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        高速公路隧道照明自動控制系統(tǒng)

        2011-07-05 11:21:14范士娟
        華東交通大學學報 2011年5期
        關(guān)鍵詞:車流量調(diào)光交通量

        范士娟,李 偉

        (華東交通大學載運工具與裝備省部共建教育部重點實驗室,江西南昌330013)

        隧道照明是保障公路隧道安全行車和運營的重要組成部分,同時也是隧道內(nèi)能耗最大的環(huán)節(jié)[1],因此,多個國家制定了隧道照明的設(shè)計規(guī)范,如CIE[2](commission international d'eclairage),BS[3](Britain lighting standards)和IES[4](illuminating engineering society of North America)等。對于隧道照明系統(tǒng)而言,照明控制系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接決定著整個照明系統(tǒng)的優(yōu)劣?,F(xiàn)有的控制方法主要包括手動控制方法、時序控制方法和自動控制方法。手動控制和時序控制方法易于實施,在實際應(yīng)用中穩(wěn)定可靠,但不能夠根據(jù)天氣、車流量和車速的變化對洞內(nèi)亮度進行調(diào)節(jié),基本上沒有節(jié)能效果,存在著很大的電能浪費[5-7]。自動控制方法按調(diào)光的連續(xù)性可分為有級調(diào)光和無級調(diào)光。在LED燈應(yīng)用于隧道照明之前,我國隧道照明系統(tǒng)大多采用有級控制方式,但也存在著一些問題,主要表現(xiàn)在:1因布線回路的限制只能做到2~4級自動控制,洞外亮度、車流量和車速等參數(shù)只是在設(shè)計階段以最大值考慮,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;2營運過程中產(chǎn)生與行車安全和隧道監(jiān)控之間矛盾等問題[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,設(shè)計一種隧道照明自動控制系統(tǒng),可根據(jù)洞外亮度、車流量和車速的變化動態(tài)調(diào)整洞內(nèi)亮度,實現(xiàn)隧道照明的連續(xù)調(diào)光,不僅保證隧道的安全運營,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)計的應(yīng)用于隧道照明自動調(diào)光系統(tǒng),主要由車流量采集器、車速采集器、亮度采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、照明控制計算機、驅(qū)動電源和配套的LED隧道燈組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。車流量采集器、車速采集器和亮度采集器采集到的隧道車流量、車速和洞外亮度信息,經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊處理后傳送給隧道控制室內(nèi)的照明控制計算機,按照事先設(shè)定好的調(diào)光控制邏輯,計算出洞內(nèi)各區(qū)段的亮度,并根據(jù)隧道各區(qū)段亮度值及LED燈功率曲線計算出每一節(jié)點驅(qū)動電源所需輸入的控制電壓,通過信號傳輸電纜把調(diào)光控制指令發(fā)送給各個驅(qū)動電源,驅(qū)動電源根據(jù)得到的指令調(diào)整LED燈的功率,并反饋相關(guān)信息給照明控制計算機,實現(xiàn)對隧道內(nèi)照明系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)光。

        圖1 隧道照明自動控制系統(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)的自動控制策略及亮度計算模型

        一般有級調(diào)光在設(shè)計階段對環(huán)境參數(shù)以最大值考慮,沒有考慮跟隨環(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調(diào)光;無級調(diào)光并不是絕對的連續(xù)調(diào)光,但能夠更加精細的劃分調(diào)光級數(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)《公路隧道照明通風設(shè)計規(guī)范》[10](以下簡稱《規(guī)范》)中的規(guī)范進行設(shè)計,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、車流量和車速信息建立隧道各區(qū)段亮度數(shù)學模型,并根據(jù)這些模型對隧道照明燈具進行動態(tài)調(diào)光控制,使隧道內(nèi)實際亮度值很好的接近亮度適應(yīng)曲線,實現(xiàn)隧道的節(jié)能。

        根據(jù)《規(guī)范》,長大隧道照明區(qū)段可分為入口段、過渡一段、過渡二段、過渡三段、中間段和出口段(見圖2)。圖中,L20(S)為洞外亮度,Lth為入口段亮度,Ltr1~Ltr3分別為過渡一段~過流三段的亮度,Lin為中間段亮度。按照規(guī)范的設(shè)計標準,建立隧道照明各區(qū)段亮度的數(shù)學模型,每一次調(diào)光計算出相應(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)動電源。為了滿足人眼對亮度的適應(yīng)要求,對LED燈的控制采用256級對數(shù)調(diào)光方式,使整個調(diào)光區(qū)域看起來像線性調(diào)節(jié)。為了保證隧道內(nèi)行車的安全,在調(diào)整洞內(nèi)亮度時,采用亮度漸變的控制方式,逐級分段的達到所需的亮度要求,避免亮度的突然變化。過于頻繁的觸發(fā)調(diào)光不利于人眼的適應(yīng),一定程度上還會降低燈具的使用壽命,所以控制過程中采用時間觸發(fā)方式,每過3~5 min采集一次洞外亮度、車流量和車速數(shù)據(jù),進行一次亮度需求的計算。

        隧道各區(qū)段亮度的數(shù)學模型主要針對洞外亮度L20(S)、車流量Q(輛/小時)和車速v(km·h-1)建立,采用線性回歸方法對《規(guī)范》中的數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計得到。

        1)入口段亮度數(shù)學模型:對《規(guī)范》中的數(shù)據(jù)進行一階線性回歸(本文只對雙車道單向交通隧道進行設(shè)計),可得交通量Q≤700輛/小時和Q≥2 400輛/小時時的入口段亮度折減系數(shù)k回歸公式;當交通量700輛/小時≤Q≤2 400輛/小時時,采用內(nèi)插法計算入口段亮度折減系數(shù)。

        不同交通量和行車速度時的入口段亮度折減系數(shù)按式(1)計算。

        根據(jù)《規(guī)范》,入口段亮度計算公式為

        2)中間段亮度數(shù)學模型:對《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/小時和Q≥2400輛/小時時的中間段亮度回歸公式曲線;交通量700輛/小時≤Q≤2400輛/小時時,采用內(nèi)插法計算。不同交通量和行車速度時中間段亮度按式(3)計算。

        3)過渡段的亮度取決于入口段的亮度,參照《規(guī)范》可知過渡段由Ltr1、Ltr2和Ltr3三段組成,其對應(yīng)的三段亮度分別為Ltr1=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

        隧道照明系統(tǒng)控制程序流程如圖3所示。首先對系統(tǒng)各模塊進行初始化,讀取亮度傳感器和車輛傳感器采集的信息,判斷是否啟用手動控制(默認情況下為自動控制);如果是自動控制,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,并報警結(jié)束程序;如果狀態(tài)正常,直接調(diào)用計算機自動調(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,嵌入到照明控制計算機中,即可實現(xiàn)隧道照明系統(tǒng)亮度的自動調(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)計軟件DIALux中建立隧道模型和仿真模型,設(shè)定一天不同時間段的洞外亮度、車流量和車速參數(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)學模型設(shè)定的洞外亮度、車流量和車速參數(shù)值下計算不同隧道區(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LED燈,就可以節(jié)能45%左右。對LED燈進行無級調(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燈的四級有級控制,無級調(diào)光也能夠多節(jié)能20%以上。本文設(shè)計的隧道照明自動控制系統(tǒng),不僅有較優(yōu)的控制效果,保證了隧道的行車要求,同時有很好的節(jié)能效果。

        5 結(jié)束語

        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、車流量和車速為輸入?yún)?shù),建立了隧道所需亮度數(shù)學模型;2能夠跟隨洞外亮度、車流量和車速參數(shù)的變化而自動調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度,設(shè)計了一種隧道照明自動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)在滿足照明要求的同時,降低了傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)因忽略車流量、車速的影響或只按階段最大值考慮所造成的電能浪費,節(jié)能效果顯著。

        [1]涂耘.公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)研究[J].公路交通科技,2008(6):117-120.

        [2]COMMISSION INTERNATIONAL DE L'ECLAIRAGE.CIE No 88-2 guide for the lighting of road tunnels and underpasses[S].Vienna:CIE Publication,1999.

        [3] BRITISH TECHNICAL COMMITTEE.BS 5489-2 code of practice for the design of road lighting of tunnels[S].London:British Standards Institution,2003.

        [4] ILLUMINATING ENGINEERING SOCIETY OF NORTH AMERICA.ANSI/IESNA RP-22-96 American national standard practice for tunnel lighting[S].Washington:American National Standards Institute,1996.

        [5]陳仲林,孫春紅.公路隧道照明設(shè)計研究[J].燈與照明,2007,31(3):32-35.

        [6]黃鳳武,陳勇隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].公路工程,2008,33(6):111-114.

        [7]郭蘭英,梁波,張生瑞.一種新的隧道照明系統(tǒng)控制策略[J].西北大學學報:自然科學版,2009,39(4):572-574.

        [8]李韌,傅達,陳朝陽.隧道照明節(jié)能與控制[J].公路工程,2007,32(5):204-206.

        [9]郭蘭英,梁波.公路隧道照明控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2009,25(3):38-40.

        [10]交通部重慶公路科學研究所.公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范JTJ026.1-1999[S].北京:人民交通出版社,2000.

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