基于小目标可见度与中间视觉理论的公路隧道照明节能运行模式研究

Lighting system is the guarantee of safe running for vehicle in tunnel, and it is one of the biggest part of the electric energy consumption. The lighting safe and the national long-term planning of traffic energy conservation is a pair of contradiction. Currently, there is some certain limitation about the tunnel lighting standard and brightness model which is recommended by CIE based on the photopic vision theory, and there are electric energy waste phenomenon during of operation process of lighting system. This project will put forward the design thought of the lighting system energy saving operation mode, and the research content include design standards, design theory and design scheme, management mode and control methods, and so on. According to the characteristics of the tunnel lighting and the driver's visual, the small target visibility lighting standards will be established, and the lighting model which is suitable for visual characteristics of the middle segment in tunnel is set up based on the intermediate vision theory. Integrating visual demand in tunnel, the brightness dynamic change model should be researched based on light vision efficacy and light optical effect. It will put forward different lighting design scheme of using different lighting source in different lighting segment, and study different lighting control strategy and control methods. Exploring tunnel ventilation and lighting coupling relationship, establish the actual ventilation rate coupling model and lighting optimization control method,which enable the ventilation system and the lighting system achieve optimal matching under the mode of energy saving. The results of the project will provide references for energy-saving running of lighting system in tunnel.

照明系统是车辆在隧道内安全运行的保障，也是消耗电能量最大的部分，保障照明安全运行与国家长期规划的交通节能是一对矛盾。目前隧道照明采用CIE推荐的明视觉理论建立的照明标准和亮度模型存在一定的局限性，在运行过程中存在过渡照明造成电能浪费的现象。本项目提出照明系统节能运行模式的设计思想，从设计标准、设计理论与设计方案、管理模式与控制方法方面展开研究。根据隧道照明的特点、结合司机的视觉特性，建立小目标可见度照明标准，采用中间视觉理论建立符合隧道内中间段视觉特性照明模型；融合视觉需求，建立基于光源视觉功效和光生效应的隧道亮度动态变化模型，提出不同照明段采用不同照明光源的设计方案，研究不同照明光源在不同照明段的控制策略与控制方法；探索隧道通风与照明耦合关系，建立实际通风量耦合关系模型及照明优化控制方法，达到节能运行模式下通风与照明系统的最优匹配，实现运营节能的最大化，为照明系统节能运行提供参考。

随着高速公路隧道建设和运营规模的不断扩大，隧道照明带来的巨大电力消耗问题日益突出, 在实际运营中，一方面强调安全性存在过度照明的现象，另一方面，为降低运营存本而降低照明亮度，隐现安全风险。针对这些情况，本项目开展了如下研究：（1）根据隧道内不同照明段的视觉特性，建立符合驾驶员视觉特性的基于中间视觉理论的照明亮度模型，克服采用明视觉亮度标准存在的不足，建立中间视觉照度和明视觉照度的转换模型，为隧道照明节能设计提供参考。（2）根据隧道内的照明环境和视觉特性，建立适合隧道照明的小目标可见度亮度模型，构建能见度与隧道照明亮度关系模型，在满足可见度的基础上防止过度照明，从整个隧道照明系统节约能源。（3）根据隧道外部条件与内部状况的变化，动态调整不同区段的照明参数，建立隧道不同照明段亮度需求模型，优化隧道照明亮度变化曲线，构建多变量输入的隧道照明亮度曲线动态优化方法，实现隧道照明系统在安全通行基础上的按需照明。（4）针对灯具的布置形式、安装位置以及隧道内装材料对照明亮度的影响，建立隧道中间段中线侧偏布灯方式的参数优化模型，得到节能运行模式下的最优参数设计方案。（5）根据实时监测的高速公路洞外亮度、车辆速度、车流量、能见度，给出基于HPSO-BP神经网络的隧道照明功率预测方法，达到实时预测调控的要求，减少了照明能耗。（6）针对隧道车流排放产生的烟雾对能见度和照明功效的影响，建立隧道通风与照明系统的关系模型，给出一种基于灰色预测模糊控制算法,运用空气动力学建立污染物扩散模型、隧道通风的需风量模型，与传统模糊控制方法相比，有效减少的风机的工作数量和开关频率。（7）针对隧道通风系统具有非线性和不确定性的特点，给出一种基于变论域模糊控制的隧道通风控制方法。采用基于误差分级选取伸缩因子，改变输入、输出论域的大小，结合模糊推理方法对PID参数进行在线自整定，得到PID控制器的实际控制参数，提高控制速度与精度，改善隧道通风系统的动态性能,降低运营成本。（8）构建节能运行模式下隧道照明节能监控系统设计方案，开发设计监控管理系统和仿真软件，搭建隧道模型，有效检验隧道照明的各种控制方式和控制方法。