高速公路長隧道智慧照明研究

來曉磊

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理有限責任公司，山西 太原 030012）

高速公路隧道是一個相對較為封閉環(huán)境，視線條件較差，相較于普通道路照明而言，隧道照明有著更高的要求。高速公路隧道照明除了滿足基本的行車照明以外，還要規(guī)避白天車輛駕駛進入隧道和駛出隧道的亮度變化，可能導致駕駛?cè)藛T出現(xiàn)視覺適應(yīng)問題，影響到行車安全。高速公路隧道內(nèi)照明系統(tǒng)如果無法進行智能調(diào)光，勢必帶來無效照明而浪費能源?；诖耍瑸榱吮ＷC高速公路隧道內(nèi)安全行車，加強智慧照明系統(tǒng)的研究很有必要，引進現(xiàn)代化技術(shù)建立隧道智慧照明系統(tǒng)，達成節(jié)能減排目標，以便于帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 工程概況

以某高速公路為例，采用雙相四車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計速度為80 km/h，路基寬24.5 m。該高速公路隧道總長30.8 km。

2 高速公路隧道智慧照明系統(tǒng)設(shè)計

2.1 隧道照明方案設(shè)計

以上述高速公路上的某條隧道為例，隧道寬10.5 m，設(shè)計車速80 km/h，路面為復合式路面。公路隧道為單相雙車道，具體包括引道照明、入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明幾個部分[1]。該隧道洞外亮度為2 500 cd/m2，端墻式隧道洞外亮度3 000 cd/m2。結(jié)合隧道長度，設(shè)計車速、洞外亮度和隧道斷面等參數(shù)予以設(shè)計。

2.2 隧道智慧照明控制系統(tǒng)設(shè)計

就隧道智慧照明系統(tǒng)來看，其中組成部分較為多樣，包括以下幾個方面：

a）環(huán)境信息感知設(shè)備。環(huán)境信息感知設(shè)備中包括洞內(nèi)、外光強檢測器、洞內(nèi)CO/VI 檢測儀和洞內(nèi)能見度儀。洞內(nèi)、外光強檢測器主要負責收集洞內(nèi)外的亮度值和照度值，經(jīng)由PLC 控制器傳輸?shù)秸彰鞅O(jiān)控工作站，根據(jù)設(shè)計規(guī)范確定隧道各段亮度；洞內(nèi)光強檢測器收集洞內(nèi)照度值。而洞內(nèi)能見度儀和洞內(nèi)CO/VI 檢測儀，收集洞內(nèi)、外能見度相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過隧道照明監(jiān)控工作站存儲和分析，結(jié)合計算結(jié)果進行相應(yīng)的操作[2]。

b）車輛行為感知設(shè)備。車輛行為感知設(shè)備包括數(shù)字微波車輛檢測器和紅外探測器。車輛檢測包括4 組，1 組負責車輛有無和車速信息輸出，在信號控制下促使隧道照明系統(tǒng)正常照明或節(jié)能模式切換；2 組負責車輛有誤信息輸出，是隧道智慧照明的保險；3 組負責監(jiān)測駛?cè)胨淼赖能囕v是否駛出；4 組負責隧道內(nèi)車輛是否通過入口段和過渡段，長隧道的車輛駛離入口段和過渡段，沒有新車輛進入隧道后，隧道智慧照明系統(tǒng)則調(diào)整到節(jié)能模式，滿足節(jié)能減排需要[3]。

在隧道各段中，部分隧道距離橋梁位置較近，可能會對車輛行為檢測傳感器布設(shè)位置帶來影響，根據(jù)規(guī)定來動態(tài)調(diào)整實際安裝位置。

c）照度實時監(jiān)測設(shè)備。照度實時監(jiān)測設(shè)備中包括洞內(nèi)光強檢測器和洞內(nèi)攝像機。隧道內(nèi)監(jiān)控攝像機，負責對隧道全面監(jiān)控，將采集得到的隧道內(nèi)部圖像傳輸?shù)秸彰鞅O(jiān)控工作站；安裝洞內(nèi)光強檢測器，負責收集隧道內(nèi)路面照度數(shù)值。照明監(jiān)控工作站負責采集隧道內(nèi)部圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)隧道內(nèi)部路面圖像灰度歸一化；洞內(nèi)光強檢測器結(jié)合標準來檢測隧道內(nèi)照度，將路面圖像灰度轉(zhuǎn)變?yōu)檎斩?，實現(xiàn)隧道內(nèi)部照度不均勻測量，保證路面照度均勻[4]。

d）通信設(shè)備。通信設(shè)備由節(jié)點型遠端光端機、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、環(huán)網(wǎng)型遠端光端機、節(jié)點型局端光端機和環(huán)網(wǎng)型局端光端機等多種部分構(gòu)成。工業(yè)以太網(wǎng)交換機用于傳輸傳感器采集的信息到變電所照明監(jiān)控工作站；節(jié)點型光端機負責傳感器采集圖像信息傳輸?shù)阶冸娝彰鞅O(jiān)控工作站；環(huán)網(wǎng)型數(shù)據(jù)光端機則用于調(diào)光控制器的指令傳輸給相應(yīng)的調(diào)光控制器，動態(tài)調(diào)整燈具亮度[5]。調(diào)光指令通過調(diào)光控制器轉(zhuǎn)換為脈沖信號，依托于PWM調(diào)光方式來調(diào)整隧道內(nèi)各段燈具亮度，滿足隧道內(nèi)照明需要同時，降低電能損耗。

e）隧道照明設(shè)備。借助專業(yè)的隧道LED 燈具，負責調(diào)整隧道內(nèi)各段燈具的照明亮度。

f）調(diào)光控制設(shè)備。調(diào)光控制設(shè)備中，由局端調(diào)光控制器將調(diào)控指令傳輸給遠端調(diào)光控制器，轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的脈沖信號，依托于PWM調(diào)光方式來調(diào)整隧道內(nèi)各段燈具亮度。局部調(diào)光控制器接收變電所照明監(jiān)控工作站發(fā)布的調(diào)光指令，是工作站和各段燈具之間的連接紐帶[6]。

g）照明監(jiān)控工作站。借助專門的變電所隧道照明監(jiān)控軟件來保證照明監(jiān)控工作站運行，光網(wǎng)絡(luò)收集傳感器和照度相關(guān)數(shù)值信息，將調(diào)節(jié)指令傳輸給局端調(diào)光控制器，局端調(diào)光控制器將控制信號依托光纖環(huán)網(wǎng)傳輸指令給遠端調(diào)光控制器，動態(tài)調(diào)整隧道內(nèi)各段燈具亮度。照明監(jiān)控工作站在運行期間，管理人員可以通過隧道照明監(jiān)控軟件來選擇合理的隧道智慧照明運行模式，調(diào)節(jié)隧道內(nèi)各段燈具照明參數(shù)[7]。同時，還可以實現(xiàn)對隧道內(nèi)智慧照明系統(tǒng)運行情況全面監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況可以及時調(diào)整，以便于滿足隧道內(nèi)照明需要同時，降低電能損耗。

2.3 隧道照明燈具布設(shè)

高速公路隧道內(nèi)的照明燈具布設(shè)包括基本照明、加強照明和應(yīng)急照明。通常情況下，隧道內(nèi)燈具布設(shè)以兩側(cè)對稱布設(shè)方式為主，安裝高度大概5.5 m左右。如果是高速公路兩車道隧道，可以適當降低安裝高度，提升路面照度[8]。需要注意的是，燈具安裝應(yīng)該綜合考量與其他燈具之間的距離，尋求合理的防眩措施來控制燈具的頻閃效果。燈具結(jié)構(gòu)以條形為主，表面光強過渡平緩下，嚴格控制燈具安裝間距，避免受到閃爍頻率影響。

a）隧道基本照明。借助30 W LED 隧道等為隧道提供基本照明，燈具間距9 m，可以滿足高速公路隧道晝夜照明需要。

b）加強照明。主要設(shè)置在隧道入口段、過渡段和出口段，在隧道洞口頂端高度5 m 處安裝加強照明燈具[9]。

c）應(yīng)急照明。高速公路隧道應(yīng)急照明，主要是為了規(guī)避突發(fā)停電事故影響到隧道行車安全，如果隧道全長超過1 000 m 需要設(shè)置應(yīng)急照明，24 h 全亮。應(yīng)急照明亮度是基本照明1/4 左右，備用時間在90 min以上，可以使用耐火電纜配電到應(yīng)急燈。

3 高速公路隧道智慧照明關(guān)鍵技術(shù)

3.1 亮度實時監(jiān)測技術(shù)

高速公路隧道智慧照明系統(tǒng)中，亮度實時監(jiān)測技術(shù)十分關(guān)鍵，主要是借助圖像處理軟件來計算路面實際亮度，為閉環(huán)反饋系統(tǒng)輸入信息，便于后續(xù)管理人員管理隧道。隧道內(nèi)車輛檢測模塊借助監(jiān)控攝像機實現(xiàn)，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)控路段上沒有車輛，則開始計算路面實際亮度，避免路面行車影響到檢測結(jié)果精準度。使用霍夫變換檢測無車圖像隧道路面兩側(cè)標志線，提取路面標志線，動態(tài)調(diào)整和校正路面圖像灰度和距離，保證路面圖像灰度值歸一化。洞內(nèi)光強檢測器對隧道路面某點亮度讀數(shù)為標準灰度轉(zhuǎn)化為實際亮度，精準計算隧道內(nèi)亮度和照度。

3.2 隧道內(nèi)能見度修正亮度

借助線圈車輛檢測器、洞內(nèi)、外光強檢測器和紅外探測器來計算隧道內(nèi)車流量、洞內(nèi)外亮度和車速，依托于CO/VI 檢測器動態(tài)調(diào)整隧道內(nèi)亮度，確定隧道統(tǒng)一的亮度值；借助亮度實時監(jiān)測系統(tǒng)來計算隧道內(nèi)亮度，僅經(jīng)由PID 來自適應(yīng)隧道路面所需亮度，調(diào)整隧道亮度值，滿足燈具運行功率需要[10]。

3.3 隧道智慧照明調(diào)光措施

a）自動調(diào)光控制模式。此種模式是隧道智慧照明系統(tǒng)的主要調(diào)光控制模式，由變電所照明監(jiān)控工作站來收集傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)，包括車流量、車速、車輛油污、各個路段實時照度和洞內(nèi)外亮度等信息，借助專門的隧道照明監(jiān)控軟件對數(shù)據(jù)檢測和處理。變電所隧道照明監(jiān)控軟件的運行，以車輛行為傳感器和環(huán)境信息感知傳感器采集數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定各個路段理論亮度值；以照度實時監(jiān)測攝像機采集信息為依據(jù)，計算高速公路隧道內(nèi)路面的實際照度值，來分析理論和實際的差異情況；理論亮度值和實際照度值通過PID 調(diào)節(jié)模塊輸入，動態(tài)調(diào)節(jié)和控制照明燈具的亮度變化，滿足隧道內(nèi)照度需要。變電所照明監(jiān)控工作站，借助專門軟件需要加工計算得到的亮度值和調(diào)光指令傳輸給局端調(diào)光控制器，然后調(diào)光控制器將調(diào)光指令下達到各個遠端調(diào)光控制器，脈沖信號以PWM調(diào)光方式動態(tài)調(diào)整燈具亮度。

b）時序控制模式。此種模式主要是依據(jù)不同時間段來調(diào)整隧道內(nèi)燈具亮度，包括早上、上午、正午、下午、黃昏以及深夜等時間段。隧道內(nèi)如果無車行駛，則轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芎哪Ｊ健?/p>

c）手動控制模式。檢測車輛速度和車輛有無信息，結(jié)合不同時間段、天氣情況來手動調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)，確定隧道各段照明回路。

4 結(jié)論

綜上所述，高速公路隧道智慧照明系統(tǒng)的設(shè)計，需要充分結(jié)合不同公路隧道特點，系統(tǒng)化分析來確定隧道相關(guān)參數(shù)，把握關(guān)鍵技術(shù)和調(diào)光措施，在滿足高速公路隧道照明需要的同時，滿足節(jié)能減耗需要，提升高速公路運行效益。