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一種隧道照明燈具布設優化方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510589360.4

申請日:

2015.09.16

公開號:

CN105205321A

公開日:

2015.12.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150916|||公開
IPC分類號: G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G06F19/00
申請人: 長安大學
發明人: 李曙光; 凃崗; 折勝軍
地址: 710064 陜西省西安市雁塔區二環南路中段126號
優先權:
專利代理機構: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216 代理人: 李婷
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510589360.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.06.01|||2016.01.27|||2015.12.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種隧道照明燈具布設優化方法,其步驟包括:建立隧道燈具優化設計的目標函數、隧道照明燈具布設的需求亮度和長度計算、隧道照明燈具的布設方案、目標函數的優化。本方案中設置了目標函數,通過目標函數對隧道燈具設計過程進行約束,最終在各項費用最低的基礎上,滿足設計要求。本發明方案設計科學合理,過程簡單,充分考慮隧道各項實際參數,并以實際參數出發給出優化方案,具有更加精準和較高的實際參考價值,為隧道照明設計提供了一種新的方案。

權利要求書

權利要求書
1.  一種隧道照明燈具布設優化方法,其特征在于,包括以下步驟:
步驟一,建立隧道燈具優化設計的目標函數
隧道燈具優化設計的目標函數為:
PT=PJ+PG+PP+PN+PF
上式中,PJ為燈具的建安費用,PG為供電電纜費用,PP為配電電纜的費用,PN為能源消耗費用,PF為其他附屬費用;
步驟二,隧道照明燈具布設的需求亮度和長度計算
在本方案中,隧道沿行車方向劃分為兩個入口段、三個過渡段、一個中間段、兩個出口段;
步驟S20,交通量計算
步驟S20-1,將隧道設計年份平均日交通量換算成標準小客車高峰小時交通量,公式為:
AAHT=AADT*D
上式中,AAHT表示標準小客車高峰小時交通量,AADT表示平均日交通量,D表示日高峰小時系數,取值為0.1;
步驟S20-2,根據各種車型與標準小客車的換算系數和車輛統計時各種車輛所占比例,將各車型的標準小客車高峰小時交通量換算成混合車型高峰小時交通量,公式為:
TA=AATH.Σipi.AI]]>
上式中,TA為混合車型高峰小時交通量,i為隧道段數,Pi為隧道的第i段所占標準小客車高峰小時交通量,AI為隧道中車型相對于 標準小客車的折算系數;
步驟S20-3,根據隧道類型與方向分布系數計算單向混合車型高峰小時交通量:
N=TA.F
上式中,N為隧道單向混合車型高峰小時交通量,F為隧道的方向分布系數,取值為0.55;
步驟S21,隧道中各段需求亮度計算
步驟S21-1,根據《公路隧道通風照明設計規范》和隧道的設計速度要求,選取設計所需的洞外亮度;
步驟S21-2,根據隧道設計小時交通量和設計速度選取隧道入口段亮度折減系數,計算隧道的兩個入口段TH1、TH2的需求亮度:
Lth1=k×L20(S)
Lth2=0.5×k×L20(S)
在上面兩個式子中,Lth1為TH1段的需求亮度,Lth2為TH2段的需求亮度,k為入口段亮度折減系數,取值為0.01~0.07;L20(S)為洞外亮度;
步驟S21-3,根據步驟S21-2計算出的入口段需求亮度,計算隧道的三個過渡段TR1、TR2、TR3的需求亮度:
Ltr1=0.15×Lth1
Ltr2=0.05×Lth1
Ltr3=0.02×Lth1
上面三個式中,Ltr1為TR1的亮度,Ltr2為TR2的亮度,Ltr3為TR3的 亮度;
步驟S21-4,根據步驟S20-3中計算得到的交通量N和步驟S21-1中的設計速度要求,在《公路隧道通風照明設計規范》中選取對應的隧道中間段需求亮度;
步驟S21-5,根據步驟S1-4選取的隧道中間段需求亮度,計算隧道出口段EX1、EX2的需求亮度:
Lex1=3×Lin
Lex2=5×Lin
在上式中,Lex1、Lex2分別為出口段EX1、EX2的需求亮度,Lin為隧道中間段需求亮度;
步驟S22,隧道各需求段長度計算
步驟S22-1,計算隧道入口段TH1、TH2的需求長度:
Dth1=Dth2=0.5×(1.154Ds-h-1.5tan10)]]>
上式中,Dth1為入口段TH1的需求長度,Dth2為入口段TH2的需求長度,Ds為照明停車視距,h為隧道中凈空高度;
步驟S22-2,計算過渡段的需求長度,公式如下:
Dtr1=Dth1+Dth23+vt1.8]]>
Dtr2=2vt1.8]]>
Dtr2=3vt1.8]]>
上式中,Dtr1、Dtr2、Dtr3分別為過渡段TR1、TR2、TR3的需求長度,vt為隧道的設計速度;
步驟S22-3,隧道出口段的總需求長度設置為60m,隧道中間段的需求長度為隧道總長度與入口段、過渡段、出口段長度之差;
步驟三,隧道照明燈具的布設方案
步驟S30,在隧道各需求段中進行燈具的布設,燈具的布設間隔為:
當隧道的設計速度不超過80km/h時,燈具布設間隔為9~14m;
當隧道的設計速度為80~100km/h時,燈具的布設間隔為11.5m~14m;
燈具的布設方式為:在隧道頂部沿中線布設、在隧道頂部兩側對稱布設、隧道頂部兩側交錯布設;
步驟S31,計算隧道各需求段布設燈具后的實際設計亮度,若隧道中各需求段的設計亮度均大于各段的需求亮度,則執行步驟四;若隧道中某需求段的設計亮度小于其需求亮度,則在該需求段已經布設燈具的基礎上增加新的燈具,增加燈具后再計算設計亮度,直至設計亮度大于需求亮度;
步驟四,目標函數的優化
在步驟三中選擇不同規格的燈具、布設方式,給出多套隧道照明燈具的布設方案,然后計算每套布設方案的目標函數值,取目標函數值最小的設計方案為最終方案。

說明書

說明書一種隧道照明燈具布設優化方法
技術領域
本發明涉及交通安全領域,具體涉及一種隧道照明燈具布設優化方法。
背景技術
隨著我國公路建設逐漸向西部推進,越來越多的公路隧道被建成和投入運營。隧道作為道路上的特殊構造物,具有環境封閉、內外差異大的特點,尤其是照明環境差異極其明顯。受結構、環境特點限制,隧道成為道路上事故高發的黑點或段。一旦發生道路交通事故,又存在救援困難、交通組織復雜、損失較重的問題,對道路的運行效益具有極大影響。在人、車、路和環境的系統中,駕駛人是影響交通安全的決定性因素。而駕駛是以視覺為引導的,相關信息循環加工、產生決策的過程"在上述過程中,視知覺是決定性因素。受人眼生理功能限制,在環境照度發生變化時,會產生明、暗適應問題,造成視覺認知功能短時障礙,嚴重影響行車安全。為提高隧道內外環境一致性,減少上述問題的發生,隧道環境中往往要設置照明設施,以改善視場環境。在我國的隧道通風照明標準中,較為詳細地給出隧道照明相關參數和設計方法,但存在諸多問題未能全面考慮,致使存在很大安全隱患。在實際隧道照明中,考慮設施施工技術和運營管理的簡易性,照度實際值與標準又存在差異,與駕駛人需求相去甚遠,進一步加重環境突變帶來的安全隱患。針對隧道照明問題,國內外開展了諸多研 究并取得一些成果。專利號CN204466012U胡猛虎、張英杰等基于掃描式激光傳感器的隧道照明控制裝置,實現有車開燈無車關燈,以達到降低能耗的目的。專利號CN104302050A西南交通大學的方勇、何川等隧道群照明系統控制系統和控制方法考慮了隧道群相鄰隧道間距對照明控制的影響,既節省了隧道照明的電力消耗,又獲得了更佳的照明效果。同樣,專利號CN204119619U陳嘉等隧道照明智能單燈控制調光節能系統,根據需求最優化地設置照明功率,極大地提高了節能效果。
雖然上述研究取得了一些成果,但均未能明確解決隧道中明暗適應問題,更關鍵的是,這些研究雖然給出了一些理想化的設計思路,但均沒有從實際應用過程中去考慮隧道所處地形、實際情況、環境因素、成本等問題,造成這些技術難以轉化和實際警用。
發明內容
針對上述現有技術中存在的問題,本發明的目的在于,提供一種隧道照明燈具布設優化方法,從實際出發,綜合考慮成本、環境、安裝等多項因素,提出一種合理的隧道燈具布設優化方法。
為了實現上述任務,本發明采用以下技術方案:
一種隧道照明燈具布設優化方法,包括以下步驟:
步驟一,建立隧道燈具優化設計的目標函數
隧道燈具優化設計的目標函數為:
PT=PJ+PG+PP+PN+PF
上式中,PJ為燈具的建安費用,PG為供電電纜費用,PP為配電電 纜的費用,PN為能源消耗費用,PF為其他附屬費用;
步驟二,隧道照明燈具布設的需求亮度和長度計算
在本方案中,隧道沿行車方向劃分為兩個入口段、三個過渡段、一個中間段、兩個出口段;
步驟S20,交通量計算
步驟S20-1,將隧道設計年份平均日交通量換算成標準小客車高峰小時交通量,公式為:
AAHT=AADT*D
上式中,AAHT表示標準小客車高峰小時交通量,AADT表示平均日交通量,D表示日高峰小時系數,取值為0.1;
步驟S20-2,根據各種車型與標準小客車的換算系數和車輛統計時各種車輛所占比例,將各車型的標準小客車高峰小時交通量換算成混合車型高峰小時交通量,公式為:
TA=AATH.Σipi.AI]]>
上式中,TA為混合車型高峰小時交通量,i為隧道段數,Pi為隧道的第i段所占標準小客車高峰小時交通量,AI為隧道中車型相對于標準小客車的折算系數;
步驟S20-3,根據隧道類型與方向分布系數計算單向混合車型高峰小時交通量:
N=TA.F
上式中,N為隧道單向混合車型高峰小時交通量,F為隧道的方向分布系數,取值為0.55;
步驟S21,隧道中各段需求亮度計算
步驟S21-1,根據《公路隧道通風照明設計規范》和隧道的設計速度要求,選取設計所需的洞外亮度;
步驟S21-2,根據隧道設計小時交通量和設計速度選取隧道入口段亮度折減系數,計算隧道的兩個入口段TH1、TH2的需求亮度:
Lth1=k×L20(S)
Lth2=0.5×k×L20(S)
在上面兩個式子中,Lth1為TH1段的需求亮度,Lth2為TH2段的需求亮度,k為入口段亮度折減系數,取值為0.01~0.07;L20(S)為洞外亮度;
步驟S21-3,根據步驟S21-2計算出的入口段需求亮度,計算隧道的三個過渡段TR1、TR2、TR3的需求亮度:
Ltr1=0.15×Lth1
Ltr2=0.05×Lth1
Ltr3=0.02×Lth1
上面三個式中,Ltr1為TR1的亮度,Ltr2為TR2的亮度,Ltr3為TR3的亮度;
步驟S21-4,根據步驟S20-3中計算得到的交通量N和步驟S21-1中的設計速度要求,在《公路隧道通風照明設計規范》中選取對應的隧道中間段需求亮度;
步驟S21-5,根據步驟S1-4選取的隧道中間段需求亮度,計算隧道出口段EX1、EX2的需求亮度:
Lex1=3×Lin
Lex2=5×Lin
在上式中,Lex1、Lex2分別為出口段EX1、EX2的需求亮度,Lin為隧道中間段需求亮度;
步驟S22,隧道各需求段長度計算
步驟S22-1,計算隧道入口段TH1、TH2的需求長度:
Dth1=Dth2=0.5×(1.154Ds-h-1.5tan10)]]>
上式中,Dth1為入口段TH1的需求長度,Dth2為入口段TH2的需求長度,Ds為照明停車視距,h為隧道中凈空高度;
步驟S22-2,計算過渡段的需求長度,公式如下:
Dtr1=Dth1+Dth23+vt1.8]]>
Dtr2=2vt1.8]]>
Dtr2=3vt1.8]]>
上式中,Dtr1、Dtr2、Dtr3分別為過渡段TR1、TR2、TR3的需求長度,vt為隧道的設計速度;
步驟S22-3,隧道出口段的總需求長度設置為60m,隧道中間段的需求長度為隧道總長度與入口段、過渡段、出口段長度之差;
步驟三,隧道照明燈具的布設方案
步驟S30,在隧道各需求段中進行燈具的布設,燈具的布設間隔為:
當隧道的設計速度不超過80km/h時,燈具布設間隔為9~14m;
當隧道的設計速度為80~100km/h時,燈具的布設間隔為11.5m~14m;
燈具的布設方式為:在隧道頂部沿中線布設、在隧道頂部兩側對稱布設、隧道頂部兩側交錯布設;
步驟S31,計算隧道各需求段布設燈具后的實際設計亮度,若隧道中各需求段的設計亮度均大于各段的需求亮度,則執行步驟四;若隧道中某需求段的設計亮度小于其需求亮度,則在該需求段已經布設燈具的基礎上增加新的燈具,增加燈具后再計算設計亮度,直至設計亮度大于需求亮度;
步驟四,目標函數的優化
在步驟三中選擇不同規格的燈具、布設方式,給出多套隧道照明燈具的布設方案,然后計算每套布設方案的目標函數值,取目標函數值最小的設計方案為最終方案。
本發明與現有技術相比具有以下技術特點:
本發明提出了一種隧道照明燈具布設優化算法,首先根據設計資金消耗建立優化設計的目標函數,根據需求計算和實際設計參數綜合分析隧道照明設計中的約束條件,并提供多種隧道燈具的布設方案。本發明中根據考慮隧道多項實際參數,精確給出需求段的亮度、長度,使隧道燈具布設過程依據更加科學化、細致化;并且設置了反饋調整機制,使隧道各段亮度完全能達到實際使用要求;本方案中設置了目標函數,通過目標函數對隧道燈具設計過程進行約束,最終在各項費用最低的基礎上,滿足設計要求。本發明方案設計科學合理,過程簡 單,充分考慮隧道各項實際參數,并以實際參數出發給出優化方案,具有更加精準和較高的實際參考價值,為隧道照明設計提供了一種新的方案。
附圖說明
圖1為本發明的整體流程圖;
圖2為本發明實施例中加強照明和基本照明時的能耗費用比較圖;
圖3位本發明實施例中加強照明和基本照明時的建安費用比較圖;
圖4為本發明實施例中不同方案的電纜費用和建安費用比較圖。
具體實施方式
本發明提出了一種隧道燈具布設優化方法,其整體流程圖如圖1所示,具體過程包括:
步驟一,建立隧道照明燈具優化設計的目標函數
隧道燈具布設優化方法中,在滿足設計要求的前提下,最需要考慮的是各項費用,本方案中通過建立費用目標函數,使設計費用能降至最低。隧道燈具布設優化設計的目標函數為:
PT=PJ+PG+PP+PN+PF
上式中,PJ為燈具的建安費用,PG為供電電纜費用,PP為配電電纜的費用,PN為能源消耗費用,PF為其他附屬費用;在設計過程中要求使目標函數PT最小,達到資金消耗少、能源消耗少的目標;其中各項參數的計算過程如下:
①建安費PJ
PJ=ΣiNd·i·jd·i
上式中,Nd·i為隧道第i段中燈具的總個數,jd·i為隧道中第i段燈具d的價格和人工費用總和;
②供電電纜費用PG
PG=∑kPG·d·LG·I,LG·I≤L
上式中,PG·d為隧道中第k條供電電纜的單位價格,LG·I為隧道中供電電纜k的長度,L為隧道長度;
③配電電纜費用PP
Pp=∑j(GP·d·LP·I+∑A(GP·d·A·LP·I·A))
上式中,GP·d為隧道中第j條配電電纜的單位價格,LP·I為第j條配電電纜的長度,GP·d·A為配電電纜j上的第A個燈具所在支路的電纜單位價格,LP·I·A為配電電纜j上的第A個燈具所在支路的電纜長度;
④能源消耗費用PN
PN=pN·T·G
在上面的式子中,pN為隧道第i段中燈具的總功率,T為供電時間,G為電費價格;
⑤其他附屬費用
其他附屬費用是指除了上述費用消耗之外的其他費用,如燈具的養護費用、燈具的更換費用等。
步驟二,隧道照明燈具布設的需求亮度和長度計算
在本方案中,隧道沿行車方向劃分為兩個入口段、三個過渡段、 一個中間段、兩個出口段;
步驟S20,交通量計算
步驟S20-1,根據隧道的項目可行性研究報告中提出的設計年份平均日交通量換算成標準小客車高峰小時交通量,公式為:
AAHT=AADT*D
上式中,AAHT表示標準小客車高峰小時交通量,AADT表示平均日交通量,D表示日高峰小時系數,取值為0.1;
步驟S20-2,根據各種車型與標準小客車的換算系數和車輛統計時各種車輛所占比例,將各車型的標準小客車高峰小時交通量換算成混合車型高峰小時交通量,公式為:
TA=AATH·Σipi.AI]]>
上式中,TA為混合車型高峰小時交通量,i為隧道段數,本方案的隧道為8段;Pi為隧道的第i段所占標準小客車高峰小時交通量,AI為隧道中車型相對于標準小客車的折算系數,小客車、中型車、大型車、拖掛車等,其折算系數大約為1、1.5、0.6左右;
步驟S20-3,根據隧道類型與方向分布系數計算單向混合車型高峰小時交通量:
N=TA.F
上式中,N為隧道單向混合車型高峰小時交通量,F為隧道的方向分布系數,取值為0.55;
步驟S21,隧道中各段需求亮度計算
步驟S21-1,根據《公路隧道通風照明設計規范》和隧道的設計 速度要求,選取設計所需的洞外亮度;
步驟S21-2,根據隧道設計小時交通量和設計速度選取隧道入口段亮度折減系數,計算隧道的兩個入口段TH1、TH2的需求亮度:
Lth1=k×L20(S)
Lth2=0.5×k×L20(S)
在上面兩個式子中,Lth1為TH1段的亮度,Lth2為TH2段的亮度,k為入口段亮度折減系數,取值為0.01~0.07;L20(S)為洞外亮度;
步驟S21-3,根據步驟S21-2計算出的入口段需求亮度,計算隧道的三個過渡段TR1、TR2、TR3的需求亮度:
Ltr1=0.15×Lth1
Ltr2=0.05×Lth1
Ltr3=0.02×Lth1
上面三個式中,Ltr1為TR1的需求亮度,Ltr2為TR2的需求亮度,Ltr3為TR3的需求亮度;
步驟S21-4,根據步驟S20-3中計算得到的交通量N和步驟S21-1中的設計速度要求,在《公路隧道通風照明設計規范》中選取對應的隧道中間段需求亮度;
步驟S21-5,根據步驟S1-4選取的隧道中間段需求亮度,計算隧道出口段EX1、EX2的需求亮度:
Lex1=3×Lin
Lex2=5×Lin
在上式中,Lex1、Lex2分別為出口段EX1、EX2的需求亮度,Lin為 隧道中間段需求亮度;
步驟S22,隧道各需求段長度計算
步驟S22-1,計算隧道入口段TH1、TH2的需求長度:
Dth1=Dth2=0.5×(1.154Ds-h-1.5tan10)]]>
上式中,Dth1為入口段TH1的需求長度,Dth2為入口段TH2的需求長度,Ds為照明停車視距,h為隧道中凈空高度;
步驟S22-2,計算過渡段的需求長度,公式如下:
Dtr1=Dth1+Dth23+vt1.8]]>
Dtr2=2vt1.8]]>
Dtr2=3vt1.8]]>
上式中,Dtr1、Dtr2、Dtr3分別為過渡段TR1、TR2、TR3的需求長度,vt為隧道的設計速度;
步驟S22-3,隧道出口段的總需求長度設置為60m,隧道中間段的需求長度為隧道總長度與入口段、過渡段、出口段需求長度之差;
步驟三,隧道照明燈具的布設方案
步驟S30,在隧道各需求段中進行燈具的布設,燈具的布設間隔為:
當隧道的設計速度不超過80km/h時,燈具布設間隔為9~14m;
當隧道的設計速度為80~100km/h時,燈具的布設間隔為11.5m~14m;
燈具的布設方式為:在隧道頂部沿中線布設、在隧道頂部兩側對 稱布設、隧道頂部兩側交錯布設;也可以采取混合布設的方式;
步驟S31,計算隧道各需求段布設燈具后的實際設計亮度,若隧道中各需求段的設計亮度均大于各段的需求亮度,則執行步驟四;若隧道中某需求段的設計亮度小于其需求亮度,則在該需求段已經布設燈具的基礎上增加新的燈具,增加燈具后再計算設計亮度,直至設計亮度大于需求亮度;即,布設燈具后如燈具的實際設計亮度大于前面計算出來的駕駛員在隧道中的需求亮度,則說明布設過程是滿足要求的,可以進行下一步;如果需求亮度小于設計亮度,則達不到照明要求,則需要在不滿足要求的這一段隧道中已布設燈具的基礎上,添加額外的燈具,增加該段的亮度;所有段的亮度均滿足要求后,再進行下一步。
其中隧道中各段實際設計亮度計算公式為:
Lav=Σp=1mLpm]]>
上式中,Lav為隧道某段(入口段、出口段、過渡段、中間段)區域路面的平均亮度,Lp為計算點p(即為各盞燈具)處的亮度,m為計算點的總數;
路面的平均水平照度公式為:
Eav=η·φ·M·ωW·S]]>
上式中,ω為燈具布置系數,對稱布置時取值為2,其余布置方式時取值為1;η為利用系數,采用LED燈時取值為0.8,采用高壓鈉燈時取值為0.4;φ為燈具的額定光通量,M為燈具的養護系數,W 為隧道路面寬度,S為燈具間距;
本方案中隧道照明布設時影響設計亮度的因素有燈具布設方式、燈具的光通量和燈具的間距。
由上面的實際設計亮度計算公式和水平照度公式,可進一步推導出設計亮度計算公式的變式:
Lav=ω·Nd·η·P0·M·γS·W·R]]>
在上式中,P0為燈具的功率,Nd為燈具的個數,γ為燈具光效系數,R為亮度換算比,其余參數含義同實際設計亮度計算公式和水平照度公式。
當隧道中某一需求段的實際設計亮度小于該段的需求亮度時,則按照下面的公式計算需要添加的燈具的間距:
計算需要加強亮度的需求段總需求光通量:
Eav.j=Eav.i-Eav.z
ΦJ=Eav.j·W·S0η·M]]>
上面的兩個式子中,Eav.i、Eav.z分別為未添加燈具前、添加燈具后該需求段的路面的平均水平照度,添加燈具后的平均水平照度應大于該需求段的需求亮度;ΦJ為總需求光通量,W為隧道路面寬度,S0為添加燈具的間距;η為利用系數,采用LED燈時取值為0.8,采用高壓鈉燈時取值為0.4;M為燈具的養護系數。
通過上面兩個式子,進一步推出添加的燈具間距:
S0=η·ΦJ·M·ωW·Eav.j]]>
由此,當某個需求段的實際設計亮度不能達到需求亮度時,通過上述公式可計算出添加燈具的間距,在該需求段已布設燈具的基礎上添加額外的燈具,以使亮度滿足要求;也可以在已經達到亮度要求的基礎上,進一步地通過添加燈具加強亮度,視實際情況而定。
步驟四,目標函數的優化
在步驟三中選擇不同規格的燈具、布設方式,給出多套隧道照明燈具的布設方案,然后計算每套布設方案的目標函數值,取目標函數值最小的設計方案為最終方案。
下面給出本方案的具體應用實施例:
實施例:
以浙江省樂山市鹽盆山隧道為例其基本資料:隧道長度L=1216m,隧道設計速度vt=80km/h,雙向交通,水泥混凝土路面,縱坡坡率‐0.92%,隧道路面寬度W=12.75m,燈具高度h=8.15m,洞外亮度3000cd/m2。
具體過程包括:
步驟一,建立隧道照明燈具優化設計的目標函數
PT=PJ+PG+PP+PN+PF
在實現設計要求時使目標函數PT值最小,達到資金消耗少和能源消耗少的目標。
步驟二,隧道照明燈具布設的需求亮度和長度計算
步驟S20,交通量計算
表1-1車輛比例系數結果
車型小型車中型車大型車拖掛車比例系數55.926.311.76.1換算系數11.523
預測交通量為4936pcu/d,算得設計小時交通量:
N=198.1veh/(h.ln)
步驟S21,隧道中各段需求亮度計算
表1-2中間段亮度表Lin(cd/m2)

根據設計小時交通量N=198.1veh/(h.ln)和設計速度vt=80km/h得中間段亮度:
Lin=2.5cd/m2
兩個入口段的需求亮度分別為:
Lth1=k×L20(S)=0.026×3000=78cd/m2
Lth2=0.5×k×L20(S)=0.5×0.026×3000=39cd/m2
三個過渡段的需求亮度為:
Ltr1=0.15×Lth1=0.15×78.0=11.7cd/m2
Ltr2=0.05×Lth1=0.05×78=3.9cd/m2
Ltr3=0.02×Lth1=0.02×78=1.56cd/m2<2.5×2=5.0cd/m2
本實施例中可不設置過渡段TR3照明。
兩個出口段的需求亮度為:
Lex1=3×Lin=3×2.5=7.5cd/m2
Lex2=5×Lin=5×2.5=12.5cd/m2
步驟S22,各需求段長度計算
計算隧道入口段TH1、TH2的需求長度:
Dth1=Dth2=0.5×(1.154Ds-h-1.5tan10)=40.33m (h=8.15m)]]><取48m>
過渡段的需求長度:
Dtr1=Dth1+Dth23+vt1.8=71.3m]]>(取72m)
Dtr2=2vt1.8=88.9m]]>(取96m)
由于Ltr3=0.02×Lth1=0.02×78=1.56cd/m2<2.5×2=5.0cd/m2,因此可不設置過渡段Dtr3。
出口段EX1、EX2的設計長度應將以30m和60m為基準或以布置間隔為最小長度計量單位向下取整獲得:
Dex1=24m,Dex2=48m
步驟三,布設燈具,布設方案主要有LED對稱布置、LED交錯布置、LED混合布置、高壓鈉燈對稱布置、高壓鈉燈交錯布置、高壓鈉燈混合布置6種方案;計算中間段、入口段、過渡段、出口段的設計亮度:
Lav.in=(60·1·2·95·0.8·0.7)/(12·12.75·15)=2.78cd/m2
Lav.th1=(400·9·2·95·0.4·0.7)/(12·12.75·15)=83.4cd/m2
Lav.th2=(150·11·2·95·0.4·0.7)/(12·12.75·15)=38.2cd/m2
Lav.tr1=(70·6·2·95·0.4·0.7)/(12·12.75·15)=9.73cd/m2
Lav.tr2=(70·1·2·95·0.4·0.7)/(12·12.75·15)=1.62cd/m2
Lav.ex1=(50·5·2·95·0.4·0.7)/(12·12.75·15)=5.79cd/m2
Lav.ex2=(70·6·2·95·0.4·0.7)/(12·12.75·15)=9.72cd/m2
最終得到隧道各段需求亮度、設計亮度的對比結果:
表1-4高壓鈉燈燈對稱布置方案結果統計
段名入口段1入口段2過渡段1過渡段2中間段出口段1出口段2需求亮度cd/m2783911.73.92.57.512.5設計亮度cd/m286.240.9812.514.42.788.5712.5超額亮度cd/m28.21.980.810.50.281.070
其它布設方案計算結果:
表1-5LED燈對稱布置方案結果統計
段名入口段1入口段2過渡段1過渡段2中間段出口段1出口段2需求亮度cd/m276.538.2511.4753.8252.57.512.5設計亮度cd/m277.639.511.773.892.788.0312.70超額亮度cd/m21.11.250.2950.0650.280.530.20
表1-6LED燈交錯布置方案結果統計
段名入口段1入口段2過渡段1過渡段2中間段出口段1出口段2需求亮度cd/m276.538.2511.4753.8252.57.512.5設計亮度cd/m277.638.311.773.892.787.612.70超額亮度cd/m21.10.050.2950.0650.280.10.20
表1-7高壓鈉燈交錯布置方案結果統計
段名入口段1入口段2過渡段1過渡段2中間段出口段1出口段2需求亮度cd/m276.538.2511.4753.8252.57.512.5設計亮度cd/m278.639.5812.263.962.787.6212.74超額亮度cd/m22.11.330.7850.1350.280.120.24
從表中可以看出,對于不同的設計方案,各需求段的設計亮度均大于其對應的需求亮度,說明設計結果滿足要求。
為了使隧道內部照明具有更加好的效果,在現有結果已經滿足設計要求的基礎上,進一步地對各需求段的照明進行加強,計算過程如 下:
入口段1:
Eav.i=13×Lth1=1014lx
Eav.j=13×Lth1-32.5=981.5lx
S0=η&CenterDot;ΦJ&CenterDot;M&CenterDot;ωW&CenterDot;Eav.j=1.879m]]>(取2m)
ΦJ=4800(400W高壓鈉燈)
入口段2:
Eav.j=13×Lth2-32.5=474.5lx
S0=η&CenterDot;ΦJ&CenterDot;M&CenterDot;ωW&CenterDot;Eav.j=1.29m]]>(取1.5m)
ΦJ=16000(150W高壓鈉燈)
中間段:
Eav.j=13×Lin=32.5lx
過渡段1:
Eav.j=13×Ltr1-32.5=119.6lx
S0=η&CenterDot;ΦJ&CenterDot;M&CenterDot;ωW&CenterDot;Eav.j=1.29m]]>(取2m)
ΦJ=6000(70W高壓鈉燈)
過渡段2:
Eav.j=13×Ltr2-32.5=18.2lx
S0=η&CenterDot;ΦJ&CenterDot;M&CenterDot;ωW&CenterDot;Eav.j=12.66m]]>(取12.5m)
ΦJ=6000(70W高壓鈉燈)
出口段1:
(取1.5m),ΦJ=3600(50W高壓鈉燈)
出口段2:
(取1.5m),ΦJ=6000(50W高壓鈉燈)
最終得到的隧道燈具布設優化參數如下表:
表1-8隧道照明燈具布設優化參數

步驟四,目標函數的優化
根據目標函數中的能耗費用公式下面以1元/度的價格統計1小時各個方案費用對比(單位:元)。
如圖2所示,從途中可以看出,高壓鈉燈方案的能耗費用較LED燈方案的能耗費用要高;同時因為基本照明的燈具都選擇了LED燈具,則能耗費用相同;因能耗費用和功率成正比,則交錯布置與混合布置的能耗費用要比對稱布置的能耗費用要低。
建安費用根據隧道的不同和燈具選擇廠家的不同一般不同,但相差不會太大。一般LED燈的建安費是按照20元/w的價格,而高壓鈉的以飛利浦燈具價格為例進行比較。根據目標函數中的建安費公式計算六種方案的建安費。
飛利浦高壓鈉燈價格表
功率(w)4002501501007050建安費(元)850850800800750750
從上表也可看出高壓鈉的的價格比led燈的價格要低,特別是在燈具功率較大的時候尤為明顯。
如圖3所示,從圖中可以看出在建安費方面,LED燈的建安費用較高,而高壓鈉燈因為其燈泡結構,價格較LED來說要低的多。同時因建安費和燈具個數和額定功率等也基本呈現線性關系,則在同一種燈具的三種方案中走勢基本同能耗費用的走勢。
電纜費用以市場不同規格的常用電纜價格根據目標函數中的公式對6種不同方案進行計算。
如圖4所示,根據圖中可以看出,在綜合了電纜費用和建安費用后,依然是高壓鈉燈的初步設計費用較少;兩側對稱布置的初步設計費用最高,但減少了洞頂的電纜復雜度;交錯布置的費用最低,但洞頂的電纜最為復雜;混合布置洞頂電纜復雜度介于兩者中間,因隧道燈具布設不統一,增加了駕駛員的視覺疲勞度;同時高壓鈉燈因其特殊性,會出現混合布置較交錯布置價格增加的情況。
隧道燈具布設優化方法總體分析:
在能源節省的設計前提下,不同的方案的費用各不相同。高壓鈉 燈的優勢在于,建安費用較少,在隧道照明初步建設中費用較為低廉,但因其燈泡結構使能源不能完全的應用于照明中,造成了能源的無用消耗;LED燈的優勢在于,能源利用率高,同時壽命較長,減少了能源消耗費用和附加費用的資金消耗,但在速調照明初步建設中建安費較高;對稱布置的優勢在于美觀大方,同時便于建設,但不能較好的切合需求亮度,有一定的能源浪費;交錯布置能夠更好的切合需求亮度且照明效率高,但因其較對稱布置安裝較為復雜,間接性的增加了人工費用;中線布置也能夠更好的切合需求亮度,但不適合較高需求亮度的布設要求,同時各個車道亮度差別較大,較為不利于駕駛員適應;各段不同的優勢在于較好的能源節約,同時中和了一部分的人工費用,但隧道中各段布設不同增加了駕駛員的視覺疲勞度,且以高壓鈉燈布設時,會出現上文展示中功率消耗反而增加的問題。根據實際設計需求從各種方案中選擇較為優秀同時符合客觀要求的方案。

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