高速公路长隧道入口段昼间照明优化方法

摘要

本发明公开了一种高速公路长隧道入口段昼间照明优化方法，该方法采集隧道环境照度、驾驶人视觉适应时间、驾驶人瞳孔面积数据，建立驾驶人瞳孔面积与照度模型，照度与隧道纵深模型和驾驶人视觉适应模型；利用软件做出驾驶人瞳孔面积、视觉适应时间、相应环境照度之间的三维曲面，根据曲面所得参数建立函数模型并根据计算最终求得隧道纵深、车速与隧道优化照度之间的关系。本方法不仅能消除昼间隧道环境行车时，因照度差异造成的暗适应问题，减少视觉障碍诱发的交通事故，同时能大幅度降低隧道照明设施电能消耗。

主权项

一种高速公路长隧道入口段昼间照明优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，采集驾驶人瞳孔面积、隧道环境照度、驾驶人视觉适应时间数据；步骤二，根据步骤一采集的驾驶人瞳孔面积、环境照度和驾驶人视觉适应时间数据分别建立驾驶人瞳孔面积与照度模型，照度与隧道纵深模型和驾驶人视觉适应模型；其中驾驶人瞳孔面积与照度模型为：取驾驶人瞳孔面积为Q、隧道环境照度为l，对昼间高速公路隧道入口段数据样本建立ln(Q×l)与ln(l)的关系图并进行回归分析，驾驶人瞳孔面积与环境照度存在如式(1)的关系：ln(Ql)=8.368‑0.576lnl    (1)将式(1)进行转换，整理得到驾驶人瞳孔面积Q与隧道环境照度l的关系函数，如式(2)所示：Q＝e8.368l‑1.576    (2)照度与隧道纵深模型：隧道环境照度l与隧道纵深d是乘幂关系，拟合的关系式为：l＝17963d‑0.959    (3)驾驶人视觉适应模型：构建驾驶人瞳孔面积Q、驾驶人在隧道中视觉适应时间t和相应隧道环境照度l的二元四次函数：Q＝x0+x1t4+x2t3+x3t2+x4t+x5l4+x6l3+x7l2+x8l+x9tl3+x10tl2+x11tl+x12t2l2+    (4)x13t2l+x14t3l+ε式中：ε～N(0，σ2),表示随机误差的变量；通过对驾驶人瞳孔面积Q与驾驶人在隧道中视觉适应时间t和相应隧道环境照度l多次测量统计，取得i组数值：(ti4,ti3,ti2,ti1,li4,li3,li2,li1,tili3,tili2,tili,ti2li2,ti2li,ti3li,yi),i＝1,2,…,n.(5)构成方程组如下： y 1 = x 0 + x 1 t 1 4 + · · · + x 14 t 1 3 l 1 + ϵ 1 y 2 = x 0 + x 1 t 2 4 + · · · + x 14 t 2 3 l 2 + ϵ 2 . . . y n = x 0 + x 1 t n 4 + · · · + x 14 t n 3 l n + ϵ n - - - ( 6 ) 其中：ε1,ε2,…,εn相互独立，将方程组转化成矩阵形式如式(7)：Y＝λX+ε(7)其中： Y = y 1 y 2 . . . y n , λ = 1 t 1 4 t 1 3 . . . t 1 3 l 1 1 t 2 4 t 2 3 . . . t 2 3 l 2 . . . . . . . . . . . . . . . 1 t n 4 t n 3 . . . t n 3 l n , X = x 0 x 1 . . . x 14 向量Y，λ都是已知的，利用最小二乘法，计算出向量X的估计值，过程如下：根据最小二乘法定义可以得到式(8)： F ( x 0 , x 1 , · · · , x 14 ) = Σ i = 1 n ( y i - x 0 - x 1 t i 4 - · · · - x 14 t i 3 l i ) 2 - - - ( 8 ) 向量X的最小二乘估计值，应满足F取最小值时的解，对Q求偏导数，可以得到正规方程组如式(9)： nx 0 + x 1 Σ t i 4 + · · · + x 14 Σ t i 3 l i = Σ y i x 0 Σ t i 4 + x 1 Σ t i 4 t i 4 + · · · + x 14 Σ t i 4 t i 3 l i = Σ t i 4 y i . . . x 0 Σ t i 3 l i + x 1 Σ t i 3 l i t i 4 + · · · + x 14 Σ t i 3 l i t i 3 l i = Σ t i 3 l i y i - - - ( 9 ) 相应的矩阵形式为λTY＝λTλX，λTλ列满秩，故向量X有唯一解，将其代入驾驶人瞳孔面积Q与驾驶人在隧道中视觉适应时间t和相应隧道环境照度l的二元四次函数式(4)中，即获得驾驶人视觉适应函数模型，如式(10)所示：Q＝‑0.151t4‑35417×10‑10l4‑1.7093×1O‑5l3‑0.0146l2‑8.3614×10‑6tl3+0·0104tl2‑0·00l2t2l2+0·0151t3l    (10)步骤三：昼间长隧道入口段照明优化利用matlab软件做出驾驶人瞳孔面积Q、视觉适应时间t、相应环境照度l之间的三维曲面，驾驶人视觉适应函数模型中，瞳孔面积作因变量，分别对驾驶人在隧道中视觉适应时间t和相应隧道环境照度l求偏导数，建立式（11）方程组： ∂ Q ∂ t = 0 ∂ Q ∂ l = 0 - - - ( 11 ) 得到一系列数据组(t,l)，即为驾驶人适合相应隧道环境照度变化视觉要求的控制参数；选取数据定为视觉适应时间tn对应的照度值ln；将驾驶人适和相应隧道环境照度变化视觉要求的照明控制参数，按照驾驶人视觉适应时间进行相应的回归拟合，其关系式为：l＝4027t‑1.686    (12)依据式(12)建立函数模型求解驾驶人不同视觉适应时间下所需要的环境照度值，直至隧道入口，然后再根据 d = ∫ 0 t vtdt = 1 2 vt 2 - - - ( 13 ) 式中，d为隧道纵深，t为视觉适应时间，v为车辆运行速度，确定隧道纵深d与驾驶人视觉适应时间t之间的关系；将式(12)代入式(13)得到公式(14)，即可得到隧道纵深d、车速v与隧道优化照度l之间的关系：l=4027×(2d/v)‑0.843    (14)