一种隧道变色照明系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道变色照明系统，属于照明领域。

背景技术

公路隧道具有缩短里程、节省时间、提高交通效率的优点，中国幅员辽阔除了平原还有很多山地地形，因此隧道几乎是公路建设中无可避免的。然而隧道建立因为深邃而不透光导致驾驶员进入隧道时会在视觉上看到一个黑洞，无法观察到隧道内部情况，出隧道时会在视觉上看到一个白洞，同样无法观察到隧道外部情况。

现在的隧道照明方法单一，仅仅在隧道口进行常规打光，在亮度上没有经过调节，对驾驶员来说依然会造成部分视野丢失，同时隧道内部的光照无法自主调节与隧道口的照明相协调，仍然会使驾驶员在通过时产生视觉上的不适，无法捕捉全部环境状况，同时隧道的照明色温不能随环境自然改变会对驾驶员的眼睛带来负担导致视觉疲劳。

发明内容

发明目的：提供一种隧道变色照明系统及方法，以解决上述问题。

技术方案：一种隧道变色照明系统，包括环境亮度检测单元、内部亮度调节单元、动态亮度模拟单元和环境变色调整单元；

环境亮度检测单元，包括入口亮度检测模块、出口亮度检测模块，检测隧道出入口外界环境亮度；

内部亮度调节单元，根据外界的环境亮度调节隧道出入口的内部亮度；

动态亮度模拟单元，根据隧道入口与出口处的外界亮度不同对隧道中段进行动态亮度调节，使隧道中段亮度自然转变；

环境变色调整单元，根据外界环境的改变调整隧道内部照明颜色。

根据本发明的一个方面，所述环境亮度检测单元，入口亮度检测模块、出口亮度检测模块均包括亮度检测电路，包括信号检测电路、带通滤波电路；

信号检测电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、运算放大器U1:A和运算放大器U1:B；

所述电阻R1的一端接输入信号，所述电阻R1的另一端分别与所述电阻R4的一端、所述电容C2的一端和所述运算放大器U1:A的第2引脚连接，所述运算放大器U1:A的第3引脚分别与所述电阻R2的一端、所述电阻R3的一端和所述电容C1的一端连接，所述电阻R2的另一端接电源电压，所述电阻R3的另一端与所述电容C1的另一端接地，所述运算放大器U1:A的第1引脚分别与所述电容C2的另一端、所述电阻R4的另一端和所述电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端分别与所述电容C3的一端、所述电阻R6的一端和所述运算放大器U1:B的第6引脚连接，所述电容C3的另一端接地，所述电阻R6的另一端与所述电容C4的一端均接电源电压，所述电容C4的另一端接地，所述运算放大器U1:B的第5引脚与所述运算放大器U1:B的第7引脚均接检测信号；

带通滤波电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、运算放大器U1:C和运算放大器U1:D；

所述电阻R7的一端分别与所述运算放大器U1:B的第5引脚、所述运算放大器U1:B的第7引脚均接检测信号，所述电阻R7的另一端与所述电容C2的另一端和所述电阻R4的另一端连接，所述电容C4的另一端分别与所述电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端分别与所述电容C6的一端、所述电阻R8的一端和所述运算放大器U1:C的第9引脚连接，所述运算放大器U1:C的第10引脚接电源电压，所述运算放大器U1:C的第8引脚分别与所述电阻R8的另一端、所述电容C6的另一端和所述电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端与所述电容C7的一端连接，所述电容C7的另一端分别与所述运算放大器U1:D的第13引脚、所述电容C8的一端和所述电阻R10的一端连接，所述运算放大器U1:D的第12引脚接电源电压，所述运算放大器U1:D的第14引脚与所述电阻R10的另一端、所述电容C8的另一端均接输出信号。

根据本发明的一个方面，根据隧道出入口处的外界亮度调节出入口段亮度，出入口外的外界亮度由

计算得到，再根据人眼对亮度的接收度

计算得到人眼接收亮度，根据此亮度来进行调节。

根据本发明的一个方面，在驾驶员驾车来到隧道入口时，隧道入口段的照明使入口的光线与外界环境相匹配，使驾驶员能接收隧道光线获得全部环境，隧道入口由黑洞变成正常视野，驾驶员眼睛不会受到隧道照明的刺激；在驾驶员到达隧道出口时，隧道出口段的照明使出口处的亮度与外界环境相匹配，使驾驶员接收隧道光线从而觉得隧道外光线不在刺眼，隧道出口由白洞变成正常视野。

根据本发明的一个方面，随着驾驶员靠近隧道的出入口，外界的环境亮度在驾驶员眼中会产生变化，因此隧道出入口段的亮度调节随驾驶员与隧道出入口的距离改变，由

γ为外界亮度变化速率，α为参数，v为隧道限制速度，x为位移，

得到外界亮度变化速率，使隧道出入口段的亮度跟随驾驶员眼中外界亮度变化进行动态调整，在入口段的亮度随着离入口距离的增加而降低，在出口处的亮度随着离出口距离的缩短而增加。

根据本发明的一个方面，将隧道中段分割成多段单元照明，每个照明单元均具备照明功能且亮度可自由调整，亮度变化采取分段处理，在不同照明单元采用不同亮度，使隧道中段呈现亮度逐渐降低再逐渐增加的过程

S为隧道亮度变化速率，α为参数，v为隧道限制速度，N为隧道亮度单元总数，i为隧道亮度单元序号，

隧道亮度变化速率固定，得到隧道每个亮度单元的亮度变化，符合隧道限定车速的驾驶员可以适应隧道内的自然亮度变化，在中段的亮度减弱可以减少驾驶员的视觉疲劳，同时节省能源。

根据本发明的一个方面，在外界亮度高时隧道内部选择选择高色温，与外界环境相匹配，使驾驶员得到良好的视觉体验，在进入隧道时不会产生隧道内部昏暗的感觉，在离开隧道是不会产生外界光强刺眼的感觉；在外界亮度低时选择低色温，在进入隧道时不会产生隧道内部刺眼的感觉，在离开隧道是不会产生外界光强不够的感觉，利用不同色温变化起到对驾驶员视觉的保护作用，隧道内部的色温变化跟随亮度变化，达到最佳照明效果。

一种隧道变色照明方法，根据闪电附着算法计算隧道的最佳色温，具体步骤包括：

步骤1、将色温看作闪电附着的测试点，将所有测试点视为初始种群，计算测试点的电场判断测试点的适合度；

步骤2、对于一个特定的测试点其他测试点都被认为是潜在的下一个跳跃点，由于闪电具备随机性，对于测试点i，在种群中选择一个随机点j，如果j点的电场大于平均值，则闪电会向该点跳跃，否则闪电会向另一个点移动，即

i为测试点，

步骤3、如果新测试点的电场更高则分支保持，否则分支消除，对所有测试点执行此过程，此阶段所有剩余点被认为向下运动；

步骤4、地面向上的引导运动视作迭代次数，从地面向上的引导运动都基于向下的测试点电荷

k为向上运动的测试点，

得到测试点向上运动的下一个轨迹，当向上运动的测试点到达云端高度则为最差选择，向上运动的测试点越接近地面则选择越好；

步骤5、当向上运动和向下运动的测试点相遇确定最优选择，闪电附着过程停止，完成最大迭代，算法完成；

步骤6、在每次迭代中计算种群的平均值，当算法得到的选择适应度比平均值差，则用平均值代替。

有益效果：本发明能够通过隧道入口段、出口段的照明亮度调节匹配环境亮度适应驾驶员视觉，在隧道中段亮度做动态变化，在节省电力、减弱驾驶员视觉疲劳的同时可以衔接隧道两端的不同照明亮度，改变色温适应亮度变化达到最佳照明效果。

附图说明

图1是本发明的隧道变色照明系统的系统框图。

图2是本发明的亮度检测电路的原理图。

具体实施方式

在驾驶员进入隧道时，因为隧道亮度不够在驾驶员眼中为一个黑洞，驾驶员无法看清隧道内部情况，容易出现交通事故。

在该实施例中，如图1所示，一种隧道变色照明系统，包括环境亮度检测单元、内部亮度调节单元、动态亮度模拟单元和环境变色调整单元；

环境亮度检测单元，包括入口亮度检测模块、出口亮度检测模块，检测隧道出入口外界环境亮度；

内部亮度调节单元，根据外界的环境亮度调节隧道出入口的内部亮度；

动态亮度模拟单元，根据隧道入口与出口处的外界亮度不同对隧道中段进行动态亮度调节，使隧道中段亮度自然转变；

环境变色调整单元，根据外界环境的改变调整隧道内部照明颜色。

如图2所示，在进一步的实施例中，所述环境亮度检测单元，入口亮度检测模块、出口亮度检测模块均包括亮度检测电路，包括信号检测电路、带通滤波电路；

信号检测电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、运算放大器U1:A和运算放大器U1:B；

所述电阻R1的一端接输入信号，所述电阻R1的另一端分别与所述电阻R4的一端、所述电容C2的一端和所述运算放大器U1:A的第2引脚连接，所述运算放大器U1:A的第3引脚分别与所述电阻R2的一端、所述电阻R3的一端和所述电容C1的一端连接，所述电阻R2的另一端接电源电压，所述电阻R3的另一端与所述电容C1的另一端接地，所述运算放大器U1:A的第1引脚分别与所述电容C2的另一端、所述电阻R4的另一端和所述电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端分别与所述电容C3的一端、所述电阻R6的一端和所述运算放大器U1:B的第6引脚连接，所述电容C3的另一端接地，所述电阻R6的另一端与所述电容C4的一端均接电源电压，所述电容C4的另一端接地，所述运算放大器U1:B的第5引脚与所述运算放大器U1:B的第7引脚均接检测信号；

带通滤波电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、运算放大器U1:C和运算放大器U1:D；

所述电阻R7的一端分别与所述运算放大器U1:B的第5引脚、所述运算放大器U1:B的第7引脚均接检测信号，所述电阻R7的另一端与所述电容C2的另一端和所述电阻R4的另一端连接，所述电容C4的另一端分别与所述电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端分别与所述电容C6的一端、所述电阻R8的一端和所述运算放大器U1:C的第9引脚连接，所述运算放大器U1:C的第10引脚接电源电压，所述运算放大器U1:C的第8引脚分别与所述电阻R8的另一端、所述电容C6的另一端和所述电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端与所述电容C7的一端连接，所述电容C7的另一端分别与所述运算放大器U1:D的第13引脚、所述电容C8的一端和所述电阻R10的一端连接，所述运算放大器U1:D的第12引脚接电源电压，所述运算放大器U1:D的第14引脚与所述电阻R10的另一端、所述电容C8的另一端均接输出信号。

在此实施例中，因为外界采集亮度数据需要及时准确的反应，所以对电路反应速度有高要求，设计了多级放大器放大信号，提高电路反应速度。同时因为隧道口环境复杂，导致信号会产生较大的噪声干扰，对信号传递产生障碍，在追求高精度的电路中是较大的问题，为了解决噪声干扰，设计了两级滤波电路，将检测到的亮度信号分为两路，即对亮度信号进行预处理，降噪滤波输出，可得到稳定可靠的信号。因为隧道的亮度检测模块每日的使用频率高，所以对模块的耐用性有高要求，复杂的电路结构反而容易出现损伤，所以设计简单的电路可靠实用，在电路受损后也便于进行修复工作，从成本和人力上是更佳的选择。

在进一步的实施例中，隧道口的亮度不足问题如果通过简单照明难以适配外界亮度，无法起到原有的消除视觉影响的效果，或者产生刺眼的反效果，所以通过亮度检测进行适应性调整非常有必要。首先考虑外界的亮度构成，由

从亮度分配确定外界亮度。

在进一步的实施例中，单纯对外界亮度的计算实际上是存在缺陷，因为人眼对外界的亮度存在接收度的问题，外界亮度在进入人眼时根据角度等问题会存在自调节，调节过的亮度与外界亮度存在误差，为了解决这个问题要对得到的外界亮度进行人眼适应性的计算调整，由

计算得到调整后的人眼中外界亮度，根据此亮度对隧道照明进行调整符合人眼接收规律。

在进一步的实施例中，驾驶员在进入隧道时离外界光源越来越远，人眼受到外界光源影响少，对隧道亮度的需求出现变化；反之离开隧道时离光源越来越近，受到外界光源影响增加，对隧道的亮度需求也会出现变化，由

γ为外界亮度变化速率，α为参数，v为隧道限制速度，x为位移，

计算外界亮度变化速率，进一步调整隧道在入口段、出口段的亮度变化，在入口段照明亮度呈现逐步降低，在出口段照明亮度呈现逐步提高，整体趋势符合人眼要求，同时也可以节省能源。

在进一步的实施例中，驾驶员进入隧道中段后，隧道口的光源影响消失，隧道照明只需要让驾驶员足以观察到道路情况，因此隧道中段的照明可以适当降低。将隧道中段分割成多段单元照明，每个照明单元均具备照明功能且亮度可自由调整，亮度变化采取分段处理，在不同照明单元采用不同亮度，使隧道中段呈现亮度逐渐降低再逐渐增加的过程

S为隧道亮度变化速率，α为参数，v为隧道限制速度，N为隧道亮度单元总数，i为隧道亮度单元序号，

隧道亮度变化速率固定，得到隧道每个亮度单元的亮度变化，符合隧道限定车速的驾驶员可以适应隧道内的自然亮度变化，在中段的亮度减弱可以减少驾驶员的视觉疲劳，同时节省能源。

在进一步的实施例中，在外界亮度高时隧道内部选择选择高色温，与外界环境相匹配，使驾驶员得到良好的视觉体验，在进入隧道时不会产生隧道内部昏暗的感觉，在离开隧道是不会产生外界光强刺眼的感觉；在外界亮度低时选择低色温，在进入隧道时不会产生隧道内部刺眼的感觉，在离开隧道是不会产生外界光强不够的感觉，利用不同色温变化起到对驾驶员视觉的保护作用，隧道内部的色温变化跟随亮度变化，达到最佳照明效果。

一种隧道变色照明方法，根据闪电附着算法计算隧道的最佳色温，具体步骤包括：

步骤1、将色温看作闪电附着的测试点，将所有测试点视为初始种群，计算测试点的电场判断测试点的适合度；

步骤2、对于一个特定的测试点其他测试点都被认为是潜在的下一个跳跃点，由于闪电具备随机性，对于测试点i，在种群中选择一个随机点j，如果j点的电场大于平均值，则闪电会向该点跳跃，否则闪电会向另一个点移动，即

i为测试点，

步骤3、如果新测试点的电场更高则分支保持，否则分支消除，对所有测试点执行此过程，此阶段所有剩余点被认为向下运动；

步骤4、地面向上的引导运动视作迭代次数，从地面向上的引导运动都基于向下的测试点电荷

k为向上运动的测试点，

得到测试点向上运动的下一个轨迹，当向上运动的测试点到达云端高度则为最差选择，向上运动的测试点越接近地面则选择越好；

步骤5、当向上运动和向下运动的测试点相遇确定最优选择，闪电附着过程停止，完成最大迭代，算法完成；

步骤6、在每次迭代中计算种群的平均值，当算法得到的选择适应度比平均值差，则用平均值代替。

总之，本发明具有以下优点：

1、通过隧道入口段、出口段的照明亮度调节匹配环境亮度适应驾驶员视觉；

2、在隧道中段亮度做动态变化，在节省电力、减弱驾驶员视觉疲劳的同时可以衔接隧道两端的不同照明亮度；

3、改变色温适应亮度变化达到最佳照明效果。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，用于通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。