隧道自動調(diào)光平臺設(shè)計與研究

劉琦

摘要：隧道洞內(nèi)亮度是影響公路安全運行因素之一，針對目前隧道洞內(nèi)調(diào)光模式，設(shè)計了一種智能隧道模型。對比了目前存在的照明模式和控制策略，最終選則LED燈和自動控制模式。根據(jù)監(jiān)測到的洞外亮度，通過反饋調(diào)節(jié)改變PLC的產(chǎn)生的PWM占空比，使LED燈兩端電壓改變，從而實現(xiàn)對隧道的自動調(diào)光。

關(guān)鍵詞：隧道照明；自動控制模式；LED燈；PWM

引言

隧道是埋置于地層內(nèi)的工程建筑物，公路隧道是隧道的一種，是修筑在地下供汽車行駛的通道，駕駛員在白天駕車駛?cè)牖蛘唏偝鏊淼罆r，在視覺上通常會產(chǎn)生“黑洞效應”或者“白洞效應”，極易發(fā)生交通事故[1-3]。因此，為保障隧道內(nèi)的行車安全，如何在隧道內(nèi)各段采用不同強度的照明來改善隧道內(nèi)的照度，創(chuàng)造洞內(nèi)良好的視覺環(huán)境，確保車輛以安全地速度通過隧道，就是隧道照明系統(tǒng)需要解決的問題。國內(nèi)目前對隧道照明設(shè)備的控制方式主要有3種：手動控制模式、時序控制模式、自動控制模式[4-6]。手動控制模式及時序控制模式不能根據(jù)隧道洞外亮度變化適時改變隧道內(nèi)亮度，造成能源浪費；自動調(diào)光模式是根據(jù)洞外亮度變化，亮度儀檢測到洞外亮度，將信號反饋給中央處理器，然后中央處理器通過反饋控制，調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度。目前公路隧道燈具選用的光源大致有3種：高壓鈉燈、無極熒光燈、LED燈等，綜合考慮到使用壽命、經(jīng)濟節(jié)能等因素，目前應用較多的是LED燈[7]。綜合考慮，最終基于自動控制模式，選用LED燈設(shè)計了一款隧道智能調(diào)光平臺。

1.隧道調(diào)光平臺構(gòu)成

隧道智能調(diào)光模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物如圖2所示。圖1中1為控制器，包含ARM模塊、PLC模塊；2為隧道洞外亮度儀；3為控制總線；4為LED燈（安裝在基本段、加強段等）；5為隧道壁。

亮度監(jiān)測模塊通過改變補光燈的亮度，模擬洞外亮度變化，亮度儀2監(jiān)測到洞外亮度變化，通過控制總線將亮度信號反饋給控制器1?？刂破?發(fā)出控制信號，控制PLC模塊工作，PLC通過產(chǎn)生不同占空比的PWM波，不同占空比下的PWM波控制開關(guān)的通斷，改變了LED燈4兩端的電壓，從而改變LED燈的發(fā)光強度。

自動調(diào)光系統(tǒng)在金麗溫高速公路進行了試點應用，施工調(diào)研過程如圖2所示。

調(diào)光系統(tǒng)控制原理框圖如圖3所示，通過亮度儀檢測隧道洞外的亮度，反饋給控制器，控制器控制LED的發(fā)光強度。

照明系統(tǒng)通過系統(tǒng)軟件編寫程序來控制PLC的PWM輸出占空比，從而實現(xiàn)對LED的調(diào)光，控制原理圖如圖7所示。

2.隧道照明自動控制模式

隧道照明的自動控制模式是根據(jù)隧道設(shè)計時的亮度值和洞內(nèi)外的實際亮度值情況來判斷的?？刂颇KCPU控制各個回路的通斷，然后根據(jù)洞外亮度的變化，亮度儀將亮度信號反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)改變PLC輸出PWM波形的占空比，從而改變LED兩端的電壓，改變LED燈的發(fā)光強度，從而改變隧道洞內(nèi)亮度，消除“黑洞效應”或者“白洞效應”對隧道安全帶來的隱患。

隧道調(diào)光模型在上行線入口處安裝了亮度儀與補光燈，改變補光燈兩端的電壓，使補光燈亮度變化，模擬隧道外自然光強的變化；亮度儀將補光燈亮度變化信號反饋給控制系統(tǒng)CPU，然后控制洞內(nèi)LED燈亮度。

單個LED燈在路面計算點產(chǎn)生的亮度為：

式中：為燈具i在P點產(chǎn)生亮度（cd/m2）；

為燈具在P點的光強度（）；為簡化亮度系數(shù)；為燈具光源離路面的高度（）；為觀察面與光入射面之間的角度（°）；為P點對應燈具光線入射角（°）。

n個LED燈在計算點P產(chǎn)生的亮度：

計算區(qū)域內(nèi)路面的平均亮度：

式中：m為計算區(qū)域內(nèi)計算點的數(shù)量；

設(shè)L0分別為亮度儀采集到的洞內(nèi)光照強度，入口段的亮度為Lth，則有[8]：

式中為亮度折減系數(shù)；

根據(jù)公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范，隧道內(nèi)亮度設(shè)計標準值只和車速、車流量有關(guān)，和洞外亮度無關(guān)。當隧道內(nèi)的回路開啟時各區(qū)間的平均亮度為，設(shè)為亮度標準值與當前亮度采集之間允許最大誤差，自動控制模型算法流程如圖4所示。

3.結(jié)束語

本文主要介紹隧道照明控制策略，主要研究成果有：

對隧道洞內(nèi)亮度進行分析計算，得到了不同點的亮度值計算模型；

提出給予洞外亮度變化的隧道照明自動控制模型，基于PLC的PWM控制改變隧道照明LED燈兩端電壓，改變隧道亮度。

參考文獻：

[1]張劍莉. 基于PV-LED的隧道直接照明系統(tǒng)的研究[D]. 陜西科技大學，2013.

[2]肖堯，杜志剛，陶鵬鵬，等. 公路隧道出口“白洞”效應改善方法研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2015（3）：573-576.

[3]付慧慧，龔兆崗，張小花，等. 隧道照明設(shè)計[J]. 中國智能交通，2009.

[4]楊天沖，秦大為，張?zhí)K東. 新型隧道LED燈照明系統(tǒng)無級調(diào)光控制方式[J]. 燈與照明，2012，36（4）：48-51.

基金項目：

浙江省科技項目，項目編號2016F50050。