斜坡面路燈安裝間距的優化算法研究及其應用

黃靜萊，唐文婷，李 勇，閆興睿，張 濤

（1. 內江師范學院 數學與信息科學學院，四川 內江 641110；2. 內江師范學院 計算機科學學院，四川 內江 641110）

斜坡面路燈安裝間距的優化算法研究及其應用

黃靜萊1，唐文婷1，李 勇2，閆興睿2，張 濤1

（1. 內江師范學院 數學與信息科學學院，四川 內江 641110；2. 內江師范學院 計算機科學學院，四川 內江 641110）

針對斜坡面路燈安裝間距選取問題，根據路燈照明原理以及影響路燈安裝間距因素之間的關系，分別設計了一盞燈和兩盞燈優化數學模型，重點討論了兩盞燈之間的最大安裝間距問題，并將模型應用于實際問題，提出了合理的安裝改進方案，減少了路燈安裝成本，提高了路燈的使用效率，并節省了電能資源。

斜坡面；路燈安裝間距；照明原理

路燈作為城市生活的重要組成部分，不僅肩負著城市夜晚照明和交通安全，也扮演著美化城市的重要角色。我國是一個人口大國，隨著電器化時代的發展，我國對電力資源的需求量相當大，目前國家正大力提倡環保和節約能源。不少研究者發現路燈過分強調美化功能，既降低了路燈的照明效率也造成了資源的嚴重浪費，因此對路燈的優化設計及其安裝間距的優化成為研究的熱點。

高尚[1]研究了兩盞路燈優化問題，解決了一排路燈以及街道兩邊路燈的優化模型；韓蘊等[2]研究了路燈的優化排列方式；王巍等[3]分析了照度均勻度和高度均勻度的問題；文獻[4-5]探討了大學校園內路燈的合理布設及優化算法；文獻[6]討論了基于數學建模的城市路燈優化與節能問題。上述研究工作都是基于地面為水平面情況的，但當實際中遇到斜坡面的情況，若同樣按照水平面情況來處理則顯然不合理。

本文針對斜坡面路燈安裝間距選取問題，分析了水平面和斜坡面的區別，根據路燈照明原理以及影響路燈安裝間距因素之間的關系，分別設計了路燈安裝最大間距的一盞燈和兩盞燈優化數學模型，并將模型應用于實際問題，提出了合理的安裝改進方案。

假設以下模型討論的路燈高度為h，路功率為p。

1 水平面上一盞路燈的優化模型

根據物理學知識，被光線照射的物體的亮度依賴于它與光源之間的距離平方的倒數和光線的投射角度[1]。如圖1所示，路燈到A點的光線強度Ⅰ為

其中r為O點到A點的距離。

圖1 水平面上的一盞路燈

照明強度直接影響可見度，只有照明強度不低于c0（c0通常取2

40w/ m），才能認為物體可見。因此，圖1中A點的照明強度cA為

其中α為路燈與A點所在的直線與直線OA的夾角。那么地面上照明強度不低于c0的區域為

時，(5)式無解，地面的物體不可見；當

的區域的物體可見。

2 斜坡面上一盞燈的優化模型

仿照水平面上一盞路燈的可見區域的討論處理斜坡面上的一盞路燈的可見區域。由于斜坡面使得路燈的照明光線到達地面不能像水平面一樣具有對稱性（如圖2所示），因此，圖2中的A點和B點不可能會在同一個照明圓周上，只能分別討論A點和B點的照明強度。根據物理學知識和式(2)知，要求出這兩點的照明強度，需要求出由于斜坡角度而導致的虛擬路燈高度和光照圓周半徑。

圖2 斜坡面上的一盞路燈

設斜坡面的斜度為θ(0≤θ<90°)。如圖2所示建立直角坐標系。路燈照射到斜坡面的兩交點坐標為A( χ1,0)，B( χ2,0)。

構造以A點和B點所在的照明圓周，根據式(2)，A點和B點的照明強度cA和cB分別為

照明強度直接影響可見度，只有照明強度不低于c0（c0通常取40w/ m2），才能認為物體可見。因此，取c=min｛cA,cB}且滿足c≥c0，即可保證路燈的照明效果。例如，根據經驗認為cA≤cB，那么為了能夠保證路燈的照明效果，必須要求cA≥c0，對(6)式進行放縮有

通過對(8)式進行放縮、合并和化解得到，當

時，能夠保證A點的照明效果。

3 斜坡面上兩盞路燈的優化模型

路燈通常是以列的方式應用在城市中，兩兩路燈之間是相互影響的，路燈的間距太長，地面的照明效果不好，路燈的間距太短，造成電能資源的浪費和成本的增加。為了簡化問題，盡考慮兩盞路燈間距（l）的優化問題，斜坡面的斜度為θ(0≤θ<90°)。設兩盞路燈照射到斜面的交點為A，建立直角坐標系如圖3所示。B, C兩點的坐標為B( χ1,0)，C( χ2,0)。

圖3 斜坡面上的兩盞路燈

根據光強原理，路面上某點的總光線強度等于可以照到該點的所有路燈在該點的光線強度之和，即

其中Ⅰi為第i個路燈照到該點的光線強度。

考慮A點的光線強度，根據(9)式，A點的光線強度等于相鄰兩盞路燈照到A點的光線強度之和，再根據(6)式和(7)式分別計算兩盞路燈照到B點的光線強度cA為

同樣，為了保證照明效果，cA必須滿足

那么問題轉化為在A點的光線強度不低于c0的前提下，使路燈之間的間距盡可能的大，因此，其優化模型為

上述規劃問題由于其約束條件(10)式的復雜性使得求解非常困難，在求解中結合了光滑牛頓法[7]和遺傳算法的思想[8]，利用MATLAB[9]軟件得到最優解為

4 實例分析

某高校校內有兩段斜面路段，路的兩邊非均勻地安裝著路燈（如圖4和圖5所示）。路燈選用的是八叉九火玉蘭燈（圖6所示），為了應用本文路燈間距優化模型檢驗路燈的安裝間距是否合理，假設每盞路燈上燈泡的排列方式不影響光線強度的改變，將每盞路燈的多燈泡功率之和視為一個燈泡的功率。

圖4 某高校斜坡面1上路燈

圖5 某高校斜坡面2上路燈

圖6 某高校八叉九火玉蘭燈特寫

利用全站儀、棱鏡、鋼卷尺和經緯儀測得優化模型中所涉及到的參數見表1，其中實測路燈安裝距離為路燈的平均間距（路燈之間的間距并不完全相等），所測的數據都只保留小數點后兩位有效數字。

表1 斜坡面參數值及結果值

將所測參數代入(13)、(14)式所得結果也列于表1。

從表1可以得到兩斜面的最優間距分別為

與實測安裝間距比較

(17)和(18)式表明，該高校的兩段斜面路燈安裝間距過小，沒有充分利用此功率路燈的效率，可以適當增加這兩段斜面路燈安裝間距。

5 結論

研究針對路燈安裝間距選取問題，將水平面上路燈安裝問題推廣到了斜坡面上路燈的安裝問題，探究了兩者之間的聯系和區別，提出了一盞路燈和兩盞路燈最優間距的優化模型，并將模型應用于實際問題，并提出了合理的安裝改進方案。

[1] 高尚.路燈安置優化問題研究[J].數學的實踐與認識,2004, 34(1):1-6.

[2] 韓蘊,張兵.一種城市路燈合理排布的優化設計方法[J].物理學與社會,2007,36(4):331-333.

[3] 王巍,葛愛明,邱鵬,王俊偉,等.基于路面亮度系數表的路燈配光優化及透鏡設計[J].照明工程學報,2013,24(2):75-77.

[4] 梁棟,高清平,沈婷婷.大學校園路燈合理布設及優化方法研究[J].中文信息,2013(2):87-88.

[5] 祝洪波.大學校園路燈照明系統的設計探討[J].現代物業, 2011,10(3):87-88.

[6] 張家昕,仇海全,盧中其.基于數學建模的城市路燈優化與節能研究[J].安徽科技學院學報,2011,25(1):53-55.

[7] 謝亞君,馬昌鳳.求解非線性規劃問題的光滑牛頓法[J].福建師范大學學報(自然科學版),2011,27(5):17-22.

[8] 劉道建,黃天民.序列無約束極小化技術和遺傳算法在非線性規劃中的應用[J].內江師范學院學報(自然科學版),2002, 17(2):3-6.

[9] 張志涌.精通MATLABR2011a[M].北京:北京航空航天大學出版社,2013.

（責任編輯、校對：趙光峰）

The Research of Streetlights Installation Spacing Optimization Algorithms in the Slope Surface and Its Application

HUANG Jing-lai1, TANG Wen-ting1, LI Yong2, YAN Xing-rui2, ZHANG Tao1

(1. College of Mathematics and Information Science, Neijiang Teachers College, Neijiang 641110, China; 2. College of Computer Science, Neijiang Teachers College, Neijiang 641110, China)

For the streetlights installation spacing in the slope surface selection problem, according to the principle of streetlights and the relationship between the factors influencing the streetlights installation spacing, one streetlight and two streetlights optimization mathematical model are designed respectively. The biggest installation spacing between the two streetlights is discussed, and it is applied to practical problems. The reasonable installation improvement scheme, which reduces the streetlights installation cost, improve the efficiency of the use of streetlights and save the energy resources, is put forward.

slope surface; streetlights installation spacing; lighting principle

O221.2

A

1009-9115(2015)02-0013-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2015.02.004

四川省教育廳一般科研項目（12ZB266），數值仿真與數學實驗教學示范中心大學生實驗項目（0001247）

2014-09-16

黃靜萊（1994-），女，新疆烏魯木齊人，內江師范學院學生。

張濤（1982-），男，四川雅安人，講師，研究方向為應用數學。