智慧隧道照明控制系統(tǒng)的設(shè)計方法研究分析

許一莎

摘要：隧道照明與普通燈光照明最明顯的區(qū)別就在于光照時長的不同，隧道照明必須保證24小時常亮，對于光源穩(wěn)定性的需求是非常高的，因此智慧隧道照明控制系統(tǒng)必須在節(jié)能和光源過渡方面有更為人性化、科技化和智能化的技術(shù)革新。本文從我國隧道照明的交通道路需求出發(fā)，提出了隧道照明閉環(huán)反饋智能控制系統(tǒng)的概念，通過該技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用提高隧道照明技術(shù)的革新與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧隧道;照明控制系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計;設(shè)計方法

一、智慧隧道照明系統(tǒng)框架設(shè)計分析

照明控制系統(tǒng)的設(shè)計重要考慮的因素有光源分布與燈具的布設(shè)兩個方面，隧道使用者皆處于高速行駛的狀態(tài)，尤其是考慮到光源過渡給行車安全帶來的影響，隧道光源的穩(wěn)定性和持續(xù)供給是非常重要的。然而，過于依賴人工調(diào)節(jié)和持續(xù)的能源供給不僅浪費人力資源，也不利于環(huán)保，智慧速調(diào)照明系統(tǒng)設(shè)計的初衷就是希望通過節(jié)省人力、提高系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力，來完善隧道照明系統(tǒng)的綠色環(huán)保革新和現(xiàn)代化照明技術(shù)革新的需求。從框架上來說，照明系統(tǒng)設(shè)計在功能上要實現(xiàn)四點：控制策略方面、控制模式方面、信息采集方面以及通信方式方面。

（一）控制策略

在控制策略方面，隧道數(shù)量龐大的LED照明設(shè)備在控制上要采取“雞蛋放在多個籃子里”的策略，從遠(yuǎn)程、調(diào)光、LED驅(qū)動以及現(xiàn)場主控四個層面展開對照明設(shè)備的控制。其中現(xiàn)場主控將各個方面反映到的信息進(jìn)行智能化處理，并即時傳輸給照明燈具，結(jié)合實時的戶外光照強度，尤其是白天的光照情況，進(jìn)行隨時的亮度調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)光、LED驅(qū)動系統(tǒng)的順利進(jìn)行，遠(yuǎn)程控制則是系統(tǒng)的“強制制動”部分，方便工作人員在緊急、特殊情況下進(jìn)行人工干預(yù)。

（二）控制模式

控制模式方面，需要實現(xiàn)智慧隧道在與外界網(wǎng)絡(luò)信息中斷的情況下，或者在發(fā)生停電、出現(xiàn)交通事故等情況下的照明系統(tǒng)自我管理與自我調(diào)節(jié)的控制保證，包括對隧道內(nèi)車流量、車速、以及洞外亮度等因素進(jìn)行綜合評估，進(jìn)而做出自我控制的能力。

（三）信息采集

這就不得不提到信息的采集方面的控制設(shè)計。對于隧道內(nèi)車速、車流量以及洞外亮度的信息采集，系統(tǒng)應(yīng)具備實時采集、輸入和智能處理參數(shù)的能力，達(dá)到“按需供給”的照明效果，既保證綠色環(huán)保的設(shè)計理念，又要保證車輛安全照明的需求;同時，對于故障燈具信息的及時報送，將其損壞程度、位置以及時段進(jìn)行及時準(zhǔn)確的反饋，也是智慧照明系統(tǒng)要考慮得到問題。

（四）通信方式

隧道內(nèi)距離較遠(yuǎn)、身處山體腹地，因此在通信方面普通的通信方式無法滿足隧道照明的通信需求，從目前來看，智能隧道照明系統(tǒng)首選的通信方式是無線通信，既可以節(jié)省硬件鋪設(shè)成本，又能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)片通信的靈活調(diào)控，降低施工安全風(fēng)險的同時，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量。ZigBee作為一種低成本、低功耗、距離短且速率低單燈無線通信技術(shù)，能夠充分滿足隧道照明的通信要求，其內(nèi)含的CC2530芯片擁有128KB閃存，能夠充分實現(xiàn)用戶在應(yīng)用層定義的功能，方便使用者對設(shè)備實現(xiàn)信息的基本儲備和指令傳輸目的。

二、智慧隧道照明系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計分析

系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計是智慧照明系統(tǒng)的靈魂，從管理系統(tǒng)技術(shù)層面進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)的設(shè)計，是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架設(shè)的管理系統(tǒng)，包括對照明燈具、監(jiān)控中心以及控制設(shè)備進(jìn)行的綜合性服務(wù)系統(tǒng)，具體來說可以從軟件傳輸、核心控制器和終端控制器三個方面進(jìn)行設(shè)計。

（一）軟件應(yīng)用和數(shù)據(jù)傳輸

以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程控制計算機系統(tǒng)，將管理軟件和通信軟件聯(lián)通一體。因此對于控制界面的便捷化、人性化和簡潔化設(shè)置，能夠幫助操控人員降低操控門檻，更為便捷、快速地進(jìn)行操控，減少誤操作和專業(yè)要求過高的弊端。計算機遠(yuǎn)程控制技術(shù)通過TCP協(xié)議將現(xiàn)場的光照情況和隧道使用情況通過監(jiān)控數(shù)據(jù)、視頻的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，方便后期的數(shù)據(jù)分析和技術(shù)改進(jìn);數(shù)據(jù)庫作為服務(wù)層安裝的服務(wù)器，對實時記錄的數(shù)據(jù)、異常信息等情況進(jìn)行智能分析，并傳輸?shù)胶诵目刂破骱徒K端控制器。

（二）核心控制器應(yīng)用

PLC作為主節(jié)點層上的核心控制器，是現(xiàn)場調(diào)控中上位機與單燈控制器之間的重要銜接，起到了整體的控制作用。主要負(fù)責(zé)對車速、車流量以及洞外光線情況信息的實時采集，將采集信息通過智能編程算法進(jìn)行進(jìn)一步的加工，再輸出給相應(yīng)單燈調(diào)控指令，通過總線下發(fā)給Zig Bee協(xié)調(diào)器，進(jìn)而完成對整個隧道照明的控制。其中，信息的實時傳輸依賴節(jié)點層與信息傳輸器的緊密配合，在車輛檢測、亮度檢測、燈具檢測以及傳感器數(shù)據(jù)傳輸情況等信息進(jìn)行匯總處理和傳輸?shù)倪^程中，核心控制器要起到及時的信息分揀、傳輸以及與主控制器的配合，幫助信息及時送達(dá)、照明系統(tǒng)順利運行。

（三）終端控制器

終端控制器是負(fù)責(zé)對燈具照明、運行監(jiān)控、指令傳輸以及故障報修等功能實現(xiàn)的控制終端，包括分布在隧道燈具終端的單燈控制器、LED燈具以及燈具驅(qū)動電源設(shè)備，這些設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)的鏈接，通過單燈控制器這樣核心控制器實現(xiàn)實時網(wǎng)絡(luò)控制。由于隧道距離和通信信號傳播效率的影響，每條隧道都會架設(shè)一個單獨的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對隧道燈的開關(guān)以及亮度調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

三、智慧隧道照明系統(tǒng)通信方式設(shè)計

隧道照明系統(tǒng)的通信方式，由四個信息控制終端組成，分別是計算機遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場控制、單燈控制以及LED驅(qū)動控制，下面具體從四個方面探討四種控制器的信息傳輸方式。

（一）計算機遠(yuǎn)程控制與現(xiàn)場控制主要通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)，主要是通過互聯(lián)網(wǎng)和TCP協(xié)議連接遠(yuǎn)程控制器，實現(xiàn)對控制單元的聯(lián)網(wǎng)控制，完成照明隧道的實時信息傳輸。

（二）現(xiàn)場控制器與ZigBee協(xié)調(diào)器之間的通信連接，通過配制ZigBee協(xié)調(diào)器來實現(xiàn)隧道內(nèi)的現(xiàn)場調(diào)控，如果是雙向隧道則應(yīng)配備兩個隧道網(wǎng)絡(luò)，通過兩個ZigBee協(xié)調(diào)器來連接。同時由于傳輸距離較長，通信總線網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生回波反射信號，對正常的信號輸送產(chǎn)生干擾，因此要在通信電纜得到兩側(cè)加上總段匹配的電阻。

另外，電磁干擾也是現(xiàn)場信號傳輸?shù)囊粋€重要影響因素，將實體運輸線路設(shè)置為雙絞線，同時保證RS-485通信線遠(yuǎn)離高壓電線，以此減少電磁干擾。

（三）ZigBee協(xié)調(diào)器與單燈控制器之間的通信關(guān)聯(lián)是波及范圍最廣、數(shù)量最多的通信系統(tǒng)，為了增強通信的質(zhì)量、安全性，降低維修和建造成本，最優(yōu)單燈通信方式應(yīng)為無線通信，代替有線通信鋪設(shè)，既減少地面、山體的挖掘和鋪設(shè)人工損耗，也降低對周圍環(huán)境的影響。

（四）單燈控制器與LED控制器之間的連接，通過外部設(shè)備提供的調(diào)光數(shù)據(jù)，對燈具單燈光亮強度等進(jìn)行調(diào)控，其中實現(xiàn)LED燈具的調(diào)光工作的信號主要有頻率固定單燈脈寬調(diào)制波以及0-10VDC模擬量調(diào)光兩種。

由于隧道內(nèi)的車速一般有60km/h、80km/h、100km/h以及120km/h，而不同的環(huán)境亮度對LED燈具的色溫和亮度都是有著不同要求的，燈具要調(diào)整為駕駛員視覺最為舒適的色溫和亮度，就必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿艚莺脱杆伲谕獠凯h(huán)境發(fā)生變化的時候，能夠進(jìn)行及時的終端數(shù)據(jù)傳輸。

結(jié)束語：

綜上所述，本文所涉及的隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計方面的要點，圍繞不同實施環(huán)節(jié)、設(shè)計重點進(jìn)行具體對待解析，對于隧道照明的具體情況要進(jìn)行具體的分析和判斷，在通信設(shè)備的鋪設(shè)與系統(tǒng)、架構(gòu)的設(shè)計結(jié)合方面，要充分考慮到環(huán)保、人性化以及創(chuàng)新性的實施，提高隧道照明的舒適度、科學(xué)性，延長隧道照明設(shè)備的使用壽命，這些都是智慧隧道照明控制系統(tǒng)的設(shè)計重點。

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