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        模糊控制理論在公路隧道照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2015-03-10 09:34:12王志偉
        交通科技與經(jīng)濟 2015年5期
        關(guān)鍵詞:鎮(zhèn)流器車流量采集器

        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。

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