道路照明仿真的数字化研究

摘要

道路照明的数字化是数字城市的一个重要节点，道路照明仿真的数字化是数字照明的主要内容和标志之一。 仿真的数字化即数字化仿真。道路照明的数字化仿真是在虚拟环境中判断照明的明亮程度、均匀度、眩光情况、环境亮度等合适与否，并可以显示出随着时间推延，光源流明维持系数和灯具维护系数等的变化，从而使照明效果发生变化，也可显示出相应的照明的属性数据，即可以使所设计的照明方案从现在到未来的演变过程生动地、直观地、定量地再现，使照明设计人员和管理者在交互的虚拟场景中进行实时的图像、数据操作和可视化分析。在数字照明中不但能展现照明的定性和定量的动态变化效果，而且还可使用户能进行实时地参与和人机交互，进行身临其境的全方位感受。因此，要实现道路照明的数字化仿真，首先应建立道路照明仿真的数学模型和数据库，而后进行道路照明数字化仿真的系统设计、测试与应用等。 论文在第二章讨论并建立了道路照明数字化仿真的数学模型和计算机模型，并在此基础上建立了相关的关系数据库。道路照明数字化仿真的数学模型应是描述计算机能够处理的数据结构。任何系统都离不开大量的数据关系，要表现这些复杂的关系，使用关系模型是最有效的方法，因此在道路照明仿真系统中有大量的由关系表组成的描述这些复杂关系的关系数据库，如道路信息几何数据库、光源数据库、灯具库、灯杆库、环境配景库、道路路面、光源及环境材料属性库等，以确保道路照明仿真数字化程序的完成。 论文第三章根据CIE标准对在特定光照下的路面亮度进行计算，同时结合道路表面的计算机设计和生成技术描绘动态、静态时的实际照明效果；在程序的编制过程中，利用了人工神经网络、模糊控制和粗糙级等诸多理论，以使其具有处理信息的高度并行性，信息处理和信息存储合二为一，能接受和处理模拟的、模糊的和随机的信息，求满意解而不是求精确解，同时利用离散元理论计算亮度，并描绘亮度曲线。 论文第四章对道路照明仿真数字化应用中的主要影响因素之一——灯具的维护系数进行了大量而深入的试验和研究，使道路照明仿真更符合实际情况。道路照明仿真数字化又是：数→图→数的过程，是由大量的仿真计算完成的，其中灯具的维护系数是照明仿真实时性计算的重要因素。维护系数主要是光源流明维护系数和灯具污染衰减系数的乘积，在实际计算时可认为是光源在某方向上的实时发光强度与光源在某方向上的初始发光强度的比值。由此，灯具发光面对应的发光强度是计算维护系数和其它光度参数所必须的。在通常情况下我们使用的道路照明灯具大都没有提供数字化的发光强度分布的信息，即使在使用初期有，也可能因为使用一定周期后当初的数据失效了而不能直接采用，但若利用数码相机通过求灯具的发光面积后和亮度即可通过式I=SLacosα求出灯具发光面对应的发光强度。 为计算发光面积，本文一方面利用数码相机的成像原理在较理想的曝光量、曝光时间及相面照度下，通过计算灯具发光面的象素，找到其发光面积和发光面亮度，从而算得发光强度；另一方面通过数码相机的成像原理找到焦距、曝光量、曝光时间、灯与相机的物距等诸多因素对成像面积的影响规律，同样可以通过计算光源发光面的面积，找到其发光面积和发光面亮度，从而算出发光强度。 与此同时，为了验证与校核数字照明仿真设计方法，论文在第五章采用自主设计的道路照明数字化仿真程序对多条道路照明的计算与实验测试。 本文创造性工作可归纳如下： ①在数字城市理论的基础上提出和建立数字照明仿真设计方法。研究符合于道路照明标准的道路照明仿真数字化方法。 ②自编“道路照明仿真数字化子系统(3DSRLDI)”软件。本文利用道路照明设计的标准和评价指标体系，建立道路照明仿真子系统的数学模型；利用已有的两段1km长的主城区道路照明设计的数字化研究，收集并建立了道路、照明及环境的三维动态仿真子系统的实体数据库、关系数据库及媒体动态仿真数据库；利用道路三维数学模型开发道路照明仿真子系统中的道路表面亮度绘制模块和道路照明图像仿真模块；研究城市建模方面的软件和照明定量计算软件合理链接的技术，并进行主城区道路照明数字化示范研究，探索道路照明的数字化仿真技术，从而开发道路照明仿真的数字化子系统；通过多个实践和实验对道路照明仿真子系统的验证，指出道路照明设计的有效方法和途径。 ③研究用数码相机及软件测算道路照明中灯具的维护系数及灯具的发光面积和亮度，以方便道路照明中光源的发光强度的计算，从而计算道路照明的相关光度参数。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助

1 绪 论

1.1 课题的选题背景和意义

1.1.1 课题的选题背景

1.1.2 研究道路照明仿真的数字化的意义

1.2 国内外道路照明仿真的数字化研究综述

1.3 论文研究的对象与内容

1.3.1 论文研究的对象

1.3.2 论文研究的内容

1.4 论文研究方法

1.4.1 道路照仿真的数字化研究方法

1.4.2 道路照明仿真数字化子系统3DSRLDI的建立方法

1.4.3 灯具维护系数的研究与应用

1.5 论文拟解决的关键问题

2 道路照明数字化仿真系统模型及数据库的建立

2.1 概述

2.2 面向对象的道路照明数字化仿真建模方法

2.2.1 面向对象的建模技术

2.2.2 道路照明数字化仿真系统的实体

2.2.3 道路照明数字化仿真系统对象模型

2.2.4 道路照明数字化仿真系统动态模型

2.3 建立道路明的数字化仿真模型

2.3.1 数字仿真模型的表示

2.3.2 道路照明数字化仿真模型的建立

2.3.3 数字化仿真模型的校核、验证与验收

2.4 道路照明仿真的数字模型与数据结构

2.4.1 数学模型与数据结构

2.4.2 道路信息的数据结构

2.4.3 道路照明的数据结构

2.4.4 道路环境的数据结构

2.5 道路照明数字化仿真数据库的建立

2.5.1 数据库建立

2.5.2 关系数据库

2.5.3 道路信息数据库

2.5.4 道路照明信息数据库

2.5.5 道路环境信息数据库

2.6 小结

3 道路照明数字化仿真设计

3.1 道路照明数字化仿真设计基础

3.1.1 道路照明数字化技术内容

3.1.2 道路照明仿真的数字化实现技术

3.1.3 道路照明数字化仿真的实施

3.2 道路照明设计要素与方法

3.2.1 道路照明数字化设计依据

3.2.2 道路照明数字化设计方法

3.2.3 信息参数及其采集与选取

3.3 道路照明数字化仿真设计计算

3.3.1 数字仿真算法

3.3.2道路照明数字化仿真的计算

3.3.3数字信息的输出

3.4 道路照明数字化仿真系统3DSRLDI

3.4.1 道路照明数字化仿真软件

3.4.2 道路照明数字化仿真系统的实现

3.4.3 道路照明的评价指标

3.4.4 数字仿真软件设计功能

3.5 小结

4 道路照明灯具维护系数研究

4.1 概述

4.2 维护系数的定义及影响因素

4.3 维护系数的取值

4.3.1 国内外维护系数的取值

4.3.2 灯具维护系数的确定

4.4 用数码相机研究灯具的发光面积

4.4.1 求灯具的发光面积途径

4.4.2 数码相机成像原理

4.4.3 利用数码相机研究发光面积的方法

4.4.4 计算与分析

4.4.5 发光面积的测量研究

4.5 维护系数的研究及其在数字仿真中的应用

4.5.1 维护系数的研究

4.5.2 灯具维护系数在数字仿真中的应用

4.6 小结

5 道路照明数字化仿真子系统的应用

5.1 道路照明数字化仿真子系统

5.2 道路照明的测试

5.3 道路照明数字仿真子程序应用实例

5.3.1 应用示例一：重庆市沙滨路

5.3.2 应用示例二：成都市置信路

5.3.3 应用示例三：北京市香炉营东巷

5.3.4 应用示例四：上海金科路

5.4 计算与分析

5.4.1 各评价指标的计算结果与测试结果比较

5.4.2 计算输出曲线分析

5.5 小结

6 结论与展望

致 谢

参考文献

附 录

A：作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B：作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

C：STV计算部分程序清单

D：标准路面R值

E：部分道路测试信息