一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法技术

本发明专利技术涉及隧道照明计算技术领域，尤其涉及一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法，包括步骤：S1.建立隧道内壁材料的双向反射分布函数模型；S2.计算灯具直射引起的计算点的视亮度；S3.对隧道侧壁进行离散化；S4.依次计算出侧壁的侧壁单元上对计算点处产生的光强值；S5.计算路面计算点考虑侧壁反光增量的视亮度；S6.将S2和S5得到的视亮度相加，得到路面计算点考虑隧道侧壁反光增量的视亮度值。本发明专利技术通过考虑使用BRDF，相比较现有规范中的路面双向反射系数表以及漫反射系数，更能反映隧道内壁材料的反射特性，因此能补充完善现有照明计算方法。明计算方法。明计算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法


[0001]本专利技术涉及隧道照明计算
，尤其涉及一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法。

技术介绍

[0002]在隧道里，行驶中的车辆往往处于一个较为危险的交通环境，车辆密度、车速、内部光线、空间、交通安全设施等因素都有可能是引发交通事故的危险源。因此，一旦发生交通事故，后果极其严重。2021年中国政府工作报告明确提出,在2030年中国要实现碳达峰，碳达峰后逐步减少净排放量，2060年实现碳中和；在隧道中灯具的更新换代，高压钠灯逐渐被淘汰，LED灯具广泛采用，且在物联网、大数据技术迅速发展的背景下，LED灯具的智能控制技术也快速进步，逐渐向“按需照明”发展。
[0003]视亮度是交通安全运营和节能重要的指标，根据国内外公路隧道照明规范对亮度的描述如：(CIE，2004；IESNA，2011；JTG，2014)为在驾驶员驾驶车辆行驶过程中，视线观测前方一倍停车视距处路面上的亮度值。各规范均推荐采用CIE(CIE，2001)现场测量得出的路面双向反射系数表(路面C，R，N，W表)查表计算视亮度值；JTG在亮度计算中没有考虑侧壁对亮度提高的影响，仅考虑直射的亮度贡献；CIE,IESNA(CIE，2010；IESNA，2011)规范考虑了直射和间接反射对亮度的贡献，同时侧壁对路面产生的反射增量使用漫反射系数来表征侧壁的反射特征。然而整个亮度的表达过程却未考虑隧道内材料表面真实的反射特征以及路面的纵坡和横坡的坡率等因素对视亮度计算的影响。
[0004]Galatanu等人在文献“Measurement of Reflectance Properties of Asphalt using Photographical Methods”指出已有大量发表的研究描述了表面反射在隧道照明中的作用。Cantisani等人在文献“Comparative Life Cycle Assessment of Lighting Systems and Road Pavements in an Italian Twin
‑
Tube Road Tunnel”通过计算并比较了在意大利双管公路隧道中不同环境组成的生命周期评估；结果表明，使用反射性更强的路面材料和性能更好的照明系统可以有效减轻道路有害负担。Shen等人在文献“Diffuse reflection
‑
based lighting calculation model and particle swarm optimization algorithm for road tunnels”基于侧壁离散化和理想漫反射条件下建立隧道照明的数学优化模型，研究了隧道内灯具几何参数的优化方案，有效降低了隧道中段照明能耗。在此类相关的研究中通过建立模型、不同的评估方法对隧道照明相关参数进行了研究，大大地节约了隧道段内的照明能耗。
[0005]但是，现有的隧道照明方法因难以准确描述内壁的反射特性，故导致其计算亮度值和实测亮度值差距大，专利技术一种准确考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法迫在眉睫。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法，用于解决现
有技术中隧道照明方法因难以准确描述内壁的反射特性，故导致其计算亮度值和实测亮度值差距大的技术问题。为此，本专利技术通过引入隧道内壁的双向反射分布函数，来准确描述隧道内壁材料的反射特征，进而缩小计算理论值和实测值的差距，达到良好的计算精度。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法，包括以下步骤：
[0009]S1.建立隧道内壁材料的双向反射分布函数模型；
[0010]S2.计算灯具直射引起的计算点的视亮度；
[0011]S3.对隧道侧壁进行离散化，利用有限元思想将隧道内饰材料离散成一系列具双向反射分布函数的单元，并在照明计算过程中将其视作单元光源，其具体尺寸取决于计算精度需求，离散尺寸越小则计算精度越高；
[0012]S4.依次计算出侧壁的侧壁单元上对计算点处产生的光强值；
[0013]S5.计算路面计算点考虑侧壁反光增量的视亮度；
[0014]S6.将S2和S5得到的视亮度相加，得到路面计算点考虑隧道侧壁反光增量的视亮度值。
[0015]进一步地，S1中，建立的双向反射分布函数模型如下：
[0016][0017][0018]其中，是定入射散射角度的材料BRDF，θ
i
,θ
r
,分别是入射角、反射角、方位角，是反映材料表面镜面反射情况的相干分量，反映材料表面漫反射相干分量；其中k
d
,k
b
,k
r
,a,b都是待定参量，是遮盖函数，对于隧道内的侧壁采用高漫反射材料，故遮盖函数取值为1；α表示的是微观小平面法线方向与Z轴之间的夹角；γ表示的是微观平面上本地坐标系的入射角；
[0019]对于路面采用水泥板，使用简化的五参量模型进行描述，如下：
[0020][0021]模型各参量的选择标准是模拟实验数据的标准差最小，标准差均方误差按下式计算：
[0022][0023]其中x＝[k
b
,k
d
,k
r
,a,b]T
为模型参量的列向量；f
r
为模型的拟合数据；是实测数据；g1(θ
i
)和g2(θ
r
)是加权函数，用于在试验间距不均匀时调整各项误差对总误差的影响，均为等距测量，故两个加权函数均取1。
[0024]进一步地，其中，S2中计算灯具直射引起的计算点的视亮度，其公式如下：
[0025][0026]多个灯具直射在计算点处的照度如下：
[0027][0028]式中:为第i个灯具直射在计算点f对点p处产生的亮度值；E
fi
为灯具i在隧道内路面计算点f产生的水平照度；I(c,γ)为灯具i中心指向计算点p的光强值，按照灯具IESNA文件提供的光强表内插取值；H为光源中心至地面的高度；γ为计算点f对应的灯具光线入射角；φ为灯具额定光通量；M为灯具的养护系数；表示具有一定条件的路面材料的BRDF值。
[0029]进一步地，其中，S4中依次计算出侧壁的侧壁单元上对计算点处产生的光强值，公式如下：
[0030][0031][0032]式中：I
fb
为所有灯具在第b单元光源上产生总的发光强度；I
ab
为第a个灯具在第b单元上产生指向计算点f的光强值；I(c
ab
,γ
ab
)为第a灯具在第b单元光源上的光强值，按灯具光强表内插取值；θ为第a灯具中心与第b矩形单元中心的连接线和b矩形单元法线方向之间的角度；D0为第a灯具与第b矩形单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立隧道内壁材料的双向反射分布函数模型；S2.计算灯具直射引起的计算点的视亮度；S3.对隧道侧壁进行离散化，利用有限元思想将隧道内饰材料离散成一系列具双向反射分布函数的单元，并在照明计算过程中将其视作单元光源，其具体尺寸取决于计算精度需求，离散尺寸越小则计算精度越高；S4.依次计算出侧壁的侧壁单元上对计算点处产生的光强值；S5.计算路面计算点考虑侧壁反光增量的视亮度；S6.将S2和S5得到的视亮度相加，得到路面计算点考虑隧道侧壁反光增量的视亮度值。2.根据权利要求1所述的一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法，其特征在于，S1中，建立的双向反射分布函数模型如下：S1中，建立的双向反射分布函数模型如下：其中，是定入射散射角度的材料BRDF，θ
i
,θ
r
,分别是入射角、反射角、方位角，是反映材料表面镜面反射情况的相干分量，反映材料表面漫反射相干分量；其中k
d
,k
b
,k
r
,a,b都是待定参量，是遮盖函数，对于隧道内的侧壁采用高漫反射材料，故遮盖函数取值为1；α表示的是微观小平面法线方向与Z轴之间的夹角；γ表示的是微观平面上本地坐标系的入射角；对于路面采用水泥板，使用简化的五参量模型进行描述，如下：模型各参量的选择标准是模拟实验数据的标准差最小，标准差均方误差按下式计算：其中x＝[k
b
,k
d
,k
r
,a,b]
T
为模型参量的列向量；f
r
为模型的拟合数据；是实测数据；g1(θ
i
)和g2(θ
r
)是加权函数，用于在试验间距不均匀时调整各项误差对总误差的影响，均为等距测量，故两个加权函数均取1。3.根据权利要求1所述的一种考虑隧道内壁BRDF的隧道视亮度计算方法，其特征在于，其中，S2中计算灯具直射引起的计算点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何世永，刘豪，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：