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        高速公路隧道智能照明控制系統(tǒng)研究

        2021-07-30 11:51:00李玉善
        山東交通科技 2021年3期
        關(guān)鍵詞:論域調(diào)光檢測器

        潘 冬,郭 林,李玉善

        (1.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250031;2.山東科技大學(xué),山東 青島 266590)

        引言

        在進(jìn)入高速公路隧道時(shí),視野內(nèi)光線的明暗會(huì)發(fā)生較大變化,不利于行車安全。因此,在照明滿足安全行車的基礎(chǔ)上,減小電力消耗,對公路隧道照明控制提出了很高的要求[1]。孫巧燕等[2]通過對LED 燈和高壓鈉燈全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益比較得出前者具有巨大優(yōu)勢的結(jié)論。劉軍[3]提出了一種基于模糊控制方法的隧道照明控制系統(tǒng),但未考慮車速對照明控制的要求;秦慧芳等[4]運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法搭建了一種三輸入-單輸出的控制模型,但未監(jiān)測實(shí)際的照明控制情況;沙欣[5]提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制模型,但未考慮速度的影響;秦莉[6]提出了一種能夠根據(jù)車輛有無、車輛行為信息和環(huán)境信息實(shí)時(shí)調(diào)整照明狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)按需照明的方法。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        該控制系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)時(shí)采集隧道內(nèi)外的光亮度,駛經(jīng)車輛的流量及車速,對隧道內(nèi)的燈具進(jìn)行合理控制??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1,首先利用車輛檢測器、亮度檢測器以及照度檢測器分別檢測車速、交通量、隧道洞外亮度以及隧道洞內(nèi)亮度等信息,然后通過智能照明系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)對LED 燈的智能控制。

        圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        1.2 車輛檢測器

        車輛檢測方法有無線地磁檢測、環(huán)形線圈檢測、視頻檢測、紅外線檢測、雷達(dá)檢測、超聲波檢測和激光檢測等[7]。其中地磁檢測技術(shù)檢測精度高,安裝維護(hù)方便、價(jià)格便宜、使用壽命長、易更換。

        為了保證行車安全,確定隧道內(nèi)照明燈具的工作狀態(tài),需在隧道的駛?cè)攵卧O(shè)置兩組車輛檢測器,分別作為預(yù)檢檢測器和入口檢測器。預(yù)檢檢測器對車輛的預(yù)檢,既能避免車輛到達(dá)隧道時(shí)臨時(shí)開燈帶來的不適感,也能防止隧道內(nèi)照明頻繁的開閉。入口檢測器得到的數(shù)據(jù)作為控制算法的輸入數(shù)據(jù),出口檢測器用來確認(rèn)車輛是否駛出隧道。

        1.3 隧道照明亮度、照度儀

        隧道洞外亮度是入口段亮度控制的重要參數(shù),入口段亮度決定了隧道其他分段的照明[8]。亮度檢測器檢測洞外亮度,照度檢測儀用于檢測隧道內(nèi)燈光的照度,反饋照明情況。系統(tǒng)的洞外亮度檢測器將檢測到的隧道洞內(nèi)外光照通過RS485 總線采用MODBUS 協(xié)議上傳至本地控制器。檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

        圖2 洞外亮度、照度檢測工作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        1.4 LED 調(diào)光

        LED 光源的調(diào)光模式主要有燈管陣列控制、燈群組控制和無極調(diào)光三種方式。三種調(diào)光方式的照明需求曲線[9]差別很大。傳統(tǒng)照明方式保持亮度不變,燈陣列或燈群組控制的亮度調(diào)節(jié)呈階梯狀,只有無級調(diào)光能近似實(shí)現(xiàn)線性調(diào)節(jié),符合各種情景下的亮度需求。目前市場上使用較多的LED 無級調(diào)光模式主要有模擬調(diào)光、可控硅調(diào)光和PWM 調(diào)光等。模擬調(diào)光的調(diào)節(jié)范圍具有局限性,可控硅調(diào)光對工作環(huán)境要求比較高,故本系統(tǒng)方案采用PWM 調(diào)光方式。

        PWM 通過對驅(qū)動(dòng)器施加數(shù)字脈沖信號,反復(fù)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器以控制燈源實(shí)際功率,從而達(dá)到調(diào)光目的。通過改變數(shù)字脈沖信號的占空比就可以等效的改變控制電流,從而平滑的實(shí)現(xiàn)256 級甚至更大范圍的調(diào)光需求。

        2 系統(tǒng)控制策略

        由于隧道最主要的調(diào)光部分是在入口段,并且過渡段亮度是依據(jù)入口段亮度得來,所以本系統(tǒng)把入口段亮度作為控制的輸出。影響入口段亮度的因素有洞外亮度、車速、交通量等,故將其作為模糊系統(tǒng)輸入變量,其對應(yīng)的模糊語言集分別是L20(洞外亮度)、V(車速)及N(交通量)。模糊PID 控制方法可以自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù),提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

        2.1 模糊化

        依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014),洞外亮度L20的真實(shí)論域?yàn)閇0 6000],離散論域取[-6 6],隸屬度函數(shù)圖像選擇三角形;車速的真實(shí)論域?yàn)閇0 120],取離散論域?yàn)閇-4 4],隸屬度函數(shù)圖像選擇梯形;交通量的幾個(gè)分界值為 2 400 veh/h、1 300 veh/h、700 veh/h、360 veh/h[10],其實(shí)際論域?yàn)閇0 2400],取離散論域?yàn)閇-4 4]。本系統(tǒng)選擇入口段亮度M 作為模糊控制的輸出,入口段調(diào)光的最大亮度為Lth=k×L20(S)=0.070× 6 500=455,其真實(shí)論域?yàn)閇0 455],取離散論域?yàn)?[-6 6],隸屬度函數(shù)圖像選擇梯形。

        2.2 模糊規(guī)則的確定

        參照專家經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際的控制經(jīng)驗(yàn),制定模糊規(guī)則見表1。

        表1 模糊規(guī)則

        在進(jìn)行模糊控制時(shí),L20、V、N,并不能直接作為模糊運(yùn)算的輸入變量,還需要通過量化因子進(jìn)行量化,每一個(gè)輸入變量都有其對應(yīng)的量化因子:

        式中:ke—量化因子;m—輸入變量離散論域范圍;eh—輸入變量真實(shí)論域的最大值;el—輸入變量真實(shí)論域的最小值。

        對于模糊控制輸出的M,同樣需要比例因子的換算才能得到實(shí)際的輸出結(jié)果:

        式中:ku—比例因子;uh—輸出變量真實(shí)論域的最大值;ul—輸出變量真實(shí)論域的最小值;l—輸出變量離散論域范圍。

        依據(jù)公式(1)和(2),可以得出輸入的量化因子和輸出的比例因子。在確定了量化因子和比例因子后,輸入變量L20、V、N 可通過公式(3)~(5)轉(zhuǎn)換為模糊控制的輸入l、v、n:

        模糊控制器的輸出M 可以由公式(6)轉(zhuǎn)化成實(shí)際輸出m:

        2.3 模糊推理

        對于if L and v and n and p then M 的模糊規(guī)則,依據(jù)Mamdani 推理可得輸入與輸出關(guān)系:

        式中:Ri—輸入與輸出對應(yīng)的第i 條規(guī)則,i=1,2……63;T—矩陣轉(zhuǎn)置。

        模糊關(guān)系矩陣:

        則可以依據(jù)模糊關(guān)系矩陣求出對應(yīng)的調(diào)光亮度:

        2.4 解模糊

        常用的解模糊法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法和重心法。最大隸屬度法未考慮輸出隸屬度函數(shù)的形狀,只考慮了最大隸屬度處的輸出值,容易丟失許多有用信息,所以不宜選用;與最大隸屬度法相比,重心法有著更加平滑的輸出,當(dāng)輸入信號發(fā)生微小變化時(shí),輸出也會(huì)發(fā)生變化。

        重心法是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值,重心法:

        入口段亮度Lth由模糊控制法確定以后,過渡段、基本段和出口段按照如下方法來確定。

        根據(jù)規(guī)范要求,過渡段亮度由TR1、TR2、TR3三個(gè)照明段組成,與之對應(yīng)的亮度可按表2 取值。

        表2 過渡段亮度

        基本段照明亮度僅與交通量和車速有關(guān),亮度值可按表3 取值。

        表3 基本段亮度

        出口段亮度宜取基本段亮度的5 倍:

        3 控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

        3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

        實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件由控制器模塊、亮度檢測模塊、PWM 調(diào)節(jié)電子開關(guān)控制板、隧道模型等構(gòu)成[11]。控制器模塊采用的是工業(yè)級51 芯片STC89C52RC 單片機(jī),負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送命令;亮度檢測模塊采用的是GY-30 數(shù)字光強(qiáng)傳感器;PWM 調(diào)節(jié)電子開關(guān)控制板采用Risym 公司生產(chǎn)的部件,實(shí)現(xiàn)LED 燈亮度的終端控制;兩節(jié)5 號電池提供LED 照明所需的電量,工程應(yīng)用中,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際燈具功率及工作電壓的要求選擇合適的電源電壓供電;搭建了簡易的隧道模型框架,隧道長60 cm,隧道口寬度為 20 cm,高30 cm;內(nèi)設(shè)30 顆LED 燈珠,采用透明塑料板罩以便于觀察調(diào)光效果。

        電腦端通過數(shù)據(jù)線把程序下載到單片機(jī)控制器,GY-30 模塊采用IIC 通信,通過SDA、SCL 引腳分別接STC89C52RC 單片機(jī)的P2.0、P2.1 引腳,將采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)部存儲器,并把采集到的外界亮度信息通過單片機(jī)相應(yīng)引腳顯示到LCD 屏上,信息經(jīng)單片機(jī)調(diào)用處理后產(chǎn)生PWM 調(diào)光信號,利用PWM 電子開關(guān)控制板模塊通信傳來的調(diào)光信息調(diào)節(jié)LED 燈亮度。

        3.2 結(jié)果分析

        當(dāng)外界環(huán)境(亮度)變化時(shí),隧道模型內(nèi)LED燈的亮度能夠根據(jù)預(yù)先調(diào)試好的程序?qū)崿F(xiàn)智能照明。隨著外界亮度的增加,LED 亮度也隨之增加;外界亮度減小,LED 亮度也隨之減小。

        通過對試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建和測試,驗(yàn)證了方案中對LED 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)的可行性,能夠根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的調(diào)光數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)LED 終端的智能調(diào)光控制。由現(xiàn)場情況可以看出系統(tǒng)響應(yīng)速度快,能夠根據(jù)外界環(huán)境因素的變化,平穩(wěn)快速的實(shí)現(xiàn)LED 的平滑調(diào)光,有利于交通安全、節(jié)約能源,適用于高速公路隧道照明。

        4 結(jié)語

        設(shè)計(jì)了高速公路隧道智能照明控制系統(tǒng),得出隧道內(nèi)部照明亮度可根據(jù)洞外環(huán)境亮度、交通量、車速等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)方案可以根據(jù)實(shí)際要求、隧道具體自然地理?xiàng)l件和隧道設(shè)計(jì)規(guī)格修改,具有更大的靈活性,節(jié)能的潛力更大。

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