一种基于表征信息的公路隧道光环境构建系统和方法

摘要

本申请公开了一种基于表征信息的公路隧道光环境构建系统和方法，所述系统包括顺次连接的表征信息采集模块、表征信息筛选模块、等级比对模块、综合评价模块、优化模块、光环境调节控制模块和隧道环境外设，采集光环境表征信息并进行等级比对和综合评价，得到光环境构建方案，光环境调节控制模块控制隧道环境外设完成光环境构建，可选的，可通过优化模块进行优化；所述方法包括采集表征信息，通过筛选得到主成分信息，通过等级比对得到等级评定，通过综合评价模块得到光环境构建方案，光环境调节控制模块控制隧道环境外设调整光环境。本申请通过对现有光环境的评价，提出光环境的构成方案，构建一个更为安全、舒适、节能的公路隧道光环境。

说明书

技术领域

本申请属于隧道工程领域，具体涉及一种基于表征信息的公路隧道光环境构建系统和方法。

背景技术

随着我国公路交通建设的高速发展，公路隧道的数量和长度在不断增加，公路隧道总里程的增长率远高于公路本身的增长率。为了保障正常通车，公路隧道须提供24小时不间断照明。据统计全国公路隧道年耗费电费已超过50亿元人民币，隧道照明能耗惊人。同时由于公路隧道是半封闭的管状结构体，隧道内外亮度变化剧烈，并且隧道内空间有限，景观单一。因此，驾驶员在驾驶车辆接近隧道洞口处时，容易出现“黑洞效应”，由于亮度变化过快，瞳孔面积剧烈收缩从而出现视觉震荡现象，驾驶员视觉出现短暂的模糊，无法看清隧道内的情况；驾驶员长时间在隧道内行驶时，由于周围参照物的单一会出现“时空隧道”感，不自觉的产生想要逃离的感受，并且容易出现方向感弱的不利影响；当驾驶员驶离隧道时，隧道内外亮度变化剧烈，驾驶员又会因“白洞效应”无法辨认隧道外的环境，导致危险发生。

目前，隧道照明光环境的评价方法多采用定性方法,主要根据驾驶员或相关隧道照明专家主观感受对隧道照明的安全舒适性进行评价；有学者基于驾驶人的生理、心理特征或反应指标定量评价入口段照明的安全性，这些评价标准在一定程度上取得良好的效果，但是照明质量好坏的指标繁多，各种评价方法的可靠性有高有低，缺乏统一的标准，无法对隧道光环境进行全面、符合实际的评价。

因此，亟需研发一种全面、安全、符合实地环境的公路隧道光环境构建系统和构建方法，从而能够更为科学、全面的构建公路隧道光环境。

发明内容

本申请提出了一种基于表征信息的公路隧道光环境构建系统，通过采集公路隧道光环境的表征信息，经过比对和处理，得出光环境构建方案，进而控制隧道光环境外设，构建出一个全面、安全、符合实际的科学的隧道光环境。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种基于表征信息的公路隧道光环境构建系统，包括表征信息采集模块、表征信息筛选模块、等级比对模块、综合评价模块、优化模块、光环境调节控制模块和隧道环境外设；

所述表征信息采集模块、所述表征信息筛选模块、所述等级比对模块、所述综合评价模块、所述光环境调节控制模块和所述隧道环境外设顺次连接；

所述优化模块分别与所述综合评价模块和所述等级比对模块连接；

所述表征信息采集模块用于采集公路隧道光环境的表征信息；

所述表征信息筛选模块用于去除所述表征信息中的噪声干扰，得到主成分信息；

所述等级比对模块用于对所述主成分信息和/或再生主成分信息进行质量等级比对，得到所述表征信息的等级评定；

所述综合评价模块用于对所述等级评定进行处理，得到综合评价结果，根据所述综合评价结果，生成光环境构建方案，所述综合评价模块将所述光环境构建方案发送至所述光环境调节控制模块；

所述光环境调节控制模块用于根据所述光环境构建方案，控制所述隧道环境外设完成所述公路隧道光环境构建；

所述优化模块用于对所述综合评价结果不符合要求的所述主成分是信息进行处理，生成所述再生主成分信息，所述优化模块将所述再生主成分信息发送至所述等级比对模块。

优选的，所述表征信息采集模块包括采集设备和采集接口；所述采集设备通过所述采集接口与所述表征信息筛选模块连接；

所述采集设备用于采集所述表征信息；

所述采集接口用于将所述表征信息发送至所述表征信息筛选模块。

优选的，所述采集设备包括生物量采集设备和物理量采集设备，所述采集接口包括生物量采集接口和物理量采集接口；

所述生物量采集设备和所述生物量采集接口连接，所述生物量采集设备用于采集人体的表征信息；

所述物理量采集设备和所述物理量采集接口连接，所述物理量采集设备用于采集公路隧道环境的表征信息。

优选的，所述等级比对模块包括比对运算单元和等级模型；

所述比对运算单元分别连接所述表征信息筛选模块、所述综合评价模块、所述等级模型和所述优化模块；

所述比对运算单元用于对所述主成分信息和/或所述再生主成分信息按所述等级模型进行等级质量比对，得到所述等级评定。

优选的，所述综合评价模块包括评价运算单元和输出单元；

所述评价运算单元分别与所述等级比对模块和所述输出单元连接；

所述评价运算单元用于对所述等级评定进行处理，得到综合评价结果；

所述输出单元与所述光环境调节控制模块连接，所述输出单元用于根据所述综合评价结果生成所述光环境构建方案，并发送所述光环境构建方案至所述光环境调节控制模块；

所述输出单元还与所述优化模块连接，所述输出单元将缺陷主成分信息发送至所述优化模块；所述缺陷主成分信息为所述综合评价结果不符合光环境要求的主成分信息。

优选的，所述优化模块包括调节单元和标准模型；所述调节单元分别连接所述输出单元、所述标准模型和所述等级比对模块；

所述调节单元用于按照所述标准模型对所述缺陷主成分信息进行处理，生成所述再生主成分信息，并将所述再生主成分信息发送至所述等级比对模块。

优选的，所述光环境调节控制模块包括光照控制单元、车况显示控制单元和通风控制单元；

所述光照控制单元用于根据所述光环境构建方案生成灯光控制信号；

所述车况显示控制单元用于根据所述光环境构建方案生成车况显示数据；

所述通风控制单元用于根据所述光环境构建方案生成通风控制信号。

优选的，所述隧道环境外设包括灯光外设、车况显示外设和通风外设；

所述灯光外设与所述光照控制单元连接，所述车况显示外设与所述车况显示控制单元连接，所述通风外设均与所述通风控制单元连接；

所述灯光外设用于根据所述灯光控制信号进行灯光环境调节；

所述车况显示外设用于根据所述车况显示数据进行车况显示；

所述通风外设用于根据所述通风控制信号进行通风环境调节。

本申请还公开了基于表征信息的公路隧道光环境构建方法，包括如下步骤：

S1.采集公路隧道光环境的表征信息；

S2.对所述表征信息进行筛选，得到主成分信息；

S3.对所述主成分信息和/或再生主成分信息进行等级比对，得到主成分信息的等级评定；

S4.对所述等级评定进行处理，得到综合评价结果，当综合评价结果符合光环境要求时，生成光环境构建方案，并执行S5；当综合评价结果不符合光环境要求时，生成缺陷主成分信息，并将所述缺陷主成分信息进行优化处理后，生成再生主成分信息，重复S3-S4；

S5.根据所述光环境构建方案，完成公路隧道光环境构建。

优选的，所述S4中，采用模糊神经网络对所述等级评定进行处理，得到所述综合评价结果。

本申请的有益效果为：

本申请公开了一种基于表征信息的公路隧道光环境构建系统和方法，综合了各种光环境表征信息对驾驶环境的影响，并将表征信息分为生物量和物理量两类，通过对表征信息的比对和综合处理，得到光环境构建方案，还可以对光环境表征信息进行重复优化，进而构建一个更为安全、舒适、节能的公路隧道光环境，通过模糊神经网络的自我学习功能进一步提高评定效果，本申请的光环境构建系统和构建方法，为公路隧道光环境的构成和照明质量的评估提供了有效的评价模型和理论基础，也为相关领域的光环境研究提供参考，本系统和方法具有广阔的推广空间和使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公路隧道光环境结构及表征信息示意图；

图2为本申请实施例基于表征信息的公路隧道光环境构建系统结构示意图；

图3为本申请实施例基于表征信息的公路隧道光环境构建的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

如图1-2所示，一种基于表征信息的公路隧道光环境构建系统，包括表征信息采集模块、表征信息筛选模块、等级比对模块、综合评价模块、优化模块、光环境调节控制模块和隧道环境外设；

表征信息采集模块、表征信息筛选模块、等级比对模块、综合评价模块、光环境调节控制模块和隧道环境外设顺次连接；

优化模块分别与综合评价模块和等级比对模块连接；

其中，表征信息采集模块用于采集公路隧道光环境的表征信息；在本实施例中，表征信息采集模块包括采集设备和采集接口；采集设备通过采集接口与表征信息筛选模块连接；采集设备用于采集表征信息，通过采集接口传送至表征信息筛选模块；表征信息的形式有很多种，例如，生物量信息和物理量信息，在本实施例中，采集设备包括生物量采集设备和物理量采集设备，每种采集设备都有多种设备可选，例如，在生物量采集设备中，通过SMIETG眼镜式眼动采集人的眼动指标，通过ETC omm HC-201心电监测仪采集人的心电指标，通过Neur One EEG/ERP高精度脑电测量系统采集脑电指标；又例如，在物理量采集设备中，通过PR-655光谱辐射亮度计采集亮度指标和亮度均匀度，通过ST520色温照度计采集色温指标，通过AS824数字噪音计采集噪声指标，通过wi16530亮度闪烁仪采集闪烁频率指标，通过JY-CSR-LD、CSR-LN微波车辆检测器采集车辆信息，通过DH－T40标准光源对色光箱采集颜色指标，通过SE1800轮廓仪采集车辆的轮廓形状、空间大小，此类采集装置也有很多可选。相对应的，采集接口包括生物量采集接口和物理量采集接口，生物量采集接口与生物量采集设备连接，用于接收生物量的表征信息，物理量采集接口与物理量采集设备连接，用于接收物理量的表征信息，生物量和物理量的表征信息汇总后发送至表征信息筛选模块。

表征信息筛选模块用于去除表征信息中的噪声干扰，得到主成分信息；筛选过程可以通过多种方式实现，例如，在本实施例中，利用IBM SPSS Statistics软件进行主成分分析，将高维度的数据保留下最重要的一些特征，去除噪声和不重要的特征，保证公路隧道光环境表征信息的合理性，同时也能提高系统处理速度。主成分信息的表示方法可以采取多种形式，例如，将主成分信息以数字化形式表示，或者以区划形式表示，例如，表示为极其显著、显著、不显著、无影响，或者类似划分。

等级比对模块用于对主成分信息和/或再生主成分信息进行等级比对，得到表征信息的等级评定；其中主成分信息来自于表征信息筛选模块，再生主成分信息来自于优化模块；等级比对模块包括等级模型和比对运算单元；比对运算单元连接表征信息筛选单元，用于将主成分信息和/或再生主成分信息同等级模型比对，得到等级评定，并将等级评定发送至综合评价模块。等级比对的方式有很多，例如，在本实施例中，使用模糊神经网络对主成分信息和/或再生主成分信息与等级模型进行比对，得出每一项表征信息的等级评定，可选的，等级评定以数字化形式表示，或者以区划形式表示，例如表示为优秀、良好、一般、差，或者类似划分，表示形式可事先定义并存储在等级模型中。

综合评价模块用于对等级评定进行处理，得到光环境构建方案，包括评价运算单元和输出单元；其中，评价运算单元对等级评定进行处理，得到综合评价结果，综合评价结果的表示方式可根据需要采用不同的方式，例如，可以数字化表示，也可以区划形式表示，例如表示为优秀、良好、一般、差，或者类似划分，表示形式可事先定义并存储在评价运算单元中。其中，对等级评定进行处理的方式也有很多种，只要能够对等级评定进行综合处理的方式，均属于本申请保护范围，例如，在本申请中，采用模糊神经网络对等级评定进行处理，得到综合评价结果，这种处理方式，不仅可以综合处理多种等级评定，而且还具备自我学习能力，不断提高处理效果。当综合评价结果达到光环境要求时，例如达到优秀的标准时，即光环境的亮度、色温、均匀度、闪烁频率等，使人感觉舒适、自然，同时又兼顾节能，则输出单元将此时的表征信息汇总并生成光环境构建方案，并输出给光环境调节控制模块。当综合评价结果达不到要求时，例如综合评价结果为一般或差时，综合评价模块的输出单元将此时的表征信息生成缺陷主成分信息并发送至优化模块，优化模块中的调节单元根据标准模型对缺陷主成分信息进行优化调整，生成再生主成分信息后再次进入等级比对模块和综合评价模块，再次进行等级比对和综合评价，如果综合评价结果达到要求，则输出光环境构建方案，若依然不能达到要求，则重复优化过程。其中，标准模型的数据可事先定义并存储在标准模型中。

光环境调节控制模块用于根据光环境构建方案，控制隧道环境外设完成公路隧道光环境构建。公路隧道光环境由多种元素组成，例如，隧道环境外设包括有灯光外设、车况显示外设和通风外设；相应的，光环境构建方案包括灯光方案、车况显示方案和通风方案；相应的，光环境调节控制模块包括光照控制单元、车况显示控制单元和通风控制单元，分别用于根据光环境构建方案生成灯光控制信号、车况显示数据和通风控制信号。其中，灯光外设与光照控制单元连接，用于根据光照控制单元发出的灯光控制信号进行灯光环境调节；车况显示外设与车况显示控制单元连接，用于根据车况显示控制单元发出的车况显示数据进行车况显示；通风外设与通风控制单元连接，用于根据通风控制单元发出的通风控制信号进行通风环境调节。

例如，光环境调节控制模块包含总控制器及其下属的灯具亮度调节电路、灯具色温调节电路、灯具距离调节电路、车流量、车速阈值调节电路及隧道通风调节电路等，总控制器的信号输入端与公路隧道光环境综合评价模块的输出端连接；灯具亮度调节电路的控制输入端与总控制器输出端连接，灯具亮度调节电路的控制输出端与洞内照明灯具的控制输入端连接；灯具色温调节电路的控制输入端与总控制器输出端连接，灯具色温调节电路的控制输出端与洞内照明灯具的控制输入端连接；灯具距离调节电路的控制输入端与总控制器输出端连接，灯具距离调节电路的控制输出端与洞内照明灯具的控制输入端连接；车流量阈值调节电路的控制输入端与总控制器输出端连接，车流量阈值调节电路的控制输出端与洞口电子交通信息牌的控制输入端连接；车速阈值调节电路的控制输入端与总控制器输出端连接，车速阈值调节电路的控制输出端与洞口电子交通信息牌的控制输入端连接；隧道通风调节电路的控制输入端与总控制器输出端连接，隧道通风调节电路的控制输出端与隧道风机的控制输入端连接。

通过上述公路隧道光环境构建系统，构建出了一个全面、安全、符合实际的科学的隧道光环境，同时，如果采集的光环境表征信息达不到要求时，还可以通过优化模块进行优化处理后，重新作出光环境构建方案，模糊神经网络的应用，进一步提高了综合评价模块的评定效果。

如图3所示，本实施例还公开了基于表征信息的公路隧道光环境构建方法，构建方法的每个步骤均与上述系统各个组成部分相对应，构建方法包括如下步骤：

S1.采集公路隧道光环境的表征信息；

S2.对表征信息进行筛选，得到主成分信息；

S3.对主成分信息和/或再生主成分信息进行等级比对，得到主成分信息的等级评定；

S4.对等级评定进行处理，得到综合评价结果，当综合评价结果符合光环境要求时，生成光环境构建方案，并执行S5；当综合评价结果不符合光环境要求时，生成缺陷主成分信息，并将缺陷主成分信息进行优化处理后，生成再生主成分信息，重复S3-S4；其中，对等级评定进行处理的方式有很多种，例如，采用模糊神经网络对所述等级评定进行处理，得到所述综合评价结果，这种处理方式，不仅可以综合处理多种等级评定，而且还具备自我学习能力，不断提高处理效果。

S5.根据光环境构建方案，完成公路隧道光环境构建。

上述方法的具体处理过程已在系统组成部分做了说明，在此不再赘述。

通过上述方法，可以构建出一个构建出了一个全面、安全、符合实际的科学的隧道光环境，同时，如果采集的光环境表征信息达不到要求时，还可以通过优化模块进行优化处理后，重新作出光环境构建方案，模糊神经网络的应用，进一步提高了综合评价模块的评定效果。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。