王志偉

（揚州市職業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州225009）

隧道是公路交通的重要組成部分，伴隨建設(shè)規(guī)模不斷擴大，其營運成本也不斷攀升，如何降低運營成本，并提高隧道安全性能，已是交通部門關(guān)注的重點問題。隧道照明是隧道內(nèi)不可或缺的設(shè)施，同時也是隧道內(nèi)能耗最大的系統(tǒng)。因此，隧道照明質(zhì)量的好壞不僅直接影響到駕駛者本身的行車安全性，同時也是降低隧道能耗，節(jié)約營運成本重要手段。尤其是在我國的多山地區(qū)，由于受到地理位置和經(jīng)濟條件的限制，很多隧道照明長期處于低水平、高能耗的階段，在國家大力提倡建設(shè)節(jié)約性社會的今天，提高隧道照明的設(shè)計質(zhì)量勢在必行。鑒于此，本文基于模糊控制理論設(shè)計一種隧道照明控制方法，以滿足隧道照明的需求，不僅保障了隧道內(nèi)行車的安全性，而且大大降低了隧道的能源消耗，實現(xiàn)了隧道照明的節(jié)能控制。

1 公路隧道照明技術(shù)

公路隧道照明主要目的是為防止司機因光線不足而出現(xiàn)交通事故，從而提高駕駛上的安全性，同時增加舒適感。隧道照明與一般道路照明有很大的不同點，主要反映在隧道不僅晚上需要照明，白天也需要照明，而且控制更加復(fù)雜。隧道照明設(shè)計同道路照明一樣，都需要考慮隧道洞外亮度，交通流量、設(shè)計車速等相關(guān)影響因素。尤其是在隧道入口和出口段需要考慮人眼的適應(yīng)過程。在白天，當(dāng)司機從明亮的環(huán)境接近、進入、然后通過隧道整個過程之中，將會產(chǎn)生各種視覺問題，主要包括:黑洞（長隧道）及黑框（短隧道）現(xiàn)象、適應(yīng)滯后現(xiàn)象、白天出口眩光現(xiàn)象等。

正是存在以上的特殊問題，隧道內(nèi)必須要安裝照明設(shè)施來保證行車安全。但是，隧道照明不僅僅是安全的問題，一條長100m的隧道，按相關(guān)理論的設(shè)計，能耗非常高，其照明能耗更是占了隧道總能耗的絕大部分，這就要求我們在隧道照明設(shè)計時采用各種即節(jié)能又能保證安全的方法。

盡管在目前的技術(shù)條件下，隧道照明有了不少的節(jié)能效果，但很大一部分隧道還是采用的邏輯開關(guān)形式，通過燈具的不同組合排列形式，產(chǎn)生相對應(yīng)的光強級別。雖然這種控制方法的程序設(shè)計和線路布置非常簡單，燈具選擇的靈活性大，維修和保養(yǎng)也很容易，但最大的缺點就是亮度不能任意調(diào)節(jié)，連續(xù)性和均勻性都不是很好，而且通常都是以最大亮度來進行設(shè)計，因此大量的電能被白白浪費掉。

無級調(diào)控方法實現(xiàn)了隧道的連續(xù)調(diào)光，同時也是一種最理想的節(jié)能控制方式。該控制方法把被控?zé)舻奈恢眯畔?、洞外亮度值、車流量值和車速值作為系統(tǒng)給定量，把隧道內(nèi)的光強作為調(diào)控對象，通過運算控制整個隧道照明系統(tǒng)的亮度處在動態(tài)平衡狀態(tài)當(dāng)中，從而實現(xiàn)最大程度上的節(jié)能。

隧道照明亮度無級控制的實現(xiàn)，是以建立相關(guān)調(diào)控數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，由于環(huán)境自身參數(shù)的隨機性，加上不同燈具其光效衰減程度也不同，建立一個很精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難，也是不現(xiàn)實的。模糊控制是一個很有效的解決方法，尤其適用于不能獲得精確數(shù)學(xué)模型或者有復(fù)雜非線性系統(tǒng)。通過編寫合理的照明控制程序，結(jié)合相應(yīng)的硬件設(shè)備，就可以實現(xiàn)隧道照明的無級調(diào)控。

隧道照明整體控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該系統(tǒng)組成主要包括隧道亮度控制計算機、亮度采集器、車輛采集器、DALL本地控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、電子鎮(zhèn)流器和隧道無極燈。亮度采集器布置于隧道內(nèi)各個區(qū)段，用于采集各段亮度值。首先，由隧道入口外置的車輛采集器和亮度采集器，收集洞外亮度、車流量以及車速信息。隨后將數(shù)據(jù)傳給隧道亮度控制計算機，經(jīng)建立的模糊控制模型運算后，由DALL本地控制器發(fā)送控制指令給電子鎮(zhèn)流器，一般需要將調(diào)光控制DALI分控制器和無極燈的電子鎮(zhèn)流器制造為一體，利用DALI主控制器對每個分控制器的尋址，來實現(xiàn)隧道內(nèi)亮度跟隨洞外亮度、車流量和車速信息進行無級控制。

圖1 隧道照明整體控制結(jié)構(gòu)

2 隧道照明模糊控制模型

隧道照明模糊控制系統(tǒng)模型共分為四階段，如圖2所示:第一階段為模糊控制系統(tǒng)輸入階段，接收語言變量的輸入，相關(guān)輸入量包括車流量N、車速V和洞外亮度L值；第二階段為隸屬度函數(shù)生成階段，實現(xiàn)語言量模糊化操作，定義車流量值N的模糊語言為｛小NNB，較小NNS，中等NZR，較大NPS，大NPB｝，定義車速值V模糊語言為｛慢VNB，中等VZR，快VPB｝，定義洞外亮度值L的模糊語言為｛暗LNB，較暗LNS，中等LZR，較亮LPS，亮LPB｝；第三階段為模糊系統(tǒng)推理階段，建立模糊控制規(guī)則表如表1所示，計算每條規(guī)則的適應(yīng)度；第四階段為輸出階段，實現(xiàn)輸出值的反模糊操作，輸出量為洞內(nèi)亮度ˉL。照明控制計算機將洞內(nèi)所需亮度與洞內(nèi)實際亮度比較計算出亮度偏差ΔL（定義洞內(nèi)所需亮度值ΔL模糊語言為｛暗ΔLNB，較暗ΔLNS，中等ΔLZR，較亮ΔLPS，亮ΔLPB｝，最后通過DALL主控制器對電子鎮(zhèn)流器進行調(diào)節(jié)控制無極燈，使隧道洞內(nèi)亮度與所需亮度接近一致。

圖2 隧道照明模糊控制模型

表1 模糊控制規(guī)則表

3 仿真實驗研究

利用本文建立的模糊控制模型來檢驗隧道照明控制系統(tǒng)的節(jié)能效果如何。下面是通過MATLAB軟件實現(xiàn)仿真實驗研究。隧道照明模糊控制系統(tǒng)的節(jié)能效果可以通過下面的方法進行簡單的評價:現(xiàn)只考慮洞外亮度變化因素，暫不考慮車速和車流量對隧道洞內(nèi)亮度的影響，設(shè)計車速為80km／h，車流量為1 000輛／h，設(shè)定24個亮度值構(gòu)造白天晴天時，一天內(nèi)（6點—18點）的隧道洞外亮度變化模型如圖3所示，經(jīng)模糊控制計算后，得到隧道洞內(nèi)所需的亮度變化模型如圖4所示，同時在圖4中得到采用4級分級控制的亮度模型。從中可以看出模糊控制系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，相比于只按洞內(nèi)能夠調(diào)節(jié)的最大亮度考慮，節(jié)能在50%以上，與4級分級控制相比節(jié)能也在20%以上，因此，如果再考慮車流量和車速對洞內(nèi)亮度的影響，其節(jié)能程度將相當(dāng)可觀。

圖3 洞外亮度變化模型

圖4 洞內(nèi)亮度變化模型

4 結(jié)束語

交通管理部門不僅要保證隧道的安全暢通，隨著我國建設(shè)節(jié)約型社會的提出，節(jié)能已成為一個不容忽視的問題。本文從節(jié)能角度出發(fā)，對隧道照明采用了模糊控制的方法，其控制系統(tǒng)能夠根據(jù)洞外亮度、交通流、車速的變化實時跟蹤調(diào)整，在滿足《隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》的亮度、安全性要求之外，相比于傳統(tǒng)的照明控制方法，具有很大的節(jié)能效果，能夠符合實際工程的需要。

［1］ 王少飛，涂耘.中國公路隧道照明技術(shù)近20年來的發(fā)展與創(chuàng)新［J］.照明工程學(xué)報，2012，23（S1）:88－96.

［2］ 鄭順橋，鄧小清.照明控制裝置在高速公路隧道照明中的應(yīng)用［J］.電世界，2012（9）:17－19.

［3］ 謝磊，王少飛.公路隧道節(jié)能減排專項規(guī)劃研究［J］.中國交通信息化，2015（6）:10－13.

［4］ 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(xué) 學(xué) 報:自 然 科 學(xué) 版，2009，39（4）:571－574.

［5］ 黃秀玲，李明.LED照明工程評價體系研究［J］.機電一體化，2011（11）:44－47.

［6］ 李良榮，王在浩，李震，等.自適應(yīng)隧道節(jié)能照明控制系統(tǒng)設(shè)計方案［J］.貴州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，（5）:48－52.

［7］ 潘鳴，李良榮.基于LED的隧道智能照明技術(shù)方案研究［J］.電子設(shè)計工程，2011（22）:157－159.

［8］ 郭引萍，惠秀娟.智能照明調(diào)控系統(tǒng)在公路隧道中的應(yīng)用［J］.中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2010（1）:91－94.