王志偉

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009）

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公路隧道照明自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)

王志偉

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009）

摘 要：針對(duì)我國(guó)目前公路隧道照明控制系統(tǒng)存在的行車(chē)安全以及電能浪費(fèi)等問(wèn)題，本文提出一種公路隧道照明自動(dòng)控制方案，實(shí)現(xiàn)了公路隧道內(nèi)亮度的連續(xù)調(diào)光。介紹控制系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)及各部分的功能，設(shè)計(jì)了照明系統(tǒng)的控制模型及系統(tǒng)主程序控制流程，構(gòu)建一天時(shí)間內(nèi)隧道照明功率變化模型，模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境測(cè)試與計(jì)算的理論值比較，表明該技術(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求并具有顯著的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：隧道照明 自動(dòng)控制 連續(xù)調(diào)光 照明節(jié)能

1 引言

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)和交通事業(yè)迅速發(fā)展的背景下，我國(guó)的隧道建設(shè)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隧道的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷擴(kuò)大，同時(shí)隧道的行車(chē)安全和運(yùn)營(yíng)維護(hù)越來(lái)越成為交通管理部門(mén)關(guān)注的焦點(diǎn)。隧道照明系統(tǒng)對(duì)隧道安全行車(chē)和運(yùn)營(yíng)起到基本的保障作用，同時(shí)也是解決隧道節(jié)能降耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，建立一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的隧道照明系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)隧道交通的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1-2］。

一個(gè)好的公路隧道照明設(shè)計(jì)，關(guān)鍵取決于其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。目前，隧道照明控制方法有很多，但由于成本、技術(shù)和管理的問(wèn)題，常采用的方法主要有手動(dòng)控制、時(shí)序控制和自動(dòng)控制方法。從穩(wěn)定性、可靠性上來(lái)講，手動(dòng)控制和時(shí)序控制具有一定的優(yōu)勢(shì)，也易于實(shí)施，但最大的問(wèn)題是電能浪費(fèi)過(guò)于嚴(yán)重。究其原因，主要在于照明設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有很好地考慮隧道環(huán)境和車(chē)速車(chē)流量變化的影響。鑒于國(guó)家對(duì)公路交通運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)能的要求，自動(dòng)控制方法廣泛推廣開(kāi)來(lái)。

現(xiàn)代公路隧道照明控制系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，按調(diào)控連續(xù)程度可分為分級(jí)（多級(jí)）調(diào)控系統(tǒng)和連續(xù)調(diào)控系統(tǒng)兩大類(lèi)。連續(xù)調(diào)控的實(shí)現(xiàn)主要基于有可調(diào)的光源。因此，在LED大范圍應(yīng)用于公路隧道照明之前一段時(shí)間內(nèi)，隧道照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用的多是分級(jí)控制方式。與連續(xù)調(diào)光相比較，它主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題。第一，控制級(jí)數(shù)很有限，一般只能實(shí)現(xiàn)2到3級(jí)的控制。這主要由于布線回路會(huì)隨著控制級(jí)數(shù)的增加而越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)由于影響隧道內(nèi)亮度的參數(shù)都是按最大值考慮的，隧道內(nèi)各段亮度必定也是處于最大值狀態(tài)，從而降低照明效率，造成電能浪費(fèi)。第二，運(yùn)行過(guò)程中，它不能保證行車(chē)的安全，同時(shí)存在與隧道監(jiān)控子系統(tǒng)產(chǎn)生矛盾等問(wèn)題。因此，鑒于LED光源可調(diào)的性能，特別是和其他隧道照明光源比較起來(lái)，控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，本文設(shè)計(jì)了一種公路隧道照明自動(dòng)化控制方案，使隧道內(nèi)的亮度可以根據(jù)隧道外的環(huán)境、車(chē)速車(chē)流量的變化而變化，達(dá)到連續(xù)調(diào)光的效果。這不僅能夠保障隧道內(nèi)的安全行車(chē)，在能源消耗上也有很大程度的降低，同時(shí)滿(mǎn)足節(jié)能的要求。

2 公路隧道照明自動(dòng)控制方案

公路隧道照明整體自動(dòng)控制系統(tǒng)方案如圖1所示。該控制系統(tǒng)的主要組成包括隧道外亮度采集裝置、車(chē)速車(chē)流量采集裝置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置、隧道照明用控制計(jì)算機(jī)、LED燈調(diào)光控制裝置以及滿(mǎn)足隧道照明配套的LED隧道燈具。該控制系統(tǒng)可以根據(jù)隧道外環(huán)境、車(chē)速變化、車(chē)流量變化對(duì)LED隧道燈的功率做出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)各區(qū)段亮度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

具體控制過(guò)程為：設(shè)置在隧道內(nèi)外的亮度采集裝置和車(chē)速車(chē)流量采集裝置將采集得到的隧道內(nèi)外亮度信息、車(chē)速信息、車(chē)流量信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置處理后，傳遞給設(shè)置在隧道控制室內(nèi)的照明計(jì)算機(jī)，并根據(jù)已建好的隧道照明自動(dòng)控制模型處理相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出隧道內(nèi)各區(qū)段的亮度值，再結(jié)合LED功率曲線計(jì)算出調(diào)光控制裝置需要調(diào)節(jié)的控制量，調(diào)整LED應(yīng)該輸出的功率大小，并反饋亮度信息給照明控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而完成隧道各區(qū)段內(nèi)的連續(xù)調(diào)光控制。

圖1 公路隧道照明自動(dòng)控制方案

3 公路隧道照明控制模型建立

隧道照明控制模型的建立是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，直接影響控制的準(zhǔn)確性和精確性。本文隧道照明控制模型主要依據(jù)《公路隧道照明通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ026.1-99》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）的規(guī)定建立，滿(mǎn)足隧道內(nèi)行車(chē)安全和節(jié)能的要求。原理：根據(jù)《規(guī)范》，通過(guò)MATLAB軟件，擬合出公路隧道內(nèi)理論亮度需求曲線，建立隧道內(nèi)各區(qū)段的亮度數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)LED隧道燈進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足不同區(qū)段的亮度要求。要有理想或最優(yōu)的控制效果，就必須使理論亮度需求曲線具有較高的擬合度。隧道各段照明亮度及長(zhǎng)度如圖2所示，即為要建立模型的理論需求曲線。

圖2 隧道各段照明亮度及長(zhǎng)度

對(duì)于大隧道而言，隧道照明按照《規(guī)范》設(shè)計(jì)要求可分為入口段照明、過(guò)渡一段照明、過(guò)渡二段照明、過(guò)渡三段照明、中間段照明以及出口段照明。由上文所述，隧道各區(qū)段的亮度值是由所建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算，并通過(guò)調(diào)光控制裝置來(lái)調(diào)整LED功率實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)汽車(chē)進(jìn)入隧道的時(shí)候，人眼是有一個(gè)適應(yīng)要求的。為了使調(diào)光過(guò)程讓人眼感覺(jué)更自然更舒服，這里L(fēng)ED隧道燈的控制采用對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)，每盞燈256級(jí)調(diào)光，使隧道內(nèi)的亮度變化更接近于線性調(diào)節(jié)，避免在行車(chē)過(guò)程中由于亮度的突然改變，造成人眼的不適，從而減小對(duì)行車(chē)安全的影響。但是，頻繁調(diào)光存在安全隱患，燈具使用壽命也因此降低，能耗增大，同時(shí)也是不必要的調(diào)光方式。這里，通過(guò)時(shí)間觸發(fā)方式解決這個(gè)問(wèn)題，即每3min采集一次數(shù)據(jù)（包括隧道外亮度、車(chē)速車(chē)流量信息），然后對(duì)隧道內(nèi)亮度進(jìn)行一次計(jì)算。實(shí)際上，無(wú)級(jí)調(diào)光可以稱(chēng)為更精細(xì)的分級(jí)調(diào)光。

本文對(duì)《規(guī)范》中涉及的數(shù)據(jù)包括隧道外亮度信息、車(chē)速信息、車(chē)流量信息進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，在MATLAB中采用線性回歸的方法建立隧道各段相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

3.1 入口段照明數(shù)學(xué)模型

利用MATLAB，針對(duì)《規(guī)范》中表4.3.1入口段亮度折減系數(shù)k數(shù)據(jù)，進(jìn)行一階線性回歸（本文僅對(duì)雙車(chē)道單向交通隧道進(jìn)行建模）。在不同行車(chē)速度條件下，當(dāng)隧道交通量Q≤700輛/h時(shí)，入口段亮度折減系數(shù)k線性回歸圖如圖3所示；當(dāng)隧道交通量Q≥2400輛/h時(shí)，入口段亮度折減系數(shù)k線性回歸圖如圖4所示。

圖3 交通量Q≤700輛/h時(shí)入口段亮度折減系數(shù)回歸圖

圖4 交通量Q≥2400輛/h時(shí)入口段亮度折減系數(shù)回歸圖

當(dāng)隧道交通量Q≤700輛/h和隧道交通量Q≥2400 輛/h時(shí)，入口段亮度折減系數(shù)k是由圖3和圖4計(jì)算而出。但是，當(dāng)隧道交通量700輛/h＜Q＜2400輛/h時(shí)，《規(guī)范》沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算折減系數(shù)k。因此，本文利用內(nèi)插法折中計(jì)算隧道交通量700輛/h＜Q＜2400輛/h時(shí)的入口段亮度折減系數(shù)k。在不同行車(chē)速度和交通流量下，入口段亮度折減系數(shù)k的計(jì)算如公式1所示。

3.2 中間段照明數(shù)學(xué)模型

查《規(guī)范》表4.3.1可知，中間段亮度僅與車(chē)速和車(chē)流量有關(guān)。當(dāng)對(duì)表4.3.1在MATLAB中進(jìn)行一階線性回歸后，中間段亮度擬合誤差較大，而采用二階線性回歸的中間亮度擬合度非常好。在不同行車(chē)速度條件下，當(dāng)隧道交通量Q≤700輛/h和Q≥2400輛/h時(shí)，中間段亮度二階線性回歸圖分別如圖5、6所示。

圖5 交通量Q≤700輛/h時(shí)中間段亮度回歸圖

圖6 交通量Q≤700輛/h時(shí)中間段亮度回歸圖

同入口段折減系數(shù)k計(jì)算方法一樣，當(dāng)隧道交通量700 輛/h＜Q＜2400輛/h時(shí)，也采用內(nèi)插法計(jì)算出中間段亮度。在不同行車(chē)速度和交通流量下，建立中間段亮度數(shù)學(xué)模型如公式3所示。

3.3 過(guò)渡段照明數(shù)學(xué)模型

3.4 出口段照明數(shù)學(xué)模型

出口段的亮度可取中間段亮度的5倍，即出口段亮度Lout=5Lin。

4 照明系統(tǒng)主程序流程設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了整個(gè)隧道照明控制系統(tǒng)的流程圖，如圖7所示。首先，初始化系統(tǒng)各模塊，讀取隧道外亮度和車(chē)速車(chē)流量信息，控制室內(nèi)人員選擇手動(dòng)照明控制或自動(dòng)照明控制。手動(dòng)照明控制即人為根據(jù)環(huán)境變化來(lái)調(diào)整隧道內(nèi)照明亮度，從而結(jié)束自動(dòng)控制程序。如果選擇自動(dòng)照明控制，開(kāi)始檢查隧道狀態(tài)，非正常狀態(tài)，進(jìn)入報(bào)警程序，同時(shí)結(jié)束程序運(yùn)行；正常狀態(tài)，則調(diào)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)光程序，輸出調(diào)光指令完成一次調(diào)光過(guò)程；系統(tǒng)每間隔3min觸發(fā)一次程序運(yùn)行，直到人為輸入結(jié)束程序指令，自動(dòng)控制狀態(tài)結(jié)束。

表1 隧道各區(qū)段測(cè)試亮度值（部分）

圖7 隧道照明系統(tǒng)控制流程圖

5 照明系統(tǒng)的測(cè)試與分析

本文結(jié)合模擬的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)該隧道照明控制方案進(jìn)行了測(cè)試與分析：設(shè)定一天不同時(shí)間段的隧道外亮度、車(chē)速和車(chē)流量值，采集隧道各區(qū)段的亮度數(shù)據(jù)（僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)樣本），如表1所示?，F(xiàn)根據(jù)所建隧道照明控制數(shù)學(xué)模型，在相同條件下，理論計(jì)算出對(duì)應(yīng)的隧道各區(qū)段亮度數(shù)據(jù)，樣本如表2所示。通過(guò)對(duì)比表1和表2中的數(shù)據(jù)可以看出，模擬現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)測(cè)試值與理論計(jì)算值之間的誤差較小，基本控制在2%左右。

表2 隧道各區(qū)段理論亮度值（部分）

為了比較本文設(shè)計(jì)的隧道照明控制方案與傳統(tǒng)控制方式之間的節(jié)能效果，構(gòu)建隧道在白天晴天（6∶00～18∶00）時(shí)整體照明功率的變化圖。對(duì)比方案主要有高壓鈉燈等亮度不調(diào)光控制方案、LED燈等亮度不調(diào)光控制方案、LED分級(jí)（四級(jí)）調(diào)光控制方案和LED無(wú)級(jí)調(diào)光控制方案四種，轉(zhuǎn)化為功率比如圖8所示。從圖中可以看出，高壓鈉燈不調(diào)光控制功率能耗最高，設(shè)定為1；如果僅將LED燈代替高壓鈉燈，能耗能降低40%～50%；采用LED分級(jí)（四級(jí)）控制，可使能耗將進(jìn)一步降低；而采用LED無(wú)級(jí)調(diào)光控制能耗最低，比只考慮按最大亮度設(shè)計(jì)的高壓鈉燈可節(jié)能80%以上，即使與LED分級(jí)調(diào)光控制相比，也能實(shí)現(xiàn)節(jié)能20%。通過(guò)上述測(cè)試分析，本文設(shè)計(jì)的隧道照明自動(dòng)控制技術(shù)能夠滿(mǎn)足《規(guī)范》的要求，控制效果滿(mǎn)意，保障行車(chē)安全的同時(shí)，最大程度實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

圖8 白天晴天時(shí)隧道照明功率變化圖

6 結(jié)束語(yǔ)

隧道照明在保證公路通行安全和效率上起著重要作用，是公路交通不可或缺的組成部分，而照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又是隧道照明實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本文結(jié)合LED優(yōu)越的可控性能，設(shè)計(jì)了一種隧道照明自動(dòng)控制方案。通過(guò)測(cè)試分析，該方案滿(mǎn)足《規(guī)范》規(guī)定隧道照明需求，同傳統(tǒng)的照明控制設(shè)計(jì)方式相比，尤其與忽略隧道環(huán)境變化僅考慮按最大亮度設(shè)計(jì)的高壓鈉燈照明比較，節(jié)能顯著，在工程實(shí)踐上具有一定可靠性。

參考文獻(xiàn)

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［2］王少飛，涂耘，等.公路隧道節(jié)能減排專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃研究［J］.公路隧道，2015，（1）：10-13.

Auto-control Technology for Highway Tunnel Lighting

WANG Zhiwei
（Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou 225009）

Abstract：Tunnel lighting system is very important in tunnel electrical engineering. With the consideration of problems such as driving safety and energy consumption existed in tunnel lighting control system at present， an automatic control system of tunnel lighting based on stepless control method was presented， and continuous light tuning of LED （light-emitting diode） lamp was achieved. The automatic control system was composed of vehicle detectors， luminance detectors，data converters， lighting control computer， dimming controllers and LED lamps. The tunnel lighting control model was established based on “Specifications for Design of Ventilation and Lighting of Highway Tunnel （China）” and the flow chart of m ain procedures of the automatic control system was given. Comparison between results of simulation experiments in MATLAB and dat a collected on site shows that the automatic control system can meet the actual luminance requirements in tunnel lighting and has good effect on energy-saving.

Key words：Tunnel lighting， auto-control， continuous light tuning， energy-saving