高速公路隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)

范士娟，李 偉

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013）

隧道照明是保障公路隧道安全行車(chē)和運(yùn)營(yíng)的重要組成部分，同時(shí)也是隧道內(nèi)能耗最大的環(huán)節(jié)[1]，因此，多個(gè)國(guó)家制定了隧道照明的設(shè)計(jì)規(guī)范，如CIE[2]（commission international d'eclairage），BS[3]（Britain lighting standards）和IES[4]（illuminating engineering society of North America）等。對(duì)于隧道照明系統(tǒng)而言，照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接決定著整個(gè)照明系統(tǒng)的優(yōu)劣?，F(xiàn)有的控制方法主要包括手動(dòng)控制方法、時(shí)序控制方法和自動(dòng)控制方法。手動(dòng)控制和時(shí)序控制方法易于實(shí)施，在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定可靠，但不能夠根據(jù)天氣、車(chē)流量和車(chē)速的變化對(duì)洞內(nèi)亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，基本上沒(méi)有節(jié)能效果，存在著很大的電能浪費(fèi)[5-7]。自動(dòng)控制方法按調(diào)光的連續(xù)性可分為有級(jí)調(diào)光和無(wú)級(jí)調(diào)光。在LED燈應(yīng)用于隧道照明之前，我國(guó)隧道照明系統(tǒng)大多采用有級(jí)控制方式，但也存在著一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在:1因布線回路的限制只能做到2～4級(jí)自動(dòng)控制，洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速等參數(shù)只是在設(shè)計(jì)階段以最大值考慮，最終各段照明亮度也始終是處于最大值狀態(tài)，照明系統(tǒng)效率偏低，存在著大量的電能浪費(fèi)；2營(yíng)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生與行車(chē)安全和隧道監(jiān)控之間矛盾等問(wèn)題[8-9]。本文利用LED燈的優(yōu)越性能，尤其是它相比于其它照明燈具易于控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)，可根據(jù)洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整洞內(nèi)亮度，實(shí)現(xiàn)隧道照明的連續(xù)調(diào)光，不僅保證隧道的安全運(yùn)營(yíng)，而且降低隧道的電能消耗。

1 隧道照明系統(tǒng)的整體控制方案

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用于隧道照明自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)，主要由車(chē)流量采集器、車(chē)速采集器、亮度采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、照明控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和配套的LED隧道燈組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。車(chē)流量采集器、車(chē)速采集器和亮度采集器采集到的隧道車(chē)流量、車(chē)速和洞外亮度信息，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊處理后傳送給隧道控制室內(nèi)的照明控制計(jì)算機(jī)，按照事先設(shè)定好的調(diào)光控制邏輯，計(jì)算出洞內(nèi)各區(qū)段的亮度，并根據(jù)隧道各區(qū)段亮度值及LED燈功率曲線計(jì)算出每一節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電源所需輸入的控制電壓，通過(guò)信號(hào)傳輸電纜把調(diào)光控制指令發(fā)送給各個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源根據(jù)得到的指令調(diào)整LED燈的功率，并反饋相關(guān)信息給照明控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)照明系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)光。

圖1 隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of tunnel lighting auto-control system

圖2 隧道照明的理論需求曲線Fig.2 Theory demand curve of tunnel lighting

2 隧道照明系統(tǒng)的自動(dòng)控制策略及亮度計(jì)算模型

一般有級(jí)調(diào)光在設(shè)計(jì)階段對(duì)環(huán)境參數(shù)以最大值考慮，沒(méi)有考慮跟隨環(huán)境參數(shù)的變化去調(diào)光，或由于燈具及布線回路的限制只能做到幾級(jí)調(diào)光；無(wú)級(jí)調(diào)光并不是絕對(duì)的連續(xù)調(diào)光，但能夠更加精細(xì)的劃分調(diào)光級(jí)數(shù)，接近于連續(xù)控制。

隧道照明系統(tǒng)的控制策略主要依據(jù)《公路隧道照明通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）中的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，其原理為:根據(jù)隧道洞內(nèi)亮度適應(yīng)曲線、隧道洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速信息建立隧道各區(qū)段亮度數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)這些模型對(duì)隧道照明燈具進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)光控制，使隧道內(nèi)實(shí)際亮度值很好的接近亮度適應(yīng)曲線，實(shí)現(xiàn)隧道的節(jié)能。

根據(jù)《規(guī)范》，長(zhǎng)大隧道照明區(qū)段可分為入口段、過(guò)渡一段、過(guò)渡二段、過(guò)渡三段、中間段和出口段（見(jiàn)圖2）。圖中，L20(S)為洞外亮度，Lth為入口段亮度，Ltr1～Ltr3分別為過(guò)渡一段～過(guò)流三段的亮度，Lin為中間段亮度。按照規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建立隧道照明各區(qū)段亮度的數(shù)學(xué)模型，每一次調(diào)光計(jì)算出相應(yīng)各區(qū)段所需的亮度值，換算出LED燈所要調(diào)整的功率信息傳送給驅(qū)動(dòng)電源。為了滿足人眼對(duì)亮度的適應(yīng)要求，對(duì)LED燈的控制采用256級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)光方式，使整個(gè)調(diào)光區(qū)域看起來(lái)像線性調(diào)節(jié)。為了保證隧道內(nèi)行車(chē)的安全，在調(diào)整洞內(nèi)亮度時(shí)，采用亮度漸變的控制方式，逐級(jí)分段的達(dá)到所需的亮度要求，避免亮度的突然變化。過(guò)于頻繁的觸發(fā)調(diào)光不利于人眼的適應(yīng)，一定程度上還會(huì)降低燈具的使用壽命，所以控制過(guò)程中采用時(shí)間觸發(fā)方式，每過(guò)3～5 min采集一次洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次亮度需求的計(jì)算。

隧道各區(qū)段亮度的數(shù)學(xué)模型主要針對(duì)洞外亮度L20(S)、車(chē)流量Q（輛/小時(shí)）和車(chē)速v（km·h-1）建立，采用線性回歸方法對(duì)《規(guī)范》中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)得到。

1）入口段亮度數(shù)學(xué)模型:對(duì)《規(guī)范》中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階線性回歸（本文只對(duì)雙車(chē)道單向交通隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)），可得交通量Q≤700輛/小時(shí)和Q≥2 400輛/小時(shí)時(shí)的入口段亮度折減系數(shù)k回歸公式；當(dāng)交通量700輛/小時(shí)≤Q≤2 400輛/小時(shí)時(shí)，采用內(nèi)插法計(jì)算入口段亮度折減系數(shù)。

不同交通量和行車(chē)速度時(shí)的入口段亮度折減系數(shù)按式（1）計(jì)算。

根據(jù)《規(guī)范》，入口段亮度計(jì)算公式為

2）中間段亮度數(shù)學(xué)模型:對(duì)《規(guī)范》中的數(shù)據(jù)采用二階線性回歸，可很好的擬合規(guī)范中的中間段亮度值，交通量Q≤700輛/小時(shí)和Q≥2400輛/小時(shí)時(shí)的中間段亮度回歸公式曲線；交通量700輛/小時(shí)≤Q≤2400輛/小時(shí)時(shí)，采用內(nèi)插法計(jì)算。不同交通量和行車(chē)速度時(shí)中間段亮度按式（3）計(jì)算。

3）過(guò)渡段的亮度取決于入口段的亮度，參照《規(guī)范》可知過(guò)渡段由Ltr1、Ltr2和Ltr3三段組成，其對(duì)應(yīng)的三段亮度分別為L(zhǎng)tr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth，Ltr3=0.035Lth。

4）出口段的亮度Lout可取中間段亮度的5倍，即Lout=5Lin。

3 控制系統(tǒng)主程序流程設(shè)計(jì)

隧道照明系統(tǒng)控制程序流程如圖3所示。首先對(duì)系統(tǒng)各模塊進(jìn)行初始化，讀取亮度傳感器和車(chē)輛傳感器采集的信息，判斷是否啟用手動(dòng)控制（默認(rèn)情況下為自動(dòng)控制）；如果是自動(dòng)控制，判斷隧道是否處于正常狀態(tài)，如果狀態(tài)不正常，調(diào)用特殊狀態(tài)控制程序，并報(bào)警結(jié)束程序；如果狀態(tài)正常，直接調(diào)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)光控制程序，輸出調(diào)光指令，完成一次調(diào)光；判斷是否有外界觸發(fā)停止程序，如果沒(méi)有，間隔3～5 min重新采集數(shù)據(jù)，如果有，結(jié)束程序。將建立的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)控制流程轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制程序，嵌入到照明控制計(jì)算機(jī)中，即可實(shí)現(xiàn)隧道照明系統(tǒng)亮度的自動(dòng)調(diào)控。

圖3 隧道照明系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Flow chart of tunnel lighting control system

4 仿真與分析

在照明設(shè)計(jì)軟件DIALux中建立隧道模型和仿真模型，設(shè)定一天不同時(shí)間段的洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速參數(shù)值，在此條件下采集各區(qū)段亮度的多組樣本數(shù)據(jù)，限于篇幅本文只列出5組樣本數(shù)據(jù)如表1。根據(jù)所建立的各區(qū)段亮度數(shù)學(xué)模型設(shè)定的洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速參數(shù)值下計(jì)算不同隧道區(qū)段的亮度值，即理論照明亮度值，也列于表1，比較可知，仿真調(diào)光數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)很接近，誤差基本控制在2%以內(nèi)。

表1 各區(qū)段仿真亮度值/理論亮度值（部分）Tab.1 Simulation luminance values/theoretical luminance values of each section in tunnel（partly）

圖4是白天晴天時(shí)隧道照明功率的變化圖，從圖中可以看出將高壓鈉燈替換為L(zhǎng)ED燈，就可以節(jié)能45%左右。對(duì)LED燈進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)光，其節(jié)能效果更加明顯，相比于只按最大值考慮的高壓鈉燈和LED燈，分別多節(jié)能80%和35%以上。相比于LED燈的四級(jí)有級(jí)控制，無(wú)級(jí)調(diào)光也能夠多節(jié)能20%以上。本文設(shè)計(jì)的隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅有較優(yōu)的控制效果，保證了隧道的行車(chē)要求，同時(shí)有很好的節(jié)能效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

隧道照明是公路交通工程的重要組成部分，照明控制系統(tǒng)的好壞直接影響到隧道內(nèi)的行車(chē)安全和能耗成本。本文利用LED燈的優(yōu)越性能:1以《規(guī)范》為依據(jù)，以洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速為輸入?yún)?shù)，建立了隧道所需亮度數(shù)學(xué)模型；2能夠跟隨洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速參數(shù)的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度，設(shè)計(jì)了一種隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在滿足照明要求的同時(shí)，降低了傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)因忽略車(chē)流量、車(chē)速的影響或只按階段最大值考慮所造成的電能浪費(fèi)，節(jié)能效果顯著。

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