隧道照明系统辅助设计与优化分析软件研发

2022-02-15郑国平任兆丹崔优凯

计算机工程与设计 2022年1期

郑国平，任兆丹，崔优凯

(1.浙江工业大学土木工程学院，浙江杭州 310014； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司道路交通设计研究院，湖北武汉 430063； 3.浙江省交通规划设计研究院有限公司交通工程分院，浙江杭州 310030)

0 引言

隧道照明系统是帮助汽车驾驶员克服进、出隧道时的视觉适应和适应滞后问题的必要设施，同时，鉴于隧道呈两端开口的近似封闭管状结构，隧道照明系统通常需要全天候24小时开启[1,2]。我国《公路隧道照明设计细则》(以下简称《细则》)要求，对于长度超过200 m的高速公路及一级公路隧道需要设置电光照明，因此，其能耗是一笔巨大的运营成本。欧洲部分隧道照明系统的年能耗为193.2 kW·h/m，其安装功率仅占总机电设备功率的14%，但其能耗占比超过50%[3]；国内公路隧道的能耗水平甚至更高[4]。

截至2018年，大陆地区共有17 738座公路隧道，累计长度达17 236 km，年电费超200亿元[5]，对隧道照明节能与运营安全技术开展研究可以平衡“节能”与“安全”二者之间的关系，避免节能以降低安全为代价，因此，近年来广大学者围绕隧道照明光源研究[7]、视觉适应性与安全[5]、智能控制模型[8,9]、镜面反射功能路面材料[10]、发光与反光高性能涂料[11,12]等方面开展广泛研究。另一方面，提高计算精度依旧是节能降耗的源头，如杨超等对利用系数简化计算模型进行了改进[13]，李农等建立了各区段亮度的数学拟合公式[14]，张德钱等采用Matlab软件对入口段折减系数、中间段亮度和照明停车视距等经验公式进行拟合[15]，但上述改进无法克服简化方法牺牲计算精度的问题；另有学者采用DIALux、AGi32、ProLITE等软件开展照明精细化分析，但这些软件无一例外地由国外公司开发，而且功能集中于照明质量分析，未能针对公路隧道的特点，实现从区段亮度分析、灯具回路设计、照明质量验算、参数优化分析到节能评价的全过程分析。

国内长安大学、浙江省交通规划设计研究院等尝试研发过相关软件，但目前均未在市面上流通。鉴于此，为了提高公路隧道照明系统设计的效率和节能水平，本文拟基于IESNA LM-62标准的灯具配光数据文件，以逐点法为照度和亮度计算方法，在VB.net平台中开发面向公路隧道的照明系统辅助设计与优化分析软件，并介绍其功能流程、技术基础、功能模块等，最后以一个工程案例展示其应用效果，以期为提高照明系统的效率、精度和节能提供借鉴。

1 功能框架概述

软件在VB.net平台上以面向对象理念开发，其功能框架和操作流程如图1所示，实现了从基础参数输入、区段亮度分析、灯具回路设计、照明质量验算、参数优化分析到节能评价的全过程分析。其中核心算法采用国际照明协会CIE及《细则》推荐的逐点法；采用基于IESNA LM-62标准的灯具配光数据文件作为输入；通过AutoCAD图形库实现灯具平面布置图、逐点照度和亮度计算结果输出；通过Surfer数据标准接口实现等照度、亮度曲线的图形可视化；通过Origin数据标准接口实现灯具配光数据的图形可视化；采用模式搜索法开展灯具安装参数(主要是灯具倾角)的优化分析，实现灯具光效的最大化利用；最后，基于昼夜时间和交通量时段设定，以及历史天气统计资料，估算隧道照明系统年耗电量，获得电费、当量标准煤消耗量和温室气体排放量等指标，为节能评价提供基础参数。

图1 软件功能流程

2 算法和技术基础

2.1 逐点法计算方法

传统的利用系数法和配光曲线法无法得到评价照明质量所需的总均匀度、纵向均匀度等指标，因此，无法满足照明计算机辅助设计技术推广与应用的要求。逐点法的计算流程(图2)可简单地归结为：首先是在计算区域内形成m行×n列的网格；然后，将计算区域及左右两侧各一倍计算区域范围内的灯具视为对计算区域照明有贡献的灯具，采用式(1)逐灯计算对各个计算点的照度贡献值，并汇总成各点的照度值；最后，可得到平均照度、亮度、均匀度等照明质量指标[16]

(1)

图2 逐点法计算流程

关于计算网格的密度，通常要求横向计算点≥5个，纵向计算点间距≤1.0 m，并且要求车道中心线上应有计算点，这样可以确保平均照度、亮度以及亮度总均匀度与纵向均匀度等计算的精度要求。可见，逐点法的计算工作量却相当惊人，以某隧道入口加强段一个13(纵向)×12(横向)的计算区域为例，有75个灯具落于照明影响区域内，总共需要计算11 700次计算才能得到平均照度、平均亮度、纵向均匀度和横向均匀度等指标。因此，采用传统的手工计算或Excel软件已无法完成，唯有借助于程序。

2.2 基于IESNA LM-63标准的灯具配光数据文件及数据库

为了利用式(1)计算照度并进而计算亮度值，需要获得Icγ光强值，该值一般由灯具厂商以数据文件的形式提供，表达了灯具仰倾角为0°时，在各个空间角度上所测得的光强值。本软件采用IESNA LM-63标准的配光数据文件作为数据源，其读写方法详见文献[17]。

同时，软件提供灯具库管理功能，只需指定配光数据文件所在的文件夹，即可以通过以下语句加载此文件夹中的所有灯具配光数据文件：

Dim f1, fs, f, fc As Object

fs=CreateObject("Scripting.FileSystemObject")

f=fs.GetFolder(LIGHT_DB_FOLD)

fc=f.Files

For Each f1 In fc

If UCase(VB.Right(f1.Name, 3)) = "IES" Then

lstLightDB.Items.Add(f1.Name)

End If

Next f1

上述代码中，LIGHT_DB_FOLD为配光数据文件所在的文件夹，lstLightDB为ListBox控件。进一步地，便可以读取灯具的配光参数并可视化(详见3.3节)。

2.3 图形结果输出接口

软件以图形方式输出的结果主要有灯具布置平面图、逐点法结算结果平面图、等照度和等亮度曲线、灯具配光数据可视化图形。

2.3.1 与AutoCAD图形库的接口

为了以AutoCAD.dwg文件格式输出灯具布置平面图、逐点法结算结果平面图，需要建立软件开发平台与AutoCAD软件之间的联系。本软件采用VB.net平台开发，因此首先需要添加引用，包括AtuoCAD Type Library和AutoCAD/ObjectDBX Common Type Library；然后采用GetObject(,"AutoCAD.Application")和AcadApp.ActiveDocument语句建立与AutoCAD软件的连接，便可以在程序中操控AutoCAD，实现图形输出。

2.3.2 与Surfer数据标准的接口

Surfer 是一款以画三维图(等高线、Image map、3d Surface)的软件，用来处理X、Y、Z三维数据，轻松制作基面图、数据点位图、分类数据图、等值线图等，因此，就可以把灯具配光数据输出成Surfer的数据格式，在Surfer软件中采用Contour map绘制光强等值线图，以及可以把逐点法的计算结果输出成Surfer的数据格式，在Surfer软件中形成等照度、等亮度曲线图。

2.3.3 与Origin数据标准的接口

Origin是一款通用型、专业化的数学图形分析软件，其数据格式更为简捷，在本软件中主要用于展示灯具的配光数据。具体地说，就是把LM-63标准的配光数据文件中的m×n个光强数据，循环按照“水平角,垂直角,光强值”的格式输出到纯文本文件中，于是便可以在Origin软件中用Polar contour theta(X) γ(Y)方式，以极坐标形式展示光强等值线图。

3 软件功能模块

3.1 三因素动态调光及各区段长度、亮度分析

本模块界面如图3所示，主要用于基本信息输入、计算参数设定、调光模式选择、各区段亮、长度及起讫里程计算。定级静态调光主要用于根据规范中指标要求验算照明质量指标，帮助设计单位校核各种典型的运营工况；目前国内隧道照明系统控制方式多采用自动控制为主、人工控制为辅的方式，无级动态调光分析是自动控制的基础，软件可根据设备采集的交通量、洞外光照强度和实际运行车速3个因素动态分析所需要的亮度，从而通过回路控制、无级调光等措施，实现动态节能。另外，尚提供了当量标准车与混合车的换算、闪烁频率校核等功能。亮度计算结果则可以柱状图或折线形式直观展示。

图3 照明区段亮度分析界面

3.2 灯具回路设计与安装参数优化

回路是物理电学的一个基本概念，一般指由电源、电键、用电器等构成的电流通路。对于隧道照明系统，用电器即为某个回路中的所有灯具。为了适应不同运营环境(车速、天气、车流量)，隧道照明系统往往设置多个灯具控制回路用于“粗调”，再利用目前已普遍采用的LED等的无级调光功能作为“细调”，两者结合实现洞内亮度的灵活调节。灯具回路设计与安装参数定义在图4界面中操作，包括设定回路名称、灯具型号、安装方式、倾角、起始安装侧(交错布置时)、安装起讫里程范围等[16]。

本软件支持4种常用的灯具布置方式，即两侧对称布置、两侧交错布置、单侧布置(也称为中央侧偏单光带布置)及中间单排布置，尤其以前两种最为常见。遗憾的是，照明系统设计文件通常没有明确灯具安装角，实际安装过程无据可依，导致灯具光效未能得到最大化利用。为此，软件采用模式搜索法优化灯具安装倾角，使得灯具的光效得以最大程度的利用。

模式搜索法是一种在计算时不需要求目标函数导数的优化分析方法，在解决不可导的函数或者求导异常麻烦的函数优化问题时非常有效。在本软件中，优化目标是路面平均照度E最大，目前只考虑单个变量，即灯具安装倾角α，目标值与变量之间并无直接函数关系式，因此，可适用模式搜索法。具体步骤为：

图4 灯具回路设计对话框

(1)首先，计算出初始点的目标函数值E(αi)，然后，计算其相邻的其它各点的值E(αi±Δα)；

(2)如果有一点的函数值比初始值更优则表示搜索成功，那么αi+1=αi±Δα，且下次搜索时以αi+1为中心，以Δα=Δα×δ为步长(δ>1，扩大搜索范围)，若没有找到这样的点则表示搜索失败，仍以αi为中心，以Δα=Δα×λ为步长(λ<1，缩小搜索范围)；

(3)重复上一步操作，直到满足终止条件为止，本软件终止条件为Δα≤1°。

对于中间单排布置方式，通过定义沿隧道行车方向的灯具安装转角，可以精确分析逆光或顺光照明。

图5 照明计算与计算报告界面

3.3 照明计算与报告

照明计算与报告功能如图5所示，照明计算的目的是进行隧道照明质量校核，具体指标主要包括平均照度Eav、平均亮度Lav、总均匀度Uo、纵向均匀度Ul，这些指标都可以在行业规范中查得。同时，为了计算均匀度指标，尚需要算得最小照度Emin、最大照度Emax、最小亮度Lmin、最大亮度Lmax。

同时，软件提供了与不同灯具型号的无缝对接功能，可以灵活连接、查询不同厂家的不同型号的灯具。在VB.net开发平台中，选用PictureBox控件对灯具配光数据图形可视化，采用极坐标表示方法，以矢量表示光强大小，以垂直角表示光强矢量与光轴之间的夹角。图6为某型号灯具在水平角为90°时候的配光曲线，可见，其光强集中分布于0°～45°之间。也可以通过Surfer数据标准接口和Origin数据标准接口，在第三方软件中对灯具配光数据进行可视化，获得更专业的图形效果。

图6 90°水平角配光曲线(单位：lx)

3.4 全年电耗估算

目前公路项目节能评价与审查工作往往由于缺少可靠的能耗指标体系和计算方法，使得该工作很难客观、公正地开展。为此，软件提出了隧道照明系统能耗估算方法，该方法基于昼夜时间段设定、历史天气统计资料得到各运营工况的工作时间统计，并结合各运营工况的灯具回路开启方案，估算隧道照明系统年耗电量。最后，根据电费单价(默认为0.8元/kW·h)获得全年电费，根据标准煤折算系数(默认取0.1229 kgce/kW·h)折算出标准煤消耗量，根据温室气体CO2排放系数(默认取0.785 kg/kW·h)计算出CO2排放系数，从而可以为国民经济评价、收费公路财务评价、节能评价等提供较为客观、真实的基础数据。图7为能耗估算的技术流程，图8为该功能的软件界面。

图7 隧道照明系统能耗计算技术流程

图8 全年电耗估算界面

3.5 自动成图与结果输出

自动成图与结果输出功能包括：

(1)计算报告：包括以rtf格式输出的文字报告和以AutoCAD标准dwg文件格式输出的计算区域逐点亮度、照度计算结果图。前者包括基础参数、区段亮度计算值、各运营工况逐点法计算结果等，用户可以用Word软件打开并编辑；

(2)工程图纸：包含双线隧道、横通道、紧急停车带、洞外引道的灯具布置图整体输出，完全改变了传统设计图纸中各自单独成图的模式，提升了整体性；

(3)灯具统计：包括按回路统计、灯具型号统计灯具数量和功率统计表；

(4)另外，还包括以Surfer数据格式输出的等照度曲线数据文件，以Origin和Surfer两种格式输出的灯具配光数据文件等。

4 工程案例

4.1 隧道基本设计参数

建设中的茂宗隧道位于云南省杨柳-宣威高速公路，双向四车道，设计时速为100 km/h，长度为1335 m (K59+280～K60+615)，根据洞口朝向及洞外环境情况，设计洞外亮度L20(s)取为3000 cd/m2。其它设计及计算参数如下：

路面类型：沥青路面

路面宽度：9.25 m

观察点距离：60 m

计算区域纵向长度：12 m

计算区域内纵向计算点个数：12个

计算区域内横向计算点个数：13个

两侧布置的灯具横向间距：8.06 m

布灯高度：5.6 m

中排灯高度：6.0 m

4.2 区段亮度计算结果

根据上述基本参数，软件可以计算出各种运营工况(车速、天气、车流量)下的亮度值，并取最不利的计算结果(图9)作为灯具配置依据。

图9 区段亮度计算结果

4.3 灯具回路设计及安装参数优化

选取某灯具品牌作为样本，并对各个区段照明质量进行验算之后，确定灯具配置见表1。

表1 灯具配置

其中，各回路的具体开启方案为：

ZJ：全天候开启；

YJ：除夜间小交通量模式时，其余全开启；

C：白天全开启，并可根据交通量、洞外亮度启用无极调光；

D：白天晴天及云天开启，并可根据交通量、洞外亮度启用无极调光。

基本段灯具按两侧对称安装，纵向间距为12 m，采用模式搜索法可以得到最优的安装角度为36°，此时的平均照度为104.50 lx(图10)。为了说明安装角度的重要性，图11列举了安装角在0°～50°时的平均照度与均匀度与安装角的关系曲线。由此可见，安装角度是影响灯具利用效率的最敏感因素，路面平均照度和亮度值随安装角的增加而增大，当安装角为35°时平均照度和亮度达到最大值，因此，可以将35°定义为最佳安装角。而安装角为0°时，路面平均照度仅为最佳安装角时的65%。另一方面，安装角对照明均匀度的影响不大且均匀度均能达到规范要求。

图10 基本段最佳照度等值线(单位：cd/m2)

4.4 能耗估算

本隧道冬至日的夜间时段设定为18:00～5:30，夏至日为19:30～4:00，夜间小交通量模式从23:00开始；白天大交通量模式从8:00～16:00，其余设为小交通量模式；各月份的天气情况参考该地区历史天气设定。于是，软件便自动汇总出每月各个运营工况的工作时间，最后，估算得到单洞的全年电耗为31.01万kw·h。取电费为0.8元，全年电费约24.81万元，可测算出双洞每延米耗电量为465 kW·h/m/a。同时，可根据标准煤折算系数折算出标准煤消耗量为76.3 t，根据温室气体CO2排放系数计算出CO2排放量为486.9 t。