張磊

（貴陽(yáng)電氣控制設(shè)備有限公司，貴州貴陽(yáng) 550000）

0 引言

在高速公路的隧道照明節(jié)能控制過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)根據(jù)隧道照明系統(tǒng)的特點(diǎn)和隧道的實(shí)際情況，制定較為完善的節(jié)能控制方案，開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的軟件系統(tǒng)，增強(qiáng)照明節(jié)能控制的有效性和可靠性，合理選擇具有節(jié)能特點(diǎn)的燈具設(shè)備，減少高速公路隧道照明的能源和資源消耗量，有效預(yù)防能源損耗問(wèn)題，提升節(jié)能水平。

1 高速公路隧道照明系統(tǒng)分析

1.1 隧道入口照明系統(tǒng)

高速公路的隧道照明系統(tǒng)和普通道路的照明系統(tǒng)存在一定的差異，隧道照明系統(tǒng)需要全天24h 開(kāi)啟，使駕駛員在進(jìn)入光線(xiàn)較暗的隧道之后，能夠獲得充足的視覺(jué)信息，準(zhǔn)確辨識(shí)行車(chē)方向，避免發(fā)生交通事故。隧道入口區(qū)域的照明系統(tǒng)，指的是駕駛員從隧道外高照度的環(huán)境，進(jìn)入隧道內(nèi)照度較低的環(huán)境，所需要的照明系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由臨界部分、緩和部分和變動(dòng)部分組合而成。其中，臨界部分的作用在于使駕駛員在接近隧道的過(guò)程中消除黑洞效應(yīng)，準(zhǔn)確辨識(shí)行車(chē)方向，及時(shí)了解和發(fā)現(xiàn)前方障礙物；緩和部分的作用在于緩和照明亮度，讓駕駛員進(jìn)入隧道之后能夠快速適應(yīng)亮度下降的環(huán)境；變動(dòng)部分則是指照度循序漸進(jìn)下降的區(qū)間。

1.2 隧道內(nèi)部照明系統(tǒng)

無(wú)論晝夜，隧道內(nèi)的道路環(huán)境與行車(chē)視覺(jué)影響，都與普通公路有所不同。主要是因?yàn)樵谒淼纼?nèi)，汽車(chē)行駛過(guò)程中所排放的廢氣難以快速消散，會(huì)形成很大的煙霧，不僅會(huì)吸收車(chē)前燈光線(xiàn)，降低車(chē)燈的照度，還會(huì)發(fā)生光線(xiàn)散射的問(wèn)題，形成光幕，導(dǎo)致駕駛員難以了解前方障礙物的情況，降低視覺(jué)能力。因此，在高速公路的隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合設(shè)計(jì)車(chē)速對(duì)照度的需求，嚴(yán)格控制照明亮度，如表1 所示。

表1 高速公路隧道內(nèi)照明亮度的控制

2 高速公路隧道照明節(jié)能問(wèn)題

2.1 節(jié)能控制設(shè)計(jì)不合理

我國(guó)的高速公路隧道照明系統(tǒng)主要分為分級(jí)類(lèi)型、手動(dòng)類(lèi)型和分時(shí)間類(lèi)型幾種。其中，分級(jí)類(lèi)型控制方式較為常見(jiàn)，以車(chē)輛流量特點(diǎn)、氣候特點(diǎn)、隧道外光度特點(diǎn)等劃分級(jí)別進(jìn)行照明控制，結(jié)合隧道內(nèi)外的光線(xiàn)強(qiáng)度信息與車(chē)流量信息，控制隧道內(nèi)的光照強(qiáng)度，避免光線(xiàn)不足引發(fā)駕駛員視覺(jué)障礙問(wèn)題，以降低交通安全事故的發(fā)生率。但是，在此類(lèi)隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于沒(méi)有按照實(shí)際情況，科學(xué)、合理地進(jìn)行節(jié)能控制設(shè)計(jì)，僅根據(jù)每年最高車(chē)流量和最高照明亮度設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)，很容易出現(xiàn)能源浪費(fèi)的問(wèn)題。除此之外，在照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，由于線(xiàn)路的分布回路存在限制，只能設(shè)置二級(jí)到三級(jí)人工控制方式與自動(dòng)控制方式，在天氣參數(shù)、車(chē)輛行駛速度、車(chē)流量數(shù)據(jù)等方面，所設(shè)置的都是最高數(shù)據(jù)值，隧道內(nèi)的照明度也處于最大值，難以自適應(yīng)進(jìn)行照明，存在比較嚴(yán)重的電力能源浪費(fèi)問(wèn)題。

2.2 照明系統(tǒng)的問(wèn)題

為有效保證隧道內(nèi)的行車(chē)安全性，目前國(guó)家已經(jīng)提出了高速公路隧道內(nèi)不同階段照明平均照度數(shù)據(jù)值的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，但是由于整體照明系統(tǒng)會(huì)受到燈具設(shè)備、道路走向、路面狀態(tài)和隧道壁反射等因素的影響，出現(xiàn)了照明平均照度數(shù)據(jù)值計(jì)算的難題，如果不能科學(xué)合理地計(jì)算各類(lèi)數(shù)據(jù)值，則會(huì)導(dǎo)致整體照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不符合標(biāo)準(zhǔn)。一方面，由于照明系統(tǒng)的平均照度設(shè)計(jì)值計(jì)算不準(zhǔn)確，不能科學(xué)合理地設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)，使得項(xiàng)目建設(shè)的成本過(guò)高;另一方面，系統(tǒng)在投入使用后，運(yùn)營(yíng)能源消耗量大，后續(xù)維護(hù)維修的費(fèi)用較高，難以滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保的需求。

除此之外，在對(duì)隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制的過(guò)程中，沒(méi)有制定完善的節(jié)能控制方案，缺乏健全的管理模式和控制機(jī)制，難以切實(shí)根據(jù)照明系統(tǒng)的特點(diǎn)和隧道的情況，針對(duì)性地開(kāi)展各項(xiàng)節(jié)能控制工作，不能通過(guò)現(xiàn)代化的節(jié)能控制方式和手段避免能源浪費(fèi)和資源損耗的問(wèn)題，這不利于隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能發(fā)展。

3 高速公路隧道照明節(jié)能控制措施

3.1 構(gòu)建照明管理系統(tǒng)

當(dāng)前，我國(guó)高速公路隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能控制，主要采用時(shí)間控制器進(jìn)行處理，設(shè)定白天與夜晚開(kāi)燈的時(shí)間，而在一年中，白天與夜晚的時(shí)間變化存在一定的差異，如果設(shè)定固定的時(shí)間范圍，不結(jié)合隧道內(nèi)與隧道外的照度比數(shù)據(jù)值進(jìn)行合理控制，亦會(huì)引發(fā)電力能源浪費(fèi)的問(wèn)題，而管理人員經(jīng)常到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整時(shí)間控制器的時(shí)間參數(shù)，則會(huì)浪費(fèi)大量的人工成本。因此，在隧道照明系統(tǒng)節(jié)能控制中，應(yīng)以降低成本、減少照明期間的能源消耗量為目標(biāo)，構(gòu)建相應(yīng)的照明管理系統(tǒng)，按照隧道車(chē)輛速度特點(diǎn)、車(chē)輛流量特點(diǎn)和隧道外的光照特點(diǎn)等，科學(xué)設(shè)定隧道照明的數(shù)據(jù)值，在保證車(chē)輛行駛安全的基礎(chǔ)上，提升隧道照明系統(tǒng)運(yùn)行的高效性和節(jié)能性。例如，構(gòu)建能夠進(jìn)行隧道外亮度數(shù)據(jù)檢測(cè)、車(chē)輛行駛速度檢測(cè)與車(chē)輛流量檢測(cè)的隧道照明管理系統(tǒng)，同時(shí)配置照明節(jié)能控制器設(shè)備，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的照明節(jié)能控制系統(tǒng)，根據(jù)交通參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整照明設(shè)備的亮度，有效避免能源損耗問(wèn)題和行車(chē)安全問(wèn)題。

3.2 明確照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值

在高速公路隧道內(nèi)車(chē)流量與行車(chē)速度固定的狀態(tài)下，在照明系統(tǒng)的節(jié)能控制方面，需要根據(jù)隧道外亮度的數(shù)據(jù)值明確入口階段和過(guò)渡階段的照明亮度。主要是由于隧道外的光照亮度會(huì)受到季節(jié)因素、時(shí)間因素、洞口朝向因素和綠化植被因素等多方面因素的影響，在上述因素發(fā)生改變的情況下，隧道外的亮度數(shù)據(jù)值會(huì)隨之發(fā)生變化，會(huì)對(duì)隧道內(nèi)照明系統(tǒng)的電力能源消耗量產(chǎn)生直接影響。所以，在實(shí)際工作中應(yīng)注重做好實(shí)地調(diào)查、實(shí)地測(cè)量、照明系統(tǒng)理論研究和光氣候理論分析等方面的工作，結(jié)合隧道外植被的狀況、光氣候的特點(diǎn)等，更精準(zhǔn)地確定隧道入口階段照明亮度的數(shù)據(jù)值，結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)和交通參數(shù)特點(diǎn)等進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，以有效降低能源消耗。

3.3 合理進(jìn)行燈源和燈具的選擇

近年來(lái)，我國(guó)在高速公路隧道燈具設(shè)備的選擇方面，多使用熒光燈、高壓鈉燈、白熾燈、低壓鈉燈等設(shè)備，不僅光帶很窄，配光質(zhì)量也不高，還存在能源消耗量大和使用壽命短等問(wèn)題，尤其是在應(yīng)用高壓鈉燈設(shè)備的過(guò)程中，該設(shè)備發(fā)出的光為黃色，視覺(jué)效果不是很好。為此，在高速公路隧道照明節(jié)能控制中，應(yīng)結(jié)合隧道的具體情況，科學(xué)、合理地選擇燈源與燈具設(shè)備。第一，建議使用現(xiàn)代化的照明燈具設(shè)備，如LED燈具或是無(wú)極燈具，將此類(lèi)照明設(shè)備運(yùn)用到隧道照明系統(tǒng)中，不僅能夠準(zhǔn)確控制燈具的光通量、顯色性和光色，且這類(lèi)設(shè)備本身的使用壽命也較長(zhǎng)，能夠大幅度降低后續(xù)的維護(hù)維修成本。第二，在選擇隧道照明燈源的過(guò)程中，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域使用金屬鹵化物燈設(shè)備、電磁感應(yīng)燈設(shè)備、節(jié)能燈設(shè)備和LED 燈設(shè)備等進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)分析，篩選出最佳的燈源設(shè)備，保證隧道的照明效果，保證駕駛員的安全性，同時(shí)有效避免電能資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

3.4 節(jié)能控制軟件的設(shè)計(jì)

要想有效進(jìn)行高速公路隧道照明的節(jié)能控制，不僅要合理選擇燈具和燈源，科學(xué)設(shè)置光照數(shù)據(jù)值，還要借助現(xiàn)代化信息技術(shù)設(shè)計(jì)節(jié)能控制軟件，全面進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集分析，有效進(jìn)行各個(gè)串口通信，高效完成對(duì)照明的節(jié)能控制。

3.4.1 軟件設(shè)計(jì)思路

在隧道照明節(jié)能控制軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)將DSP 硬件作為基礎(chǔ)部分，實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)端口的電平，設(shè)置能夠檢測(cè)隧道內(nèi)車(chē)輛行駛參數(shù)的單紅外反射傳感器設(shè)備，準(zhǔn)確采集各類(lèi)脈沖信號(hào)，同時(shí)配置傳輸脈沖信號(hào)的通信系統(tǒng)與收集脈沖信號(hào)的主控制單元，由主控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和信號(hào)處理，實(shí)時(shí)分析車(chē)輛行駛的位置，對(duì)照明信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行控制，最終達(dá)到節(jié)能調(diào)控照明設(shè)備燈光的目的。需要注意的是，隧道照明節(jié)能控制軟件應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法與模塊化設(shè)計(jì)方法。第一，設(shè)計(jì)能夠自我檢查、系統(tǒng)初始化處理、調(diào)用不同模塊功能、具備通道選擇功能的主程序模塊，同時(shí)設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行脈沖信號(hào)采集與分析的數(shù)據(jù)采集模塊、脈沖信號(hào)誤差修正的處理模塊。第二，設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)單元信號(hào)分析的故障診斷模塊，準(zhǔn)確判斷隧道照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況。第三，設(shè)計(jì)可以按照系統(tǒng)控制需求使用繼電器設(shè)備進(jìn)行照明燈具控制的實(shí)時(shí)性控制模塊。第四，設(shè)計(jì)可以連接通信接口和上位機(jī)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信模塊，用來(lái)采集、接收上位機(jī)設(shè)備所發(fā)出的命令信息，同時(shí)向上位機(jī)設(shè)備反饋照明控制成功與否的數(shù)據(jù)、各個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器應(yīng)用性能的數(shù)據(jù)。

3.4.2 完善軟件程序設(shè)計(jì)模式

以車(chē)輛行駛位置為基礎(chǔ)的隧道照明節(jié)能控制軟件開(kāi)發(fā)，應(yīng)合理選擇軟件集成性開(kāi)發(fā)環(huán)境平臺(tái)，使用C 語(yǔ)言程序編寫(xiě)功能模塊，完善、優(yōu)化各類(lèi)軟件程序，確保通過(guò)軟件程序提升隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能控制效果。

（1）主程序的合理設(shè)計(jì)

在主程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采用以云模型為基礎(chǔ)的隧道車(chē)輛位置估計(jì)算法技術(shù)，根據(jù)隧道內(nèi)車(chē)輛的行駛情況和照明需求等，進(jìn)行照明系統(tǒng)的節(jié)能控制。在軟件主程序啟動(dòng)之后的接通電源階段，自動(dòng)進(jìn)行自我檢查，明確是否存在組件故障問(wèn)題，在程序處于正常狀態(tài)的情況下進(jìn)行初始化，如果程序有異常問(wèn)題就要先處理故障，退出主程序，直到程序處于正常狀態(tài)才能進(jìn)行初始化；完成初始化以后，主程序?qū)λ淼纼?nèi)的車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)分析，調(diào)用脈沖信號(hào)采集模塊，準(zhǔn)確估算車(chē)輛行駛的速度，數(shù)據(jù)采集完成后調(diào)用車(chē)輛位置估計(jì)模塊，估計(jì)車(chē)輛行駛位置，將車(chē)輛位置誤差控制在1%之內(nèi)，修正誤差后啟動(dòng)車(chē)輛行駛區(qū)域的照明系統(tǒng)，在距離車(chē)輛200m 的周?chē)M(jìn)行延時(shí)照明。

（2）合理設(shè)計(jì)車(chē)輛行駛數(shù)據(jù)采集程序

該程序設(shè)計(jì)的主要目的是對(duì)行駛車(chē)輛的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)化采集、分析，利用A/D 轉(zhuǎn)換的方式測(cè)量，在實(shí)時(shí)性采集數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、對(duì)比放大處理與A/D 轉(zhuǎn)換處理。如果系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息采集的速率要求很高，而A/D 轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)，頻繁性對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行改變，會(huì)影響數(shù)據(jù)測(cè)量的精確度受。所以，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)保證系統(tǒng)從通電開(kāi)始就使A/D 轉(zhuǎn)換與時(shí)鐘電路運(yùn)行。數(shù)據(jù)信息采集軟件通電之后需要進(jìn)行自我檢查，如果軟件沒(méi)有故障問(wèn)題，則要先實(shí)現(xiàn)串口模塊與DSP 模塊的初始化，設(shè)置中斷向量之后，利用通信接口完成車(chē)輛檢測(cè)器設(shè)備的初始化處理，設(shè)置A/D 采樣的通道，之后啟動(dòng)檢測(cè)器采集數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)送中斷信號(hào)，使軟件的運(yùn)行中斷，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理之后利用串行通信接口，將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)設(shè)備。

（3）車(chē)輛位置估算的云模型軟件設(shè)計(jì)

以云模型為基礎(chǔ)對(duì)高速公路隧道內(nèi)的車(chē)輛位置進(jìn)行準(zhǔn)確的估算分析，能夠?yàn)檎彰飨到y(tǒng)節(jié)能控制程序的良好運(yùn)行提供保障。在軟件程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)行駛車(chē)輛的位置進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)保證檢測(cè)結(jié)果的精確度，在位置數(shù)據(jù)精確度符合要求的情況下，進(jìn)行照明系統(tǒng)節(jié)能控制。如果位置檢測(cè)數(shù)據(jù)信息不準(zhǔn)確，可利用云模型修正車(chē)輛位置檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差，通過(guò)正向云發(fā)生器與逆向云發(fā)生器的有機(jī)整合，準(zhǔn)確處理車(chē)輛通過(guò)線(xiàn)圈過(guò)程中的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)信息，獲得數(shù)據(jù)特征指標(biāo)，生成相應(yīng)的云滴，聚集成為云團(tuán)，以此確保車(chē)輛位置和行駛速度估計(jì)數(shù)據(jù)值的精確性。其間，還需合理設(shè)計(jì)云推理模型，按照車(chē)輛行駛的速度與時(shí)間等，估計(jì)車(chē)輛行駛位置，之后向系統(tǒng)輸入速度數(shù)據(jù)值，利用云模型車(chē)輛行駛速度估計(jì)算法技術(shù)，推算速度數(shù)據(jù)值的數(shù)字特征，由此結(jié)合車(chē)輛行駛速度估算車(chē)輛行駛位置。在車(chē)輛行駛時(shí)間估算分析過(guò)程中，也可向系統(tǒng)內(nèi)傳輸時(shí)間數(shù)據(jù)值，明確數(shù)據(jù)值的數(shù)字特征，獲得能夠滿(mǎn)足各類(lèi)條件下語(yǔ)音發(fā)生器的定量數(shù)據(jù)值，使用云推理技術(shù)準(zhǔn)確估算車(chē)輛位置和行駛時(shí)間的數(shù)值，自動(dòng)修正數(shù)據(jù)誤差。

（4）照明節(jié)能控制子程序軟件設(shè)計(jì)

在隧道照明節(jié)能控制子程序軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要使用繼電器控制照明設(shè)備，在系統(tǒng)前端全面采集車(chē)輛數(shù)據(jù)信息，之后通過(guò)DSP 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送響應(yīng)動(dòng)作的指令，實(shí)時(shí)控制照明設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉，如果控制信號(hào)所輸出的是高電平，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)吸合繼電器，如果輸出的是低電平，則自動(dòng)斷開(kāi)繼電器，以此達(dá)到對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雖然我國(guó)在隧道照明節(jié)能控制方面已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但整體的節(jié)能控制效果仍需完善。因此，在高速公路隧道照明節(jié)能控制方面，需要進(jìn)一步構(gòu)建完善的照明管理系統(tǒng)，合理設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值，科學(xué)選擇燈具設(shè)備和燈源，完善節(jié)能控制軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)而全面增強(qiáng)隧道照明系統(tǒng)節(jié)能控制的有效性和可靠性。