任文輝 劉軍權(quán) 陳東洲 洪夕榮 趙寧

（1.中鐵建陜西高速公路有限公司，陜西 西安 710018；2.成都中工科技有限公司，四川 成都 610096）

隨著中國(guó)高速公路隧道運(yùn)營(yíng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道運(yùn)營(yíng)的安全性、節(jié)能性和舒適性越來(lái)越多的受到管理單位和行車(chē)人員的關(guān)注，隧道照明系統(tǒng)即為其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為了消除車(chē)輛進(jìn)出隧道時(shí)的“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，需要對(duì)隧道照明進(jìn)行合理、有效控制。隧道照明設(shè)計(jì)通常從全年行車(chē)安全角度出發(fā)，以全年隧道外最大亮度和最高行車(chē)時(shí)速確定隧道內(nèi)燈具功率和分布密度。同時(shí)，隧道照明控制的能力非常有限，無(wú)法根據(jù)天氣、車(chē)速、車(chē)流量等時(shí)變參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

一、控制方式分析

高速公路隧道照明控制一般分為手動(dòng)控制、時(shí)序控制和自動(dòng)控制3種方式。

（一）手動(dòng)控制方式

手動(dòng)控制方式主要由人工根據(jù)不同的隧道外情況開(kāi)關(guān)不同的照明回路。這種控制方式有專人負(fù)責(zé)管理，但控制精度不高。對(duì)于管理要求不夠嚴(yán)格的單位，為達(dá)到照明要求，甚至長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟大量燈具，使隧道內(nèi)亮度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

（二）時(shí)序控制方式

時(shí)序控制方式是根據(jù)隧道外亮度，按日、周、月、年實(shí)測(cè)得到的統(tǒng)計(jì)規(guī)律值制定照明控制方案，確定在不同月份的具體一天中的不同時(shí)段開(kāi)啟（閉合）不同的照明回路，以適應(yīng)隧道外亮度的變化值。這種方法用歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為控制決策的參數(shù)，不能與當(dāng)時(shí)的實(shí)際氣象條件完全吻合，可能造成能源浪費(fèi)。

（三）自動(dòng)控制方式

自動(dòng)控制方式是根據(jù)實(shí)測(cè)的隧道外亮度值實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)照明系統(tǒng)，以滿足駕駛員適應(yīng)隧道內(nèi)外亮度差的需要。駕駛員的適應(yīng)時(shí)間和距離取決于隧道內(nèi)外的亮度差和車(chē)速，一般采用一個(gè)停車(chē)視距。在隧道入口內(nèi)外各設(shè)一臺(tái)檢測(cè)裝置，將自動(dòng)檢測(cè)到的隧道內(nèi)外亮度值發(fā)送至照明監(jiān)控計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，產(chǎn)生控制方案，并將控制指令下傳到現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器，現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域控制器按照指令要求，實(shí)時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)的照明燈具，從而形成一個(gè)閉環(huán)控制。但此方式需合理確定隧道內(nèi)外亮度差的閾值與控制策略，否則易造成照明回路頻繁切換，不利于保障行車(chē)安全，降低照明設(shè)施使用壽命。

二、優(yōu)化控制設(shè)計(jì)

針對(duì)高速公路隧道照明常用控制方式存在的不足，設(shè)計(jì)了一種基于知識(shí)庫(kù)的隧道照明優(yōu)化控制方式。該方式以自動(dòng)控制為主，時(shí)序控制和人工控制為輔，依據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行控制決策，并能夠根據(jù)外部亮度的變化及時(shí)采取相應(yīng)的策略，將隧道內(nèi)的照明強(qiáng)度調(diào)整到適宜狀態(tài)，避免能源損耗，實(shí)現(xiàn)隧道照明的優(yōu)化控制。

（一）控制原理

隧道入口段亮度要求的算式為：

式中，Lth為入口段亮度要求值，k為折減系數(shù)，Lo為隧道外亮度測(cè)量值。

隧道內(nèi)外亮度差的算式為：

式中，ε為實(shí)際測(cè)量的隧道內(nèi)亮度與規(guī)范要求的亮度標(biāo)準(zhǔn)值之差，Lth為入口段亮度要求值，LI為隧道內(nèi)實(shí)測(cè)亮度。

知識(shí)庫(kù)以隧道內(nèi)外亮度差ε的正負(fù)、照明回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及每個(gè)照明回路所能達(dá)到的亮度為依據(jù)進(jìn)行建立。

當(dāng)ε>0時(shí)，表明隧道內(nèi)亮度低于所需標(biāo)準(zhǔn)值，決策應(yīng)增加開(kāi)啟照明回路以增強(qiáng)亮度，且應(yīng)優(yōu)先開(kāi)啟基礎(chǔ)照明回路，若基礎(chǔ)照明已開(kāi)啟，則按亮度從小到大的順序，開(kāi)啟已有照明回路開(kāi)啟的一側(cè)（左側(cè)或右側(cè)）可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的未開(kāi)啟回路，若未開(kāi)啟的回路中亮度最高的回路也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值，則默認(rèn)開(kāi)啟亮度最高的回路。當(dāng)單側(cè)（左側(cè)或右側(cè)）回路全部開(kāi)啟仍達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則按上述順序依次打開(kāi)另一側(cè)的照明回路。

當(dāng)ε<0時(shí)，表明隧道內(nèi)亮度高于所需標(biāo)準(zhǔn)值，決策應(yīng)減少開(kāi)啟照明回路以降低亮度。優(yōu)先按照明回路可達(dá)到的亮度由大到小關(guān)閉，基礎(chǔ)照明回路最后關(guān)閉，且關(guān)閉相應(yīng)回路的前提是在該回路關(guān)閉后，保證隧道內(nèi)照明亮度仍能大于標(biāo)準(zhǔn)值。

（二）控制流程設(shè)計(jì)

高速公路隧道照明控制需要滿足兩個(gè)條件：一是可以根據(jù)傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果調(diào)整照明模式，另一個(gè)是在出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠及時(shí)啟動(dòng)輔助控制方式，使隧道照明保持正常運(yùn)行?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

圖1 隧道照明優(yōu)化控制流程圖

控制流程表明：當(dāng)亮度檢測(cè)器等設(shè)備無(wú)故障時(shí)，由照明控制計(jì)算機(jī)采集檢測(cè)器的數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)包括兩類(lèi)，一類(lèi)是隧道內(nèi)外亮度數(shù)據(jù)，且通過(guò)隧道外亮度乘以折減系數(shù)可計(jì)算得到隧道內(nèi)應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)亮度值，再計(jì)算隧道內(nèi)實(shí)際測(cè)量得到的亮度值與應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)亮度值之差ε；另一類(lèi)數(shù)據(jù)是當(dāng)時(shí)的照明各回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)D1。將ε與D1輸入到控制知識(shí)庫(kù)進(jìn)行處理決策，并將決策指令下發(fā)給照明控制器，從而自動(dòng)控制相關(guān)的照明回路，以獲得理想的亮度環(huán)境。當(dāng)亮度檢測(cè)器等設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，則可轉(zhuǎn)為時(shí)序控制方式。

（三）知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

本文以陜西省高速公路某隧道照明系統(tǒng)為例，該隧道分上、下行方向，每方向左、右側(cè)各3組照明回路，上、下行方向照明回路燈具選型和布設(shè)密度相同，因此可選用相同知識(shí)庫(kù)。

設(shè)上、下行左側(cè)回路可達(dá)到的亮度分別為L(zhǎng)11、L12、L13，設(shè)上、下行右側(cè)回路可達(dá)到的亮度分別為L(zhǎng)21、L22、L23；設(shè)照明控制前的回路開(kāi)關(guān)狀態(tài)為D1，照明控制后的回路開(kāi)關(guān)狀態(tài)為D2；每個(gè)狀態(tài)值由6位數(shù)字表示，分別代表了左右各3組回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每一位的0表示關(guān)閉，1表示開(kāi)啟。構(gòu)建照明控制知識(shí)庫(kù)如表1所示。

表1 陜西省高速公路某隧道照明控制知識(shí)庫(kù)

照明控制知識(shí)庫(kù)以每組回路可達(dá)到的照明亮度值為控制閾值，當(dāng)隧道內(nèi)亮度不滿足要求時(shí)，則知識(shí)庫(kù)決策開(kāi)啟某組照明回路；當(dāng)隧道內(nèi)亮度超過(guò)要求時(shí)，在保證關(guān)閉某組照明回路后隧道內(nèi)亮度仍能滿足要求的前提下，才決策關(guān)閉該組照明回路。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)隧道實(shí)際應(yīng)用證明，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)及相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行照明控制決策，最大限度地節(jié)省能源消耗，避免了照明回路的頻繁開(kāi)關(guān)操作，有效地延長(zhǎng)了燈具的使用壽命，降低了隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。