霧霾天氣情況下的智能路燈分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)

田博文, 李 瓊，吳晨江，張 釗，王貴紅，尹春杰，戴 源

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通得到了迅速的提升，人們對(duì)城市交通的道路照明質(zhì)量提出了越來越多的要求。根據(jù)國際照明委員會(huì)調(diào)查報(bào)告表明：夜間良好的道路照明至少會(huì)降低城市道路交通事故率30%，高速公路交通事故率減少30%，鄉(xiāng)村道路交通事故率45%。而數(shù)據(jù)表明霧霾天氣的交通事故率比平常多了20%，其主要原因是由于路面可見度太低造成的。近幾年，Kurniawan B A、Dumont Eric 、徐何辰[1-3]等學(xué)者的研究實(shí)驗(yàn)表明：在霧環(huán)境下，一般情況下短波 LED 比長波 LED 更易發(fā)生散射，RY 色比 RB 色 LED 更為可見，且對(duì)于RY 色 LED，其飽和度和亮度受霧影響最小。禚寶國、韓帥[4-5]等根據(jù)車輛在霧霾下行駛的特點(diǎn)，人工模擬出了不同濃度的霧環(huán)境和霾環(huán)境。分析了不同環(huán)境下，LED燈具、金鹵燈以及鈉燈三種典型戶外光源燈具的透射率，從而得出在不同濃度的霧以及不同濃度的霾中各種光源的穿透性。在前人的研究實(shí)驗(yàn)中，很少有人對(duì)交通事故率進(jìn)行系統(tǒng)的分析并將其和提高路面可見度緊密聯(lián)系，本實(shí)驗(yàn)為了降低霧霾天氣情況下的交通事故率并提高霧霾天氣情況下的路面可見度，分別研究LED燈的透霧性和透霾性，并通過改變現(xiàn)有LED路燈的色溫及光照強(qiáng)度來改變路面可見度。本實(shí)驗(yàn)中的LED燈更適合于減少霧霾天氣情況下的交通事故率并提高路面可見度。并且本實(shí)驗(yàn)利用大量數(shù)據(jù)的采集將霧霾濃度分為三個(gè)等級(jí)，使得在不同霧霾等級(jí)情況下都能有效控制路面可見度，從而降低交通事故率。

1 數(shù)據(jù)測(cè)量及采集

1.1 國標(biāo)

根據(jù)表1所示，可知不同路段及不同交會(huì)區(qū)的平均照度要求，在支路、次干路等車流量較小的路段照度要求較低，一般為10LX左右；而在主干路及其交會(huì)區(qū)等，多為30LX左右[6]。這里我們主要研究主干路及其交會(huì)區(qū)的照明問題。

表1 各路段照明要求

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量方法

根據(jù)表1給出的各路段所需照度，利用亮度計(jì)測(cè)量在不同路段不同時(shí)間段以及不同天氣情況下的流明[7]，從而改變路燈的開啟，以達(dá)到表1中所示的相關(guān)路段的平均照度及所允許的最小照度均勻度為標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目調(diào)試了不同色溫、光類別對(duì)應(yīng)不同霧霾濃度時(shí)的可見度，并在保證功效和經(jīng)濟(jì)效益下適合的流明數(shù)。

圖1 交通測(cè)點(diǎn)圖

本文測(cè)量了華北科技學(xué)院主路段、路段交叉口及其附近相關(guān)道路的的照明情況(如圖1所示)。通過路燈在不同霧霾濃度情況下的照射，同時(shí)利用照度計(jì)對(duì)流明進(jìn)行記錄。實(shí)測(cè)儀器如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)儀器表

根據(jù)測(cè)得的濃度值，改變光的色溫、照度及相關(guān)參數(shù)是流明數(shù)達(dá)到正常閾值，選用LED白光燈、LED暖光燈對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄、數(shù)據(jù)分析，最終確定一套完整的三級(jí)調(diào)控下的濃度值、光照強(qiáng)度及色溫等。

選取圖1中的測(cè)量點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)上安裝2 m高的模擬路燈來代替實(shí)際路燈進(jìn)行試驗(yàn)。在路燈下面放上照度計(jì)來顯示地面光照強(qiáng)度，調(diào)節(jié)LED路燈光照強(qiáng)度和色溫來觀察并記錄照度計(jì)的示數(shù)。分析不同霧霾濃度下照度最大值所對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度和色溫。通過改變電路定值電阻的大小，在不同霧霾濃度條件下，通過放大電路后路燈的亮度和色溫改變，最終得到可見度最佳值。

1.3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

以測(cè)量華北科技學(xué)院主干路為主，測(cè)量其周邊交匯口及次干路的影響。主干路段車流量較大，以傍晚車流量為主，每小時(shí)車流量為1200輛左右，午間及清晨車流量較少。

隨著霧霾濃度的增長，路面可見度越來越低，所測(cè)得的流明數(shù)也呈下滑趨勢(shì)，并對(duì)交通造成直接影響。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)霧霾天氣情況下的交通事故率比正常天氣狀況下多30%。也同時(shí)測(cè)得隨著LED燈的色溫升高，流明數(shù)呈現(xiàn)曲線上升并逐漸趨于平衡，若只改變光照強(qiáng)度依然得到相似曲線，若同時(shí)提高色溫及光照強(qiáng)度則曲線上限則會(huì)提高，故可知在同時(shí)調(diào)節(jié)的情況對(duì)道路照更有利。

該試驗(yàn)對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析(如表3所示)，并根據(jù)中中央氣象臺(tái)發(fā)布的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將霧霾等級(jí)分為三等[8]，分別0～150,150～300,300～500(μg/m3)三個(gè)等級(jí)，并在不同霧霾濃度下選擇光源的開啟，通過大量數(shù)據(jù)測(cè)得具體的色溫及光照強(qiáng)度，使霧霾對(duì)路面可見度的影響降低。由圖2可知，2016年第四季度霧霾等級(jí)三級(jí)為13天，二級(jí)為24天，一級(jí)為54天?？芍?016年霧霾濃度等級(jí)主要集中在第一等級(jí)。圖3表明，路燈工作時(shí)段霧霾濃度分布情況在夜間6點(diǎn)到凌晨2點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，在兩點(diǎn)之后的霧霾濃度逐漸下降。其中車流量高峰期也在夜間6點(diǎn)到凌晨1點(diǎn)鐘左右，霧霾等級(jí)主要集中在第二等級(jí)。

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)表

圖2 霧霾季濃度折線圖(2016年第四季度)

圖3 路燈工作時(shí)段霧霾濃度隨時(shí)間變化曲線

2 透霧、透霾性研究方案

2.1 透霧性研究

如圖4可知，在霧濃度不同情況下。黃光透霧性能最好、紅光和綠光的透霧性能次之、藍(lán)光的透霧性能最差，白光 LED 的透霧性能與紅光、藍(lán)光差不多。即使目前為止沒有一個(gè)公式表明霧以及污染物的顆粒散射光強(qiáng)與波長的關(guān)系，但是多個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明了黃光波長的光受到的散射最小，穿透力最強(qiáng)[9-10]。

由于LED燈的白光透過率不如黃光，所以我們?cè)谠新返戎屑尤敫袘?yīng)開關(guān)，并根據(jù)霧霾濃度的變化依次亮起不同色溫、不同類型的燈光，使其能夠在不同霧濃度情況下提高路面可見度。

圖4 霧霾濃度與穿透率的關(guān)系

圖5 光類型與穿透率的關(guān)系

2.2 透霾性研究

不同種光源在不同霾濃度下的透過率變化趨勢(shì)如圖7所示， 在同一霾濃度下(2檔)各光源的透過率對(duì)比如圖5至圖6所示。(1)隨著霾濃度的提高，所有光源的透過性都有所下降。(2)不同光源透霾能力不同，他們的透過率大小為：LED燈>金鹵燈>白熾燈>鈉燈。LED燈具透霾的能力最強(qiáng)。 (3)對(duì)于白光LED，色溫越高，透霾的能力越強(qiáng)。(4)在霾濃度較大時(shí)，不同顏色LED等透霾能力依次為：黃光>紅光>綠光>藍(lán)光。

圖6 燈的類型與穿透率的關(guān)系

綜上所述，提高光的色溫可同時(shí)增強(qiáng)透霧及透霾能力，而LED燈的透霾能力在各光源間也是最強(qiáng)的，故本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)霧、霾的獨(dú)立分析得出能夠控制可見度的影響因素。

圖7 不同霾濃度下光照度的變化

3 路燈分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制元件

本文通過激光對(duì)光敏元件的照射控制其阻值的大小，輸出電壓通過運(yùn)算放大器與標(biāo)準(zhǔn)值比較，從而控制繼電器的開關(guān)，使路燈的照度和色溫發(fā)生變化。如圖8所示，當(dāng)沒有光照射時(shí)光敏電阻的阻值很大，也是最大的時(shí)候，此時(shí)流經(jīng)電路的電流最小，隨著光照強(qiáng)度的增加會(huì)引起光敏電阻的阻值下降，同時(shí)電流增大，電路中的電流就隨之急劇增加。

圖8 光敏電阻示意圖

3.2 路燈設(shè)計(jì)

圖9為路燈設(shè)計(jì)方案，控制裝置中，氣體通過進(jìn)氣口進(jìn)入腔道，通過擋光板后外界光照對(duì)腔道內(nèi)影響趨近于零。此時(shí)激光對(duì)光敏電阻進(jìn)行照射，到達(dá)光敏電阻的激光直接影響其電阻變化，如果大氣中霧霾濃度升高，根據(jù)其升高的幅度光敏電阻也會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的阻值，從而改變光照及色溫。

圖10為路燈內(nèi)部具體原理圖，通過放大器放大光敏電阻的阻值，從而影響整個(gè)電路，使得電路阻值變大，路燈兩端電壓變大，功率增大路燈變亮。本文使用三級(jí)變光，并通過色溫及功率的雙重調(diào)控改變可見度，通過前期調(diào)查研究可行方案找到合適的霧霾濃度對(duì)應(yīng)合適的光照及色溫，從而提高整個(gè)路燈的可見度。并將這套原理放入上述電路圖中。

圖9 路燈原理圖

圖10 電路原理圖

4 結(jié)論

(1) 對(duì)華科附近快速路、主干路及其交會(huì)口的霧霾濃度車流量的測(cè)量，結(jié)果顯示霧霾濃度主要集中在150～300(μg/m3)之間。

(2) 通過實(shí)驗(yàn)分析可以得出在霧霾濃度升高時(shí)提高路燈色溫和照度會(huì)提高燈光的穿透性，來提高霧霾天氣下路面可見度。

(3) 將霧霾濃度分為三個(gè)等級(jí)，在不同等級(jí)下采用不同色溫和照度的燈光，使得在不同霧霾濃度下的可見度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。

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