖华等35-36采用模

11、糊调光法来实现隧道照明的节能控制；郭兰英37等通过缩小每级亮度变化并采用多模式控制策略实现隧道照明的连续调光。此外，在照明亮度对比和计算方面，陈仲林教授38等探讨了利用数码相机快速测量亮度分布的方法，并给出了数字图像的灰度值和刺激值之间的关系式和建议亮度计算式；顾冰39等介绍了一种利用计算机图像处理技术对亮度分布进行快速测量的方法，得到了颜色值与实际亮度值的经验公式；许景峰40等从现行公路隧道照明标准出发，分析了影响公路隧道白天亮度水平的因素， 模拟了不同车速条件下的隧道亮度水平，并从照明段长度和照明段亮度两方面对比分析了不同车速条件下各标准中隧道亮度水平的差异及原因等。上述从不同角度和领域研

12、究所取得的照明控制以及与照明控制密切相关的成果，对本项目的研究具有重要的借鉴意义。但由于隧道出入口照明控制的特殊性，仍有许多理论和技术问题需要深入研究。本课题在已有成果的基础上，将开展公路隧道出入口灯光配置优化及其照明控制系统的研究。我国是幅员辽阔的发展中国家，交通事业随着国民经济的增长而迅速发展。据公路水路交通运输行业发展统计公报数据，截止2009年底，我国已建成公路隧道6100多处，其中特长和长隧道1100多座，延长240余万米。本课题研究的开展和实施，不仅有助于照明控制理论的发展及智能控制水平的提高，而且对改善公路隧道人工照明质量、降低照明能耗与运营成本，营造安全舒适的行车环境，具有重要

13、的理论价值和现实意义。三、研究内容及研究目标1研究目标本课题针对目前照明控制系统中存在的不足，以提高隧道出入口人工照明质量、降低照明能耗为目标，通过仿真试验和模型模拟实验，系统分析灯光配置与亮度的关系以及灯光配置对隧道内外亮度差的影响；建立灯光配置动态优化模型，提出灯光配置优化算法；在此基础上将优化模型和优化算法应用于照明控制，确定照明控制策略，研发符合中国国情的隧道出入口智能照明控制系统。2研究内容基于以上研究目标，确定本课题的主要研究内容如下：（1） 隧道出入口灯光配置优化模型研究。在灯具总量和布局已确定的条件下，如何优化灯具开启数量及其空间分布，使亮度及分布符合视觉要求是研究隧道出入口人

14、工照明与照明节能的基础。本研究内容在分析影响隧道出入口照明因素的基础上，重点研究照明装置开启数量及分布对亮度分布的影响、亮度分布的梯度变化规律等，在此基础上，探讨并建立基于公路隧道外界环境亮度变化的灯光配置优化模型。（2） 隧道出入口灯光配置优化算法研究隧道出入口亮度分布是否合理直接影响驾驶员在行车过程中视觉反应，也是评价流动空间照明质量优劣的重要指标。合理的照明亮度和分布有助于提高驾驶员的视觉对比敏感度，并带来舒适的视觉感受，而大的亮度对比会导致视觉对比灵敏度下降，引起视觉的瞬时适应问题。虽然对于公路隧道的照明已有相关标准，但由于隧道出入口的长度和亮度水平受隧道的几何状况、交通状况、洞外亮度

15、状况等多方面因素的影响而呈现出较大的差别。因此，在已建立的优化模型基础上，采用何种优化算法，使隧道内外亮度差最小，又能达到照明节能的目标是实现隧道出入口照明智能控制的前提。本研究内容在分析已有优化算法的基础上，探索并提出适用于隧道出入口灯光配置的优化算法。（3） 具动态优化灯光配置功能的照明控制系统研究。本研究内容将基于上述研究内容的成果，从控制系统的可靠性和实用性出发，研究照明系统和照明控制系统的结构、功能和系统配置，在分析、比较现有照明控制系统的体系结构和系统功能的基础上，设计和开发照明控制系统，研究和制定照明控制策略，实现隧道出入口照明的智能控制。四、已进行的课题调研工作基础和已具备的科

16、学研究条件1、已进行的研究工作(1)学习了解隧道照明系统的特殊性和存在的能耗问题；(2)学习了解公路隧道通风照明设计规范 (3)学习了解传统隧道照明的一般设计方法与控制方法；(4)学习了解各类隧道照明常用灯具；(5)学习了解常用的优化算法；2、科研条件(1)实验地点：测控实验室；(2)主要设备：计算机、照度计等。五、针对研究内容，拟采取的技术方案和准备措施本课题在研究方法上采用跨学科的研究方法，综合运用视觉工效学、图论学、照明工程和控制工程等学科的相关理论和知识，结合现场调研、仿真实验、模型实验和虚拟场景实验，系统分析隧道出入口灯光分布与照明亮度的关系，在已有研究成果的基础上，开展隧道出入口灯

17、光配置优化与照明节能控制的理论和实践研究。具体研究方法如下：（1）基于已有实验环境，依据实际中的公路隧道搭建实验模型，基于此模型建立照明控制系统模拟实验平台，开展理论和实验研究；（2）利用模拟实验平台开展环境信息采集和数据处理方法的前期研究，运用人工智能方法，确定隧道出入口亮度分布的影响因素，建立灯光配置优化模型；（3）在分析隧道出入口照明特点的基础上，基于模型实验平台，充分研究照明装置开启数量及空间分布对亮度水平和分布的影响，总结归纳照明装置数量及分布变化与亮度分布变化之间的规律，给出灯光配置优化算法；（4）运用智能理论和自适应控制技术，结合灯光配置优化模型和优化算法，给出能够感知隧道外光环

18、境变化并动态优化灯光配置的自适应控制策略；（5）在分析现有照明控制系统结构的基础上，研发照明控制系统，并将上述理论研究成果应用于系统进行实验验证。六、研究阶段的计划进度以及各阶段预期结果1、研究阶段的进度和要求(1)2012.92012.10：学习隧道照明相关理论，研究隧道照明设计上特殊性和运营中存在的能耗问题；(2)2012.112013.2：通过各类文献资料，学习了解此课题在国内外领域中的发展情况，确定课题研究方向与大致方案；(3)2013.32013.4：搭建模拟实验平台，确定隧道出入口亮度分布的影响因素，建立灯光配置优化模型；(4)2013.52013.7：研究照明装置开启数量及空间分

19、布对亮度水平和分布的影响，给出灯光配置优化算法；(5)2013.82013.9：运用智能理论和自适应控制技术，结合灯光配置优化模型和优化算法，给出能够感知隧道外光环境变化并动态优化灯光配置的自适应控制策略；(6)2013.10：完善系统整体设计，并对系统进行调试和分析试验结果；(7)2013.112013.12：完成毕业论文的撰写工作。2、预期结果 通过仿真试验和模型模拟实验，分析灯光配置与亮度的关系以及灯光配置对隧道内外亮度差的影响，建立灯光配置动态优化模型，提出灯光配置优化算法，在此基础上将优化模型和优化算法应用于照明控制，确定照明控制策略，最终实现集舒适与节能一体的出入口照明控制系统。七

20、、所需经费预算（按研究阶段分别列出材料费、化验检测费、加工费、差旅费及其他费用）资料与软件费 600元元器件及开发套件 800元设备租赁费 300元组建模型费 600元差旅费 500元论文打印费 140元论文评审及答辩费 500元其他 160元共计 3600元八、指导、辅导及试验人员名单九、参考文献（总数不少于30篇，其中必须有5篇以上的外文文献，并且这些文献需在报告正文中标注引用）（不够可加页）1 陈仲林. 高速公路隧道照明节能研究J. 灯与照明, 2008, 32(3):612+30.2 Miki, M.; Hiroyasu, T.; Imazato, K., Proposal for a

21、n intelligent lighting system, and verification of control method effectiveness J. Digital Object Identifier, 2004, 1(12):520-525. 3 Ito Hayato, Mori Toshihide, Hirakawa Satoshi, et al. Estimation of the critical luminance contrast in tunnel interior-lightingJ. Journal of the Illuminating Engineerin

22、g Institute of Japan, 2009, 93(2):77-834 Pachamanov Angel, Pachamanova Dessislava. Optimization of the light distribution of luminaries for tunnel and street lightingJ. Engineering Optimization, 2008, 40(1):47-65.5 Leitao Sergio, Pires E. J. Solteiro, De Moura Oliveira P.B. Road tunnels lighting usi

23、ng genetic algorithmsC. 2009 15th International Conference on Intelligent System Applications to Power Systems, ISAP 09, Curitiba, Brazil, December 9, 2009, pp:1-6.6 Sermin Onaygil, Onder Guler, Emre Erkin. Determination of the effects of structural properties on tunnel lighting with examples from T

24、urkeyJ.Tunneling and Underground Space Technology,2003, (18):85-91.7 L.M. Gil-Martin, A. Pena-Garcia, E. Hernandez-Montes, et al. Tension structures: A way towards sustainable lighting in road tunnelsJ. Tunneling and Underground Space Technology, 2011, (26):223-227.8 Miomir Kostic,Lidija Djokic, Dej

25、an Pojatar,et al. Technical and economic analysis of road lighting solutions based on mesopic visionJ. Building and Environment, 2009, (44):66-75.9 Varady, Geza, Fekete, et al. Mesopic Vision,Optimized illuminationC.Proceedings of International Conference on Engineering Education(ICEE2008), PECS-BUD

26、APEST, HUNGARY, 27-31 July, 2008, pp:1-11.10 Cziker, Andrei, Chindris, etal. Implementation of a lighting control system based on fuzzy logicC.First IFAC Workshop on Convergence of Information Technologies and Control Methods with Power Plants and Power Systems, Cluj-Napoca, Romania, 09-11 July, 200

27、7.11 Robson R., Augusto F. Artificial Neural Network Application to a Building Hybrid Illumination SystemC. Proceedings of 2008 IEEE International Symposium on Industrial Electronics(ISIE08), Cambridge, UK, July 01-02,2008, pp:866-871.12 Y.J. Wen, Alice M. Wireless Networked Lighting Systems for Opt

28、imizing Energy Savings and User SatisfactionC.Proceedings of Wireless Hive Networks Conference, Austin, Texas, USA, August 07-08, 2008.13 M.S. Pan, L.W. Yeh, Y.A. Chen,et al. A WSN-Based Intelligent Light Control System Considering User Activities and ProfilesJ. IEEE SENSORS JOURNAL, 2008, 8(10):171

29、01721.14 Tae Jin Park, Seung Ho Hong. Development of an Experimental Model of BACnet-based Lighting Control System C. Proceedings of 2006 IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN 2006), 1618 August, 2006, Singapore, pp:114-119.15 Heemin Park, Jeff Burke, Mani B. Srivastava. Des

30、ign and Implementation of a Wireless Sensor Network for Intelligent Light Control C. Proceedings of International Conference on Information Processing in Sensor Networks (IPSN07), April 25-27, 2007, Cambridge, Massachusetts, USA, pp:370-379.16 J. D. Lee, K.Y. Nam, S.H. Jeong, et al. Development of Z

31、igbee based Street Light Control SystemC. Proceedings of 2006 IEEE Power Systems Conference & Exposition (PSCE06), Oct.29-Nov.1, 2006, Atlanta, USA, pp:2236-2239.17 中华人民共和国行业标准，公路隧道通风照明设计规范(JTJ026.1-1999) S，人民交通出版社, 2000.18 潘晓东, 宋永朝, 杨轸, 等.基于视觉负荷的公路隧道进出口环境改善范围J. 同济大学学报(自然科学版),2009, 37(6):777780.19 杜

32、志刚,潘晓东,杨轸, 等. 高速公路隧道进出口视觉震荡与行车安全研究J. 中国公路学报, 2007, 20(5):101105.20 杜志刚, 潘晓东, 郭雪斌. 高速公路隧道进出口视觉适应实验J. 哈尔滨工业大学学报, 2007, 39(12):19982001.21 杜志刚,潘晓东,郭雪斌. 公路隧道进出口行车安全评价指标应用研究J.同济大学学报(自然科学版), 2008, 36(3):325329.22 杜志刚,潘晓东,郭雪斌. 公路隧道进出口行车安全的视觉适应指标J.华南理工大学学报(自然科学版), 2007, 35(7):1519.23 慕慧, 杨少伟, 赵一飞, 等. 基于视觉适应