李東玉 廖 江 王 帥 周 華 李良榮
(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng)550025;2.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信工程系,貴州 凱里556000)
《國(guó)家節(jié)能減排十二五規(guī)劃》中指出,突出抓好工業(yè)、建筑、交通與公共設(shè)施等重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)用能單位節(jié)能,大幅提高能源利用效率,有效減少主要污染物排放總量。高速公路作為交通和公共服務(wù)設(shè)施理應(yīng)做好相應(yīng)的節(jié)能減排工作。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國(guó)高速公路總長(zhǎng)在2013年12月份已達(dá)到104468公里,位居世界第一位,其中新建高速公路8260公里[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2014年全國(guó)計(jì)劃新開(kāi)工的高速公路共計(jì)96條,建設(shè)總里程達(dá)8150.76公里。從地區(qū)分布上看,新建項(xiàng)目主要集中于西部地區(qū),建設(shè)里程達(dá)1742公里。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,預(yù)計(jì)到2015年,中國(guó)西部地區(qū)高速公路總里程將達(dá)到3.6萬(wàn)公里[2]。
高速公路對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)至關(guān)重要。在我國(guó)西部山區(qū),隧道和橋梁建設(shè)是高速公路建設(shè)的重要手段。要保證隧道行車(chē)安全,隧道照明實(shí)施是關(guān)鍵。根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》,以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》,長(zhǎng)度達(dá)100m以上的隧道都應(yīng)設(shè)置照明[3]。山區(qū)地形、地質(zhì)、水文條件復(fù)雜,造成構(gòu)造物眾多,橋梁和隧道總長(zhǎng)占路線長(zhǎng)度的比例大,有些山區(qū)高速公路的橋隧比高達(dá)70%-80%[4]。而一些高速公路的車(chē)流量并不大(尤其是一些支線公路),為了行車(chē)安全24小時(shí)照明,浪費(fèi)了很多能源。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召,隧道照明能耗問(wèn)題成為隧道設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中備受關(guān)注的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
隧道是公路上的特殊路段,隧道內(nèi)外亮度變化極大,隧道入口處存在“黑洞效應(yīng)”,影響駕駛員的視覺(jué)滯留時(shí)間,使其無(wú)法辨清道路狀況;隧道出口處存在“白洞效應(yīng)”,對(duì)駕駛員產(chǎn)生強(qiáng)烈的炫光,會(huì)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)造成很大影響。國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料表明,這些原因引發(fā)的交通事故比例較大[5-7],為降低隧道照明能耗,提高隧道行車(chē)的安全性,急需在公路隧道內(nèi)設(shè)置合理的節(jié)能照明系統(tǒng)。
為提高高速公路隧道行車(chē)的安全性,降低或消除“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”的影響,《細(xì)則》對(duì)隧道照明進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。隧道照明系統(tǒng)分為入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段,過(guò)渡段又劃分為三個(gè)小段。隧道內(nèi)各路段照明亮度要求如圖1實(shí)線所示。
圖1 隧道內(nèi)各路段亮度要求
隧道入口段的亮度根據(jù)隧道接近段亮度確定,計(jì)算公式:
式中Lth為入口段亮度,L20(s)即自然光采集器采集的隧道接近段亮度值,k為入口段亮度折減系數(shù)。k由行車(chē)速度、交通量共同決定,根據(jù)《細(xì)則》可知,k的最大值為0.045。
隧道入口段的長(zhǎng)度計(jì)算公式為:
式中,Dth為入口段長(zhǎng)度,Ds為停車(chē)視距,視距由設(shè)計(jì)的車(chē)速和洞口縱波決定,h為洞口內(nèi)凈空高度。
《細(xì)則》建議將過(guò)渡段照明分為3個(gè)區(qū)段,各區(qū)段的亮度值是在入口段亮度值Lth的基礎(chǔ)上進(jìn)行折減,折減系數(shù)分別為0.3、0.1和0.035。三段的亮度值分別用Ltr1、Ltr2和Ltr3表示,計(jì)算公式如下:
Ltr1=0.3LthLtr2=0.1LthLtr3=0.035Lth
過(guò)渡段的長(zhǎng)度由設(shè)計(jì)的車(chē)速?zèng)Q定?!都?xì)則》提供了過(guò)渡段照明亮度與車(chē)速關(guān)系的CIE曲線,如圖2所示。關(guān)系表達(dá)式為:
式中,t為時(shí)間變量,是指車(chē)輛進(jìn)入過(guò)渡段時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),到達(dá)過(guò)渡段的某區(qū)段的時(shí)間,乘以車(chē)速即可得到該區(qū)段的長(zhǎng)度。
圖2 過(guò)渡段照明亮度與車(chē)速的關(guān)系
中間段亮度宜取2cd/m2-15cd/m2,具體由車(chē)速、交通量和車(chē)道共同決定?!都?xì)則》規(guī)定,在單向交通隧道中,應(yīng)設(shè)置出口段照明,照明亮度為中間段的5倍,長(zhǎng)度一般取60m。
目前我國(guó)高速公路隧道照明系統(tǒng)多采用高壓鈉燈作為照明燈具,考慮維護(hù)系數(shù)等,通常要選用150W以上的高壓鈉燈,普遍存在過(guò)度照明的問(wèn)題[8]。而在相同的視覺(jué)條件下,LED燈比高壓鈉燈節(jié)電60%-70%,光源利用率高,且光色更接近自然光。以貴州省貴陽(yáng)市黔靈山隧道(長(zhǎng)度1580m)為例,此隧道目前的照明燈具為300盞高壓鈉燈,且為長(zhǎng)明狀態(tài)。在不改變燈具布局的前提下,把高壓鈉燈換為L(zhǎng)ED燈,年能耗比較結(jié)果如表1所示[9]。從表1可以看出,用LED燈具24小時(shí)照明可降低40%的能耗,以0.5元/度的電價(jià)計(jì)算,僅此隧道每年可節(jié)約7.9萬(wàn)元的照明開(kāi)支。
表1 高壓鈉燈與LED燈的年能耗比較
LED燈除了光源利用率高之外,它的色溫可以在4000K~7000K之間靈活選擇,顯像指數(shù)可達(dá)80以上。最突出的特點(diǎn)是LED燈不存在啟動(dòng)延時(shí)問(wèn)題,隨時(shí)接通隨時(shí)工作,非常適用于隧道燈的智能調(diào)節(jié)。LED燈還具有使用壽命長(zhǎng)且無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn),是隧道照明的理想綠色光源。
有部分隧道將高壓鈉燈和LED燈混合使用。如秦嶺終南山公路隧道,該隧道被譽(yù)為“中國(guó)第一長(zhǎng)隧”,全長(zhǎng)18.02km,照明燈具分為用于基本照明的高壓鈉燈和用于加強(qiáng)照明的LED燈[10]。雖然各段照明亮度滿足《細(xì)則》要求,很大程度上降低了隧道行車(chē)的安全隱患,但照明方式并非智能方式,每年的能耗是巨大的。
目前我國(guó)高速公路隧道照明系統(tǒng)普遍采用長(zhǎng)明燈的照明方式,能夠?qū)崿F(xiàn)的自動(dòng)控制非常有限,這種傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)存在能源浪費(fèi)問(wèn)題[11]。如陜西西漢高速公路隧道全年照明電費(fèi)接近2300萬(wàn)元[12]。部分隧道采取人工或時(shí)序控制方式,但人工控制方式存在人為的差異性,并存在距離上誤判可能,且人員方面也需要不小的開(kāi)支。時(shí)序控制是每季度確定一個(gè)時(shí)間表自動(dòng)按時(shí)控制,此控制方式雖然有一定的智能性,減少了人員開(kāi)支,但只實(shí)現(xiàn)了照明亮度隨季節(jié)變化的功能。若有時(shí)天氣變陰,天空很快就暗下來(lái),這種情況照明系統(tǒng)無(wú)法做出相應(yīng)調(diào)整,對(duì)隧道內(nèi)行車(chē)會(huì)產(chǎn)生不利影響。為解決以上兩種控制方式的弊端,使隧道照明達(dá)到節(jié)能、安全的效果,需要一種“車(chē)近燈亮、車(chē)過(guò)燈滅、智能調(diào)光”的隧道智能照明系統(tǒng)。
為了使隧道內(nèi)部的亮度隨外界亮度實(shí)時(shí)改變,需要在洞口接近段放置自然光采集傳感器,隨時(shí)采集洞口亮度,用作隧道內(nèi)部亮度調(diào)節(jié)的依據(jù),這樣可以消除洞口的“黑洞效應(yīng)”帶來(lái)的安全隱患。在隧道內(nèi)部安裝通行傳感器,當(dāng)某位置的傳感器檢測(cè)到所在區(qū)域有車(chē)輛通行時(shí),車(chē)輛所在位置前后路段的燈亮;當(dāng)檢測(cè)不到所在路段有車(chē)輛通行時(shí),所在路段的燈滅。如圖3所示,當(dāng)車(chē)輛行至路段1時(shí),隧道路段1和2的燈亮,當(dāng)車(chē)輛行至路段2時(shí),隧道路段2和3的燈亮,同時(shí)路段1的燈滅。以此類推,車(chē)輛行駛于隧道內(nèi)任意位置,只有車(chē)前后一段距離的燈亮,在外界看來(lái),就像一條“光亮帶”引導(dǎo)車(chē)輛在隧道內(nèi)行駛,從而實(shí)現(xiàn)隧道照明智能節(jié)能的效果。
圖3 照明方式設(shè)計(jì)
現(xiàn)介紹一種智能照明系統(tǒng),其設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖4所示,圖中的虛線框表示隧道內(nèi)部,燈具控制器為信息處理單元。當(dāng)車(chē)輛行駛接近隧道,燈具控制器1的車(chē)輛檢測(cè)傳感器檢測(cè)到車(chē)輛時(shí),燈具控制器1開(kāi)啟,燈具控制器1接收來(lái)自隧道外的控制信號(hào)(Lth),經(jīng)過(guò)控制器的信息處理單元,產(chǎn)生用于控制LED亮度的PWM信號(hào),同時(shí)將L th及路段信息輸出至燈具控制器2。當(dāng)車(chē)輛行駛至燈具控制器2的車(chē)輛檢測(cè)范圍時(shí),燈具控制器2開(kāi)始工作,工作流程和燈具控制器1相同。當(dāng)車(chē)輛行駛至隧道內(nèi),駛出燈具控制器1的車(chē)輛檢測(cè)范圍,同時(shí)也沒(méi)有車(chē)輛再次駛?cè)胲?chē)輛檢測(cè)范圍時(shí),燈具控制器1停止工作,所在路段的LED燈滅,從而實(shí)現(xiàn)智能照明。
圖4 智能照明系統(tǒng)架構(gòu)
隧道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,汽車(chē)尾氣、煙塵等都會(huì)影響LED燈光線的傳播,致使地面的亮度小于實(shí)際要求,故需要引入照度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的亮度,將檢測(cè)到的亮度值反饋給控制器1的信號(hào)處理單元。燈具控制器1對(duì)接收到的控制信號(hào)及照度傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行綜合處理,使輸出PWM信號(hào)的占空比做出相應(yīng)改變,這是隧道內(nèi)部亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)過(guò)程,這樣無(wú)論隧道內(nèi)的環(huán)境多么惡劣,隧道內(nèi)的亮度都能達(dá)到指定要求。
經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),目前國(guó)內(nèi)研究的大部分智能照明系統(tǒng)中各路段的長(zhǎng)度都是確定的,過(guò)渡段采取三段式照明。這樣設(shè)計(jì)雖然符合《細(xì)則》對(duì)各段的照明要求,但考慮到隧道行車(chē)的安全性,各段長(zhǎng)度均按照隧道行車(chē)的最大速度設(shè)計(jì)。當(dāng)有低速車(chē)輛通過(guò)隧道時(shí),適應(yīng)距離明顯縮短,而各區(qū)段長(zhǎng)度是固定的,使隧道內(nèi)仍存在不必要的能源浪費(fèi)。且三段式照明方式仍存在較大的照度梯度,會(huì)降低行車(chē)時(shí)駕駛員視覺(jué)上的舒適性。
為實(shí)現(xiàn)隧道最大程度的節(jié)能,同時(shí)提高駕駛員視覺(jué)上的舒適性,隧道內(nèi)的部分控制器需引入由雷達(dá)測(cè)速儀組成的測(cè)速模塊。選取對(duì)應(yīng)路段的最大行車(chē)速度,并將此速度信息加入到控制器間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中。當(dāng)控制器接入測(cè)速模塊時(shí),信號(hào)處理單元按照測(cè)速模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,否則按照上級(jí)控制器的速度進(jìn)行信息處理。隧道內(nèi)控制器間距也要做出相應(yīng)規(guī)定,如規(guī)定隧道內(nèi)燈具控制器間距為10m,各控制器可以根據(jù)段位信息計(jì)算出其在對(duì)應(yīng)區(qū)段的位置。對(duì)于入口段照明中的亮度折減系數(shù)k與停車(chē)視距Ds,可以根據(jù)入口段行車(chē)的最高車(chē)速v,依據(jù)《細(xì)則》的要求進(jìn)行插值,這樣入口段長(zhǎng)度及照度值的自動(dòng)調(diào)節(jié)將取決于最高車(chē)速v。當(dāng)控制器接收到過(guò)渡段的數(shù)據(jù)時(shí),各控制器可根據(jù)段位信息計(jì)算出其距過(guò)渡段初始處的距離s,再根據(jù)過(guò)渡段的行車(chē)最高速度v,計(jì)算出圖2中的橫坐標(biāo),t=s/v,從而得出段位照度值。當(dāng)亮度信號(hào)在2cd/m2~15cd/m2之間時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)切換到中間段照明,具體數(shù)值依然根據(jù)《細(xì)則》進(jìn)行插值,這樣隧道內(nèi)各段位LED燈的照度值L成為關(guān)于最高速度v的函數(shù)。當(dāng)隧道內(nèi)行車(chē)最高速度變化時(shí),各區(qū)段的長(zhǎng)度及各段位的照度值都會(huì)隨之變化,既能提高隧道內(nèi)個(gè)別高速車(chē)輛行駛的安全性,又避免隧道內(nèi)車(chē)輛均為低速時(shí)造成能源浪費(fèi),可進(jìn)一步提高隧道照明的智能節(jié)能效果。
本文就照明燈具和照明方式兩個(gè)方面介紹了隧道節(jié)能措施,選用大功率LED燈及智能的照明方式,不僅可以使隧道照明具有良好的節(jié)能效果,而且能在很大程度上提高行車(chē)的安全性。特別是在交通量較少的夜間,可避免隧道內(nèi)無(wú)車(chē)輛行駛時(shí)的無(wú)效照明。另外,論文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分提出一種新穎的智能系統(tǒng),和目前大部分學(xué)者研究的系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)的節(jié)能性與安全性進(jìn)一步提高。隧道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,可能會(huì)造成照明系統(tǒng)中某單元損壞。若在系統(tǒng)中配置GSM模塊,將隧道內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)反饋到監(jiān)控中心,當(dāng)隧道照明系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí),便可以馬上派相關(guān)人員進(jìn)行檢修。這種隧道照明遠(yuǎn)程監(jiān)控功能是今后研究的重點(diǎn),也是隧道照明更加智能的一個(gè)研究方向。
[1]中國(guó)高速公路總里程突破10萬(wàn)公里,高居世界第一[EB/OL].http://www.phbang.cn/general/143172.html.
[2]西 部高速路2015年將達(dá)3.6萬(wàn) 公 里[EB/OL].http://www.keyunzhan.com/knews-102324/.
[3]JTG/TD70/2-01—2014.公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京:人民交通出版社,2014.
[4]韋龍林.淺析山區(qū)高速公路橋梁施工特點(diǎn)及技術(shù)[J].中國(guó)科技博覽,2010(26):304.
[5]馬聰.云南省高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011.
[6]張生瑞,馬壯林,高速公路隧道交通環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,26(2):77-80.
[7]Dumbuya A D,Wood R L,Visual perceptionmodeling for intelligent virtualdriver agents in syntheticdriving simulation[J].Journal of Experimental&Theoretical Artificial Intelligence,2003,15(1):73-102.
[8]李丹丹.隧道照明智能控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].價(jià)值工程,2012,33(2):102-103.
[9]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(jì)工程,2011,19(22):157-159.
[10]王青錄.秦嶺終南山公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)交通信息化,2011(4):113-114.
[11]龔貽華.城市隧道照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.
[12]陳忠良.淺談隧道照明節(jié)能控制及安全監(jiān)控方案[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2009,46(3):105-111.