数学建模(路灯).doc

数学模型实验论文

路灯安置优化问题

一、 摘要：
现代社会，经济不断发展人民生活水平不断提高，国家采取了一系列的措施让人民生活得更舒适，而在路上安装路灯就是其中一项重要的举措。这里我从一盏灯的照明情况的分析出发，研究怎样合理的设计路灯的度和路灯之间的间距才能满足人们的需求。首先分析路灯照明的特性，然后建立一盏灯时面积使最大的模型及两盏灯时时路灯间距最大的模型，在此基础上建立一排路灯及两排路灯的数学模型，分析两种情况何时须灯数最少即最节约能源，其中由实际情况和生活经验来看，两排灯时交错分布照明是比较均匀的，所以在两排灯时考虑灯交错分布的情况。
关键词:
照明强度、路灯设计、路灯高度、间距的优化
二、问题的提出：
目前大多数公共场所都安装了路灯，路灯的高度和路灯之间的间距一般是依靠经验进行设置的，并没有从优化的角度进行考虑。在能源日益减少的今天，我们应该考虑怎样尽可能的节约能源，并且作为路段整体设计的一部分路灯的安排也直接影响到社会公共环境。经过对我校校园内几条道路的路灯设计的观察，对校园整体室外照明有了一定的了解。在调查时A 路正在安装路灯，为获取数据的方便取该路段为研究对象。
三、背景知识：
1．光强度：光源在一定范围内发出可见光辐射强弱的物理量。以光源在某一方向上单位立体角辐射的能量来量度。（单位：坎德拉）
2．照度：单位面积上得到的光通量。（单位：勒克司）
3．通量：人眼所能感觉到的光辐射的功率。单位时间光辐射的能
和相对视见率的乘积。（单位：流明）
4．对于眼睛最敏感的 波长的黄绿光来说，1流明相当于1/685瓦特。一般常见或需要的照度：晴朗夏天室外背荫处得照度为1000-10000流明。
5．为保证在该路段上处处都能有满足正常活动需要的照明强度，取照度的最小值为 ，即为13700流明。
6．照度定律：点光源O预备照明平面中心A的距离为h时，平面上A点的照度。

符号规定：
p为 O点的光强度，a为平面的法线方向与光源到A点的连线之间的夹角,h为光源的高度，l为光源到A点的距离。

四、模型的假设：
1. 假设高度和间距的优化问题为简化模型设路灯的额定功率为定值（注：数据来源 A路的路灯标签额定功率为220伏，额定电流为10安，所以取额定功率）。

2.在考虑一排路灯的情况时，假设为完全规范的，即处处等宽。即宽度为 5米。（数据来源：实地测量A路的宽度）
3.据相关物理知识，照明强度直接影响可见度，只有照明强度不低于某定值c。时，才能认为物体可见。在这里假设所有物体均匀的 。
4.路长的计算：所考虑路段路的两侧均铺有花砖，所以用砖的块数乘以每块砖的边长在乘灯数减1来计算路长，经观测灯的间距大致相同，仅有少数有些差别，取平均值为64块砖。路长：L=64*0.29*14=260米 。
5.假设通过路灯的额定电压为220V，电流为10A 。

参量变量：
路灯的高度 h ；
路灯的功率 p ；
使物体可见的最低照明强度为13700明朗 ；
路灯的间距 l ；
路的宽度 d=5米 ；
路长 L=260米 ；
r为灯到点A的距离；

五、组建模型：
一. 一盏路灯的优化问题:

由物理学知识可知，被光线照射的物体的亮度依赖于它与光源之间的距离平方的倒数和光线的投射角度。则路灯到某点A的照明强度为 ：
（其中p为灯的功率，h为灯的高度，r为灯到点A的距离）。
地面上物体可见的区域为：
只有时有解时，且 的区域物体可见，物体可见区域的面积为以O为圆心，以 为半径的圆，其面积为： =
对s关于h求导可得 时，面积达最大值，可求得路灯得最优高度。 h= 其中 p=2200w ,可得最优高度h为4.60米。

二 . 两盏路灯间距最小的的优化问题:
主要考虑当高度为何值时，两灯的距离可达最小值；

K
L
M
N
Q
R

如图，A点的照度在路面的各点中最小，所以l和 h的只需满足 即可。

用求解Maple 程序如下：
> fsolve({(1./4*l^2+25+h^2)^3=(220*h)^2,h=5},{l,h});
> fsolve({(1./4*l^2+25+h^2)^3=(220*h)^2,h=5.5},{l,h});
> fsolve({(1./4*l^2+25+h^2)^3=(220*h)^2,h=6},{l,h});
> fsolve({(1./4*l^2+25+h^2)^3=(220*h)^2,h=6.5},{l,h});
> fsolve({(1./4*l^2+25+h^2)^3=(220*h)^2,h=7},{l,h});
> fsolve({(1./4*l^2+25+h^2)^3=(220*h)^2,h=6.4},{l,h});
> fsolve({(1./4*l^2+25+h^2)^3=(220*h)^2,h=6.6},{l,h});
>
h=6.5 时 l 最大为15. 5米

三 . 一排路灯的优化问题:
优化目的是确定路灯高度h和路灯之间的距离l，使得路灯之间的距离最大。

H
I
J
K
L

1.求最大路灯间距：
由上图可知,路灯l和m之间的路段，与中点Q相对的R点的照明强度最小，并且计算该点照明强度时，只需考虑路灯K,L,M,N对其的影响，其他较远的路灯对其的影响可忽略。
R点的照明强度为：

且要使R点的物体可见应有：c≥c0
其中p=2200w, d=5m, 求使得l最大的h值，具体做法：取一系

列h值求使得c= 的l值，比较l的大小取最大值。
用Maple求解，得h=6.6米时，l最大。最大值为16.5米。

A
C
E
G
H
J
2．考虑边界问题

可解得：x=3.5时c=20，此时x最大。

3．计算所需的总的灯数 ：260-3.5=256.5 256.5=15*16.5+9
因为9>3.5 所以路的另一端还需一盏灯，所需灯的总数为17盏。

四.两排路灯的优化问题:
路灯的布点是否适当直接关系到照明的效果。双侧布灯大体有两种方式：
一种是对称布置，另一种是交错布置，各有优劣。对称布置的优

点是比较美观，但不足之处是照度不够均匀，适合较宽的道路。交错布置美观上不如对称布灯，但照度比较均匀。由于校内道路即使是干道也不很宽，如果对称布置照度不均匀的缺点会更加突出，所以事实上选择交错布置的方式更好。

由图可知，照明强度最低的点一定出现在路的中线上，且对图中AB段照明强度呈周期性变化，所以只需使AB的中点C照明强度大于等于20 即可。并且计算该点照明强度时，只需考虑路灯J,H,M,N对其的影响，其他较远的路灯对其的影响可忽略。
用Maple求解，得h= 6米时，l最大。最大值为36.9米。
再考虑边界问题，如上面边界图所示。A、 C两点为路的边界，设距A点最近的灯E与A的距离为x米，则J点的照明强度为：（只考虑E和H两灯的影响）
可解得：x=6 时c=20，此时x最大。
计算所需的灯数：
在AE边上，AE=6米，260=6+36.9*6+32.6，所以该边需装灯7盏，且另一端剩余32.6米。在CG边上CH=6+l/2=24.45米，260=24.45+36.9*6+13.15，所以该边装灯7盏时距另一端13.15米，13.15>6米，所以改变还需一盏灯，即总需8盏。
综上，安装两排灯时所需总数为15盏。

五 .结论：
根据上述计算可知，安装两排灯时所需灯数较少，所以此种情况更能节约用电。
实际情况分析：
据调查，该路段长260米，宽5米，灯高4米，间距18.56米，灯的功率2200瓦，灯共计15盏
经计算照明强度最小点的值为13.04 ,所以照明强度过低，建议增加灯的数目。
六、结束语：
大范围、复杂环境的路灯设计需考虑的因素非常多。而我们这里只是讨论了其中的一小部分，要想精确的计算出路灯的分布是哪种最合理，还需要认真调查，认真思考，进行多次讨论，按照多方面的要求统一协调，综合考虑，要根据实际发生的情况解决具体施工问题。校园不同的区域有不同的功能，同时环境也比较复杂。在设计室外照照时需要考虑的方面非常多。并且应考虑所选灯的类型，校园中一些支路上照度要求不很高，同时需要营造比较幽静的气氛，白帜灯正好满足这些要求。　

七、参考文献：
[1] 数理化基础知识 物理（四） 田均福等编 山东科学技术出版社 1980 济南

[2] 简明物理学词典 许国宝 王福山等编 上海辞书出版社 1984 上海
[3]数学的实践与认识 第34卷第1期 2004年1月 路灯安置优化问题研究 高尚