隧道照明“兩光源互補(bǔ)”智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇明虎

廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510000

0 引言

隧道行車具有較大的安全隱患，因此打造智能化的照明系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前多方關(guān)注的重點(diǎn)。利用信息技術(shù)構(gòu)建自動(dòng)化的照明體系，不僅能夠結(jié)合隧道實(shí)際運(yùn)營情況提供不同的照明服務(wù)，也可以結(jié)合具體的地理位置及環(huán)境因素打造能源節(jié)約體系[1]?！皟晒庠椿パa(bǔ)”主要是建立在智能光源及自然光源的基礎(chǔ)上構(gòu)建的互補(bǔ)方案，可以有效實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源的再利用?；诖?，文章以案例分析法及文獻(xiàn)研究法作為主要方式，綜合隧道“兩光源互補(bǔ)”的智能控制體系展開探討，能夠?yàn)楫?dāng)前的能源節(jié)約及隧道安全照明體系建立奠定基礎(chǔ)。

1 基礎(chǔ)技術(shù)背景分析及案例概況

1.1 “兩光源互補(bǔ)”照明體系的研究背景

發(fā)展至今，我國當(dāng)前的交通體系已經(jīng)較為成熟，尤其是在隧道工程領(lǐng)域。隨著我國交通系統(tǒng)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，在部分環(huán)境及地形地貌較為獨(dú)特的區(qū)域，隧道成為聯(lián)通交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)。這就要求隧道內(nèi)部為行車提供有針對(duì)性的服務(wù)體系，其中照明系統(tǒng)是最關(guān)鍵的內(nèi)容。當(dāng)前，絕大部分的隧道以穿山隧道為主，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，同時(shí)光照極為不良，利用人工照明的方式來營造完善的出行環(huán)境至關(guān)重要。目前，隧道照明體系的研發(fā)呈現(xiàn)多樣化特點(diǎn)，尤其是在綠色環(huán)保理念的推行下，結(jié)合隧道出行的實(shí)際特點(diǎn)打造智能化的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，能夠?yàn)槟茉垂?jié)約提供有效保障[2]。

綜合隧道行車的具體規(guī)律，在常規(guī)條件下，白天的車流量較大，具有極強(qiáng)的連續(xù)性，而夜晚車流量會(huì)逐步減少。因此在晚間會(huì)存在部分時(shí)間段隧道內(nèi)部無車輛通行，這種情況下長時(shí)間進(jìn)行光照會(huì)浪費(fèi)較多的能源。當(dāng)前，照明體系趨于智慧化發(fā)展，各種檢測(cè)技術(shù)越來越智能，應(yīng)用智能照明系統(tǒng)，可以結(jié)合隧道內(nèi)部具體的行車情況，及時(shí)調(diào)控隧道照明的亮度及模式。除此之外，引入自然光源實(shí)現(xiàn)太陽光的二次利用，也可以為能源節(jié)約提供有效保障。

1.2 工程概況

某工程段全程長409.2 km，設(shè)置了多條隧道，為了進(jìn)一步節(jié)約電能，同時(shí)提供高效的照明服務(wù)體系，必須進(jìn)行智能化照明系統(tǒng)的整改和創(chuàng)新。該工程由于地理環(huán)境較為獨(dú)特，已建成的高速公路中涉及大量的隧道，而且受到地理環(huán)境及獨(dú)特條件的影響，人們的出行習(xí)慣與其他區(qū)域有著一定的差異性，白天的車流量各時(shí)段分布不夠均勻，且晚間的車流量相對(duì)較少，因此無間斷的照明方式會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

綜合我國當(dāng)前的智能化照明系統(tǒng)發(fā)展情況來看，以可持續(xù)及人性化作為主要原則，部分地區(qū)已經(jīng)通過逆光證明及二次配光技術(shù)構(gòu)建了新型的感應(yīng)系統(tǒng)，如電磁感應(yīng)無極燈、光纖維隧道燈、Kz系列光源、飛利浦Coamo照明系統(tǒng)等，而節(jié)能的主要策略往往以光電控制和智能調(diào)控為主，結(jié)合新形式的鋪裝材料來實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。綜合以上既有的技術(shù)體系，在物聯(lián)網(wǎng)物物聯(lián)動(dòng)原則的基礎(chǔ)上，以滿足該區(qū)域交通需求為主要內(nèi)容，介入外界光照來自動(dòng)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)部的光照強(qiáng)度，結(jié)合隧道的入口段、過渡段、中間段、出口段打造不同光照強(qiáng)度的智能化控制系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約，并提供有效的光照服務(wù)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的“兩光源互補(bǔ)”隧道照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)。建立在以上運(yùn)行需求及既有技術(shù)體系的基礎(chǔ)上，以物聯(lián)網(wǎng)為依據(jù)，強(qiáng)化各個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)。從整體設(shè)計(jì)角度看，主要的關(guān)聯(lián)包括外部自然光照環(huán)境與內(nèi)部隧道智能控制體系之間的關(guān)聯(lián)、車流量與智能遙感系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)、光照強(qiáng)度與不同隧道段的關(guān)聯(lián)、自然資源與電能資源的關(guān)聯(lián)等，以此為依據(jù)構(gòu)建硬件總體結(jié)構(gòu)。該區(qū)域具有較為豐富的太陽能資源，因此整體的智能控制系統(tǒng)以人工供電及太陽能供電方式為主。人工供電主要提供最基礎(chǔ)的供電保障，以維持整體系統(tǒng)的正常運(yùn)行；而太陽能供電系統(tǒng)主要涉及光伏陣列、蓄電池組、充放電控制器、逆變器等結(jié)構(gòu)，智能化控制器以PLC自動(dòng)控制器為主，該種類型的控制器在當(dāng)前多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，大部分的智能機(jī)器人及自動(dòng)化控制系統(tǒng)都是以其為依據(jù)，同時(shí)借助了物聯(lián)網(wǎng)物物關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，構(gòu)建了針對(duì)性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在PLC自動(dòng)控制器的基礎(chǔ)上，又配備了光纖云臺(tái)控制器，其能夠提供多種信息的遙感和檢測(cè)。其中，具體檢測(cè)模塊涉及雷達(dá)測(cè)速儀、光照度傳感器、光電傳感器。這些傳感器模塊是直接打造物與物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)模塊則可以將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合隧道內(nèi)部各段的具體光照需求傳送到中心云平臺(tái)上，有助于系統(tǒng)及人員快速地監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)部的整體運(yùn)行狀態(tài)，從而提升行車的安全性[3]。

（2）太陽光輸送模塊。所謂“兩光源互補(bǔ)”，主要是指將自然光源傳輸?shù)剿淼纼?nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)電能的節(jié)約。綜合太陽光輸送模塊具體涉及云臺(tái)、云臺(tái)支架、透鏡組、控制器、限位開關(guān)、光纖束、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等結(jié)構(gòu)。云臺(tái)的具體設(shè)計(jì)涉及兩個(gè)層次，上層需要固定10組透光鏡來實(shí)現(xiàn)太陽光的聚光，在與其相距5 cm的位置設(shè)置下層，以陽光收集器為主。在陽光收集器的下方設(shè)置收集光纖，云臺(tái)支架可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單軸+60°～-60°的太陽光跟蹤。同時(shí)，在收集器中設(shè)置了自動(dòng)啟動(dòng)裝置，在每日的清晨7點(diǎn)該裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，云臺(tái)處于上限位置進(jìn)行太陽光追蹤，此時(shí)云臺(tái)的平面和太陽光的入射呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，確保能夠最大限度地利用太陽光源，而光纖導(dǎo)入隧道內(nèi)的太陽光會(huì)直接通過散光裝置進(jìn)行均勻分布和散射，確保實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部照明。在傍晚19點(diǎn)，云臺(tái)處于下限位置，會(huì)通過翻轉(zhuǎn)的方式回歸到上限位置，并自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）光照智能控制系統(tǒng)。光照智能控制系統(tǒng)主要涉及光照傳感器、PLC電源模塊、中心處理器模塊、Modbos總線、LED燈組及固態(tài)繼電器（SSR）等。在白天有自然光線時(shí)，陽光輸送器會(huì)將收集到的光源分散到隧道內(nèi)部，若光照強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際的隧道內(nèi)部車輛通行需求，以及不同隧道段的照明需求，整體系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。若自然光照經(jīng)過輸送和散射之后，難以滿足區(qū)域的光照強(qiáng)度，這種情況下系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)并且調(diào)節(jié)內(nèi)部的照明系統(tǒng)，直至滿足實(shí)際的光照標(biāo)準(zhǔn)。在夜晚，隧道內(nèi)部所有的照明燈都將處于低功耗模式，結(jié)合LED燈自身的不同亮度實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。

（4）智能檢測(cè)模塊。智能檢測(cè)模塊的主要功能是統(tǒng)計(jì)隧道內(nèi)部的車輛運(yùn)行情況，結(jié)合具體的時(shí)間、車輛數(shù)量、隧道內(nèi)部車輛的超速情況進(jìn)行判斷，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部堵車情況及隧道外部光照強(qiáng)度的檢測(cè)，最重要的是可以結(jié)合不同區(qū)段的光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，從而聯(lián)動(dòng)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。分析其具體的工作原理，需要檢測(cè)隧道內(nèi)外的實(shí)際光照強(qiáng)度，綜合隧道內(nèi)部的溫度及隧道兩端的車輛進(jìn)出情況進(jìn)行計(jì)算，分析車輛超速情況及行駛速度，這樣能夠有效把控當(dāng)前該路段的車流量及具體的行車概況，并有效實(shí)現(xiàn)周邊區(qū)域的交通疏導(dǎo)。最終采集到的信息都可以通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端及監(jiān)測(cè)網(wǎng)站，從而實(shí)現(xiàn)宏觀調(diào)控[4]。

（5）物聯(lián)網(wǎng)模塊。我國當(dāng)前以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基準(zhǔn)打造的智能模塊存在多樣化特點(diǎn)，項(xiàng)目工程中選用的是西門子工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具體使用時(shí)，需要在前期在平臺(tái)上設(shè)置相關(guān)通信參數(shù)，控制好變量，并且結(jié)合變量的類型及特點(diǎn)進(jìn)行編譯，然后將保存好的參數(shù)下載到云盒子中再上傳到云平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)云盒子監(jiān)控平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)云盒子監(jiān)控平臺(tái)

2.2 軟件系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)

（1）自然光跟蹤軟件。自然光跟蹤方式具有多樣化特點(diǎn)，但在原理上具備一定的統(tǒng)一性，主要包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種模式。目前的應(yīng)用以閉環(huán)控制為主，開環(huán)控制的精準(zhǔn)度沒有閉環(huán)控制高，但是其結(jié)構(gòu)簡單，在部分系統(tǒng)中也有應(yīng)用。開環(huán)控制主要是建立在勻速運(yùn)動(dòng)追蹤的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)的主要原理是結(jié)合太陽在不同季節(jié)的東升西落規(guī)律進(jìn)行精準(zhǔn)分析。通常，太陽方位角以每小時(shí)15°的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，每24 h移動(dòng)一周，以此方法進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，但是誤差較大。另外，也可以基于視日運(yùn)動(dòng)跟蹤，通過分析不同時(shí)間、經(jīng)緯度、季節(jié)等因素了解太陽的具體運(yùn)動(dòng)軌跡，然后將所有的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入控制器中，結(jié)合時(shí)間和空間同步的原則進(jìn)行太陽軌跡計(jì)算，但是該種方式也存在一定的不足，若太陽軌跡出現(xiàn)變化，所有的變量數(shù)據(jù)都需要調(diào)整。閉環(huán)控制主要是利用傳感器檢測(cè)光線的具體入射角度，然后調(diào)整接收器的表面位置，以彌補(bǔ)二者之間的偏差。在當(dāng)前的部分智能光照系統(tǒng)中，利用閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)智能自然光的檢測(cè)是較為常見的方式[5]。

（2）光控系統(tǒng)。光控系統(tǒng)主要是結(jié)合不同隧道區(qū)段的運(yùn)行需求，進(jìn)行光照亮度及時(shí)間的調(diào)節(jié)。通常隧道涵蓋了入口段、過渡段、中間段、出口段等區(qū)段，在我國的相關(guān)條例中也指出了不同區(qū)段具體的規(guī)范亮度，因此綜合不同區(qū)段的實(shí)際亮度需求，可以進(jìn)行隧道內(nèi)部光照亮度及空間的調(diào)整。常規(guī)的調(diào)整曲線如圖2所示。這其中涉及對(duì)隧道不同時(shí)間使用情況的分析，白晝的交通量和晚上的運(yùn)行狀態(tài)有一定的差異性，因此在交通量較大的環(huán)境下，會(huì)適當(dāng)調(diào)整隧道內(nèi)的光照強(qiáng)度。案例工程中某段隧道內(nèi)的日交通量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)之后，呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2 隧道照明亮度曲線

圖3 某交通隧道日交通量統(tǒng)計(jì)

由于光照的亮度與空間及時(shí)間之間有著決定性關(guān)系，因此需要及時(shí)地調(diào)整LED輸出功率。同時(shí)，還需要考慮“兩光源互補(bǔ)”的實(shí)際原理，光伏需要轉(zhuǎn)化成具體的電能，然后再將其轉(zhuǎn)化成人造光，太陽光的輸送系統(tǒng)直接通過光纖進(jìn)行補(bǔ)光，二者的相互配合才能夠達(dá)到具體的工作需求。在計(jì)算光照參數(shù)時(shí)，可以綜合具體的時(shí)間段及隧道內(nèi)部車流量進(jìn)行分析。若是在晚上，時(shí)間參數(shù)應(yīng)控制在20：00～23：00、0：00～7：00這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，這時(shí)外界的自然光已經(jīng)消失，隧道內(nèi)的主要照明體系為蓄電池儲(chǔ)存電能及光纖補(bǔ)光。這期間隧道內(nèi)的交通量較少，因此LED燈將轉(zhuǎn)化為低功耗模式，同時(shí)配合PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，及時(shí)監(jiān)測(cè)隧道出入口的車輛行駛情況，實(shí)時(shí)性地調(diào)整不同區(qū)段的光照強(qiáng)度。

在時(shí)間參數(shù)11：00～14：00、18：00～20：00這兩個(gè)區(qū)間時(shí)，由于交通量正處于高峰期，因此隧道內(nèi)的整體光照強(qiáng)度應(yīng)該要高于設(shè)定值。在這個(gè)過程中，整體智能化系統(tǒng)會(huì)直接通過既有的參數(shù)及模糊算法進(jìn)行帶入，展開計(jì)算。結(jié)合計(jì)算出來的實(shí)際結(jié)果，再聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)及調(diào)光系統(tǒng)，能夠及時(shí)地控制隧道內(nèi)的具體光照情況。這種方式具有較強(qiáng)的時(shí)效性，同時(shí)通過遠(yuǎn)程的中心控制站及監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督，也可以利用人工的方式，配合人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)人工調(diào)控，進(jìn)而有效解決隧道內(nèi)部突發(fā)情況下的光照問題。

3 結(jié)束語

在當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的社會(huì)發(fā)展理念下，通過自然補(bǔ)光轉(zhuǎn)化來打造“兩光源互補(bǔ)”的智能化隧道照明體系，對(duì)于有效節(jié)省能源有一定的促進(jìn)作用，并進(jìn)一步強(qiáng)化我國道路交通管控的智能化及自動(dòng)化特點(diǎn)。文章建立在某隧道工程智能化照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，憑借其典型性及代表性優(yōu)勢(shì)，論述了具體的硬件系統(tǒng)及軟件體系，由此可以證明“兩光源互補(bǔ)”技術(shù)的應(yīng)用具有可行性，能夠有效實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部不同區(qū)間光照情況的調(diào)節(jié)，也可以綜合多種變量及時(shí)地提供高效的光照服務(wù)。在不斷推廣和應(yīng)用的過程中，也需要不斷創(chuàng)新，這樣才可以進(jìn)一步提升隧道行駛的安全性，并打造綠色節(jié)能的交通系統(tǒng)。