一种用于隧道照明的中央布灯方案设计方法与流程

1.本发明涉及道路照明技术领域，尤其涉及一种用于隧道照明的中央布灯方案设计方法。


背景技术：

2.我国公路隧道正向着特长、特高快速发展。为了保障公路隧道的运营安全，以便行驶车 辆能以规定的行车速度安全通过，整个隧道的照明系统将处于长期工作状态，这意味着每年 仅隧道照明系统的电费成本就将是一个天文数字。以四川徐岭关特大隧道为例，经计算，徐 岭关隧道照明系统电费占隧道运行成本的60％以上。因此，在满足《公路隧道照明设计细则》 的要求和确保隧道行车安全的同时，降低隧道照明系统的能耗已经成为亟需解决的问题。
3.目前关于隧道照明节能的研究主要从三个方面考虑：1、节能灯具；2、灯具安装参数的 布置；3、照明控制。近些年来，专家和学者对隧道照明的节能研究主要集中在照明控制方面， 而在布灯参数优化方面的研究相对较少。隧道照明灯具的布灯参数会直接影响灯具光通量的 利用系数。通过优化不同布灯方式的布灯参数(如单灯功率、安装高度、角度、间距等)可 以最大化利用灯具的光通量，避免光通量的不必要浪费，从而达到节能的目的。华东交通大 学的范士娟利用仿真实验对比中央布灯、对称布灯以及交错布灯方式对照明系统的影响。从 照明效果看，在隧道环境和灯具都相同的情况下，采用交错布灯时的路面照度会略好于对称 布灯的路面照度，且其路面亮度总均匀度高于对称布灯，总的来说交错布灯优于对称布灯； 而采用中央布灯时，无论在路面照度(最小照度、最大照度和平均照度)、亮度(最小亮度、 最大亮度和平均亮度)，还是在路面亮度总均匀度和路面亮度纵向均匀度这几项指标上，都 好于交错布灯方式和对称布灯方式。
4.灯具安装参数中，对道路照明效果和系统整体能耗相关度最高的参数未灯具安装间距， 也即布灯间距，在关于该参数的现有设计方法中，大多采用经验法，即采用经验值如 5m,7m,10m等经验参数，然后由布灯间距反推灯具的单灯功率。这样的方法存在容易出现“斑 马现象(道路忽明忽暗)”、整体能耗并非最优解的问题。另一种常用方法为通过dialux 软件结合工程经验，通过有限次的重复设置来寻找复合要求的布灯参数，这种方法存在的问 题为：布灯方案没有理论依据，更多的依赖于技术人员的经验和对软件的操作。
5.在灯具安装参数中，另一个重要参数为单灯功率。公开号为cn107038283a的专利公开 了一种通过非线性规划模型对隧道布灯参数进行优化的方法，但是由于非线性规划问题的求 解方式复杂，求解出的单灯功率参数并不存在于实际的模组商品中，并且其解值为集合状态， 技术人员很难得出其中哪一个才是最优解。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种用于隧道照明的具有坚实的理论依据，并 且便于技术人员使用的中央布灯方案设计方法，可以在满足交通安全要求的前提
下，寻找最 满足节能要求的布灯方案。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
8.一种用于隧道照明的中央布灯方案设计方法，包括步骤：
9.确定目标隧道和预选灯具的参数；
10.根据上述参数建立中央布灯方案空间模型；
11.根据所述空间模型中的几何关系，得到相邻两灯间的道路边线中点a的水平照度e
a
关于 布灯间距l的计算式；
12.根据设计标准及要求得到e
a
的最小值，代入上述计算式可以求得布灯间距l的最大值。
13.在一些较优的实施例中，所述目标隧道的参数包括：目标隧道的高度h、宽度d、设计车 流量q、设计车速v；
14.所述预选灯具的参数包括：单灯功率p、配光曲线图或表、灯具利用系数η、灯具养护系 数m、灯具发光效率q。
15.在一些较优的实施例中，所述相邻两灯间的道路边线中点a的水平照度e
a
关于布灯间距 l的计算式：
16.其中，i
cγ
(x)为点x的实际光强值，即 其中，f(x)为预选灯具的拟合光强系数曲线，φ为预选灯具额定光通 量，且φ＝p
·
q。
17.在一些较优的实施例中，所述预选灯具的单灯功率p的确定方法为：
18.以目标隧道安装的灯具总功率最低为目标函数，建立关于隧道布灯参数的非线性优化模 型：
[0019][0020][0021]
其中，α、β分别为灯具横向和纵向发光角度的一半，p为目标隧道安装灯具的总功率， l为隧道总长度，e
min
为路面最小照度，e
av
为路面平均照度，e0为路面最低要求照度，u0为 路面亮度总均匀度，u1为路面中线亮度纵向均匀度，e
c min
为路面中线的最小照度，e
c max
为 路面中线的最大照度。
[0022]
在一些较优的实施例中，还包括步骤：
[0023]
根据预选灯具的单灯功率p在现有模组中选择最接近的成品模组功率；
[0024]
将所述成品模组功率带入所述布灯间距计算式中，得到参考布灯间距值；
[0025]
计算在参考布灯间距下的目标隧道灯具总功率，选择总功率最小的参考布灯间距值作为 最优布灯间距值。
[0026]
有益效果：
[0027]
1、本发明的布灯间距设计方法在满足《公路隧道照明设计细则》的要求和确保隧道行车 安全的同时，降低了隧道照明系统的总能耗；
[0028]
2、避免了经验值的过多使用和对工程模拟软件的依赖，通过具有严格理论依据的方法指 导工程中的实际布灯问题，具有良好的可操作性、准确性与合理性；
[0029]
3、充分考虑了工程应用时的实际情况，得出可以直接应用的最优解确定值，而非最优解 值集或现实中不存在的解值。
附图说明
[0030]
图1为本发明提供的一种较优实施例中的流程示意图；
[0031]
图2为本发明提供的一种较优实施例中建立的关于布灯参数的直角坐标系；
[0032]
图3为本发明提供的一种较优实施例中寻找路面最小照度点时建立的直角坐标系；
[0033]
图4为本发明提供的一种较优实施例中绘制的路面某点的水平照度e与灯具照射在该点 的光线与光轴线的角度γ的二次导数图像。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、
ꢀ“
顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特 定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0035]
实施例1
[0036]
如图1所示，本实施例给出了一种用于隧道照明的中央布灯方案设计方法，包括步骤：
[0037]
步骤s1.确定目标隧道和预选灯具的参数。
[0038]
所述目标隧道的参数为隧道在设计时就确定好的相关参数，其中，本领域的技术人员可 以根据计算方案选取需要的参数。在一些较优的实施例中，所述目标隧道的参数包括：目标 隧道的高度h、宽度d、设计车流量q、设计车速v。
[0039]
所述预选灯具的参数为经过前期预计算得到的并根据预计算结果查找到的参数，应当理 解的是，在预计算中，主要是对预选灯具的单灯功率进行确定，其方法有很多，例如经验判 定法、线性规划法和非线性优化法等。无论采用何种单灯功率计算法，在得出单灯功率结果 后，以此参数为基础，来确定预选灯具的具体品牌以及型号。在一些较优的实施例中，所述 预选灯具的参数还包括：配光曲线图或表、灯具利用系数η、灯具养护系数m、灯具发光效 率q、灯具的发光角度本领域的技术人员应当知晓，上述参数在获得单灯功率、品牌以及 型号后可以通过产品说明书或咨询品牌商获得。
[0040]
步骤s2.根据上述参数建立中央布灯方案空间模型。
[0041]
由于本发明限定了布灯方式为隧道中央布灯，其安装方式为隧道顶部中央安装且垂直照 射路面，在实际应用中，为了方便采购和后期维护，所有灯具均为同一品牌同一型号。此时， 根据上述隧道参数和布灯方式，可以建立直角坐标系，如图2所示，其中，路面的中轴线为 x轴，路面宽度方向为y轴，灯柱方向为z轴；a1、a2为隧道中任意相邻两灯，b1、b2、 b3、b4为相邻两灯在路面边线上的投影点。γ1，γ2分别为灯具a1和a2在路面区域(b1、b2、 b3、b4)中对路面任一点b(x，y)的光线入射角。
[0042]
步骤s3.根据所述空间模型中的几何关系，得到相邻两灯间的道路边线中点a的水平照 度e
a
关于布灯间距l的计算式。
[0043]
应当理解的是，在现有的布灯方案优化方法中，均是采用路面平均照度满足设计和标准 要求为依据建立的，在优化方法确定后，再通过dialux等仿真软件模拟照明效果，以确定路 面最低照度点的位置已经是否满足要求，此时经常出现平均照度等其他参数均满足要求，但 最低照度点的照度不满足要求的情况，因此技术人员只能全盘推翻重新设计方案，费时费力。
[0044]
本发明在经过严密的理论验证后，得出了“当隧道中间段采用中央布灯方式，且灯具布 置为垂直照射路面时，两灯间道路边线中点a为路面区域最小照度点”这一关键结论，并以 此为理论基础，来直接反推符合标准和要求的布灯间距设计方案。由此，技术人员不再需要 用仿真软件模拟照明效果以验证最低照度点照度是否符合。
[0045]
论证过程如下：
[0046]
在如图3所示的直角坐标系中，由于路面区域(b1,b2,b3,b4)是对称的，故只需要考虑区 域(o,a,b4,c)区域内的照度情况即可。根据本领域的通用经验，路面最小照度点一般出现在 道路边线附近，因此只需比较a、a1点的水平照度值，即可找到最小照度值出现的点。其中， a1为道路边线上任一点，γ为灯具a1和a2对道路边线中点a的光线入射角，γ1，γ2分别为 灯具a1和a2对道路边线上任一点a1的光线入射角。
[0047]
a点的水平照度为：其中，γ表达式为：
[0048]
此时，在道路边线上偏离重点adx(dx
→0
)处a1点的总水平照度为：
[0049][0050]
其中，由于dx
→0
，所以dγ1＝γ1‑
γ＞0且dγ1→
0，dγ2＝γ
‑
γ2＞0且dγ2→
0。
[0051]
根据中值定理比较a点和a1点的照度值：
[0052][0053]
其中，dγ2＞0，γ
‑
dγ2≤η2≤γ≤η1≤γ dγ1，γ dγ1，γ
‑
dγ2相关的表达式如
下：
[0054][0055]
利用三角和差公式处理上式可得：
[0056][0057][0058]
再利用三角形倍角公式可得：
[0059][0060][0061]
再次利用三角和差公式可得：
[0062][0063]
其中，δ1和δ２的表达式如下所示：
[0064]
δ1＝a
‑
b＝[(l/2 dx)2 d2/4]
1/2
‑
(l2/4 d2/4)
1/2
[0065]
δ2＝b
‑
c＝(l2/4 d2/4)
1/2
‑
[(l/2
‑
dx)2 d2/4]
1/2
[0066]
有图3可知，(dγ1‑
dγ2)∈(
‑
π/2，π/2)，因此(dγ1‑
dγ2)和sin(dγ1‑
dγ2)同号。由 δ1
‑
δ2＝a c
‑
2b＞0可知，sin(dγ1‑
dγ2)＞0，从而得到(dγ1‑
dγ2)＞0，即
[0067]
由此可得，其中 dγ2＞0，γ
‑
dγ2≤η2≤γ≤η1≤γ dγ1；
[0068]
根据我国《城市道路工程设计规范cjj37
‑
2012》里的具体规定，高速公路隧道净高一般 为5～10m；道路宽大于一般遵循最小机动车道的宽度(3.75m)的n倍(n≥2)，故双车道路 宽d≥7.50m；另外灯具的间距l还应该满足频闪f≤2.5hz的要求，一般高速公路的设计时速v 都应满足v≥60km/h，因此有布灯间距l≥(60/3.6)/2.5＝6.67m。在这种情况下，根据γ的表 达式计算可知，单灯对应路面边线中点的入射角γ≥0.79rad(45
°
)。利用matlab绘制出路 面某点的水平照度e与灯具照射在该点的光线与光轴线的角度γ的二次导数图像，如图4所 示；由图可知，当γ＞0.53rad(31
°
)时，e
″
(γ)＞0，所以此时上式中limδe＞0，也就说明了 路面区域内照度最小值在道路边线中点a上。
[0069]
以上为本发明给出的关于“当隧道中间段采用中央布灯方式，且灯具布置为垂直照射路 面时，两灯间道路边线中点a为路面区域最小照度点”这一关键结论的推导过程，不应将其 理解为对本发明的进一步限定。
[0070]
更进一步的是，通过如图2所示的几何关系，可以很方便的得出相邻两灯间的道路边线 中点a的水平照度e
a
关于布灯间距1的计算式，本实施例不作进一步的要求。
[0071]
步骤s4.设计标准及要求得到e
a
的最小值，代入上述计算式可以求得布灯间距l的最大 值。
[0072]
本领域的技术人员应当知晓，本发明所涉及的道路照明领域有着完善与严格的国家标准 和行业标准要求，所有本领域的设计方案及方法均需要严格围绕标准和要求来建立。本发明 所述设计标准及要求主要是指：《隧道照明设计细则(gj d70/2
‑
01
‑
2014[s])》、《城市道 路工程设计规范(cjj37
‑
2012)》等国家及行业标准、规范。
[0073]
至此，本发明得到了既满足交通安全要求，又满足节能要求的布灯方案。
[0074]
实施例2
[0075]
本实施例是在上述实施例1的基础上，具体给出了一种相邻两灯间的道路边线中点a的 水平照度e
a
关于布灯间距l的计算式。
[0076]
根据《公路隧道照明设计细则》克制，隧道照明系统(主要是指隧道中间段)设计技术 指标如下：
[0077]
(a)隧道墙壁2m以下的平均照度，应不低于路面平均照度的60％；
[0078]
(b)照明灯具布置间距应满足频闪f≤2.5hz或f≥15hz的要求。f＝v/l，其中：v为行车 速度，m/s；l是两个灯具的间隔长度，m；对于隧道中间段，取f≤2.5hz；
[0079]
(c)中间段路面亮度应不低于设定的行车速度和交通流量的规范最小值，见表1
‑
1；
[0080]
表1中间段亮度标准表
[0081][0082]
(d)路面亮度总均匀度u0和路面中线亮度纵向均匀度u1应不低于表1
‑
2和表1
‑
3所示规范 值，见表1
‑
2和表1
‑
3。
[0083]
表2路面亮度总均匀度标准表
[0084][0085]
表3路面中线亮度总均匀度标准表
[0086][0087]
由图3及本领域的基础知识，结合上述标准及细则要求可知：
[0088]
灯具i在路面计算区域内任意一点b的水平光照强度e
bi
可表示为：
[0089]
其中，i
cγ
(γ)为灯具在计算点b的光强值；γ为b点和灯具i对应的光 线入射角；h为灯具光源中心至路面的高度。
[0090]
由前述实施例1中的描述可知，a点的水平照度为：其中，γ表达式 如下：
[0091][0092]
由此可得相邻两灯间的道路边线中点a的水平照度e
a
关于布灯间距l的计算式：
[0093]
其中，i
cγ
(x)为点a的实际光强值，即 其中，f(x)为预选灯具的拟合光强系数曲线，φ为预选灯具额定光通 量，且φ＝p
·
q。
[0094]
至此，代入预选灯具的相关参数就可算出布灯间距l的最大值。
[0095]
实施例3
[0096]
本实施例是在上述实施例2的基础上，具体给出了一种预选灯具的单灯功率p的确定方 法。
[0097]
由图2中的几何关系以及本领域的常用知识可得，灯具a1和a2在道路边线中点a的光 线入射角γ1，γ2的计算公式如下：
[0098][0099][0100]
设e
b1
、e
b2
分别为灯具a1和a2在点a产生的水平照度，则：
[0101]
式中i＝1，2，f(γ)为根据灯具的配光曲线图(表)得到的 拟合光强系数曲线。
[0102]
结合前述标准和要求的规定，以目标隧道安装的灯具总功率最低为目标函数，建立关于 隧道布灯参数的非线性优化模型：
[0103][0104][0105]
其中，α、β分别为灯具横向和纵向发光角度的一半，应当理解的是，由于本发明所采用 的灯具均为厂商批量生产的成品灯具，因此其发光角度也是灯具出厂时就配合好的，其具体 的数值可以根据厂商提供的配光曲线图(表)得到。一般情况下，灯具的横向和纵向发光角 度均为120
°
，因此在一些较优的实施例中，α＝β＝60
°
。p为目标隧道安装的灯具总功率， l为隧道总长度，e
min
为路面最小照度，e
av
为路面平均照度，e0为路面最低要求照度，u0为 路面亮度总均匀度，u1为路面中线亮度纵向均匀度，e
c min
为路面中线的最小照度，e
c max
为 路面中线的最大照度。
[0106]
在上式中代入目标隧道和预选灯具的参数，结合相关标准的要求，可以求解该非线性规 划问题。在一些较优的实施例中，可以在matlab中利用复合形法求解该非线性规划问题。 针对复合形法解该非线性问题时存在不确定的唯一最优解，在初始化初值时参考目标隧道和 预选灯具的参数，对于未给出的参数采用随机的赋值方法。
[0107]
实施例4
[0108]
本实施例是在上述实施例3的基础上展开的，具体给出了一种得到最优布灯间距值的方 法。
[0109]
步骤s5.根据预选灯具的单灯功率p在现有模组中选择最接近的成品模组功率。应当理 解的是，根据非线性优化模型等方法得出的单灯功率p往往并不是一个整数值，更不
是现有 的成品模组所能提供的功率值。同时，定制模组以使功率完全满足要求的成本过高且没有必 要，因此，在得出预选灯具的单灯功率p时，本领域的技术人员还需要在现有模组中选择最 接近的成品模组功率。此时，在一些较优的实施例中，可以在小于和大于计算值的功率中各 选择一个最接近的成品模组功率值。然后再根据成品模组功率值选择具体的品牌和型号，从 而得到相关参数，方便其后进行计算。
[0110]
步骤s6.将所述成品模组功率带入所述布灯间距计算式中，得到参考布灯间距值。此时， 由于选择的成品模组功率值有两个，因此，得到的参考布灯间距值同样有两个，且两者都满 足条件，因此还需要进一步的处理。
[0111]
步骤s7.计算在参考布灯间距下的目标隧道灯具总功率，选择总功率最小的参考布灯间距 值作为最优布灯间距值。
[0112]
实施例5
[0113]
本实施例是结合前述实施例1
‑
4和具体工程给出的一个具体实施例。
[0114]
本实施例以某高速隧道工程为例，该目标隧道为一座双车道隧道，设计行车速度60km/h， 单向交通量≥1200辆/小时，净高5.00m，建筑净宽13.00m，其中双向行车道宽为7.5m，中 间段长度约为250m。根据前述表1
‑
1可知，隧道亮度l的要求值为2.0cd
·
m
‑2。
[0115]
根据本领域的现有技术可知，亮度和照度在没有实测的条件时，可以按照一定的比例换 算，其公式可以表示为：l＝ρe；式中，e为待求点的照度；ρ为亮度和照度的换算系数， 其中，对于本实施例的目标隧道来说，水泥混凝土路面ρ可取1/10lx/(cd
·
m
‑2)。由此可算得， 满足要求的最小照度值e0＝20lx。
[0116]
根据前述表1
‑
2和1
‑
3可知，路面亮度总均匀度u0＝0.4，路面中线亮度纵向均匀度 u1＝0.6。将上述参数代入实施例3所给出的非线性优化模型中，在matlab中利用复合形 法进行求解，运行20次后得到布灯参数如表4所示。
[0117]
表4非线性规划的解
[0118][0119]
此时得出的单灯功率p为55.51w，这个数值在现有的成品模组中并不存在，并且无法定 制。因此考虑选择该功率附近的50w和60w的灯具作为预选方案，具体的品牌及型号为： 雷士照明系列led灯，灯具型号为nhled101。
[0120]
应当理解的是，在上述计算中同样得出了一个参考布灯间距6.67米，但这个间距的得出 是根据频闪要求得出的，即6.67米的布灯间距是符合相关标准要求的最低值。其具体的最优 布灯间距还需要进行进一步的计算。
[0121]
将50w和60w的预选灯具单灯功率参数带入本发明提出的布灯间距的计算式，得到两 种布灯方案如表5所示
[0122]
表5两种方案结果对比
[0123][0124]
由表中结果可知，单灯功率选择50w，布灯间距为7.2米，此时的系统的总功率是最少 的，整个系统是最节能的。
[0125]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应 该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种用于隧道照明的中央布灯方案设计方法，其特征在于，包括步骤：确定目标隧道和预选灯具的参数；根据上述参数建立中央布灯方案空间模型；根据所述空间模型中的几何关系，得到相邻两灯间的道路边线中点a的水平照度e
a
关于布灯间距l的计算式；根据设计标准及要求得到e
a
的最小值，代入上述计算式可以求得布灯间距l的最大值。2.如权利要求1所述的中央布灯方案设计方法，其特征在于：所述目标隧道的参数包括：目标隧道的高度h、宽度d、设计车流量q、设计车速v；所述预选灯具的参数包括：单灯功率p、配光曲线图或表、灯具利用系数η、灯具养护系数m、灯具发光效率q。3.如权利要求2所述的中央布灯方案设计方法，其特征在于，所述相邻两灯间的道路边线中点a的水平照度e
a
关于布灯间距l的计算式：其中，i
cγ
(x)为点x的实际光强值，即其中，f(x)为预选灯具的拟合光强系数曲线，φ为预选灯具额定光通量，且φ＝p
·
q。4.如权利要求2所述的中央布灯方案设计方法，其特征在于，所述预选灯具的单灯功率p的确定方法为：以目标隧道安装的灯具总功率最低为目标函数，建立关于隧道布灯参数的非线性优化模型：模型：其中，α、β分别为灯具横向和纵向发光角度的一半，p为目标隧道安装灯具的总功率，l为隧道总长度，e
min
为路面最小照度，e
av
为路面平均照度，e0为路面最低要求照度，u0为路面亮度总均匀度，u1为路面中线亮度纵向均匀度，e
c min
为路面中线的最小照度，e
c max
为路面中线的最大照度。5.如权利要求4所述的中央布灯方案设计方法，其特征在于，还包括步骤：根据预选灯具的单灯功率p在现有模组中选择最接近的成品模组功率；将所述成品模组功率带入所述布灯间距计算式中，得到参考布灯间距值；计算在参考布灯间距下的目标隧道灯具总功率，选择总功率最小的参考布灯间距值作为最优布灯间距值。
技术总结
本发明提供了一种用于隧道照明的中央布灯方案设计方法，包括步骤：确定目标隧道和预选灯具的参数；根据上述参数建立中央布灯方案空间模型；根据空间模型中的几何关系，得到相邻两灯间的道路边线中点A的水平照度E


技术研发人员：张吉烈 龚宇航
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2021.03.23
技术公布日：2021/6/29