張 濤,龐京春,袁 哲,曹永娜,涂雄偉,李樹忱,馮現(xiàn)大

（1.濟(jì)南市交通工程質(zhì)量與安全中心,山東 濟(jì)南 250014; 2.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250003;3.濟(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

隧道是高速公路的重要路段，并且具有特殊的照明環(huán)境。車輛從隧道外部進(jìn)入隧道內(nèi)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致“明—暗—明”的交替過(guò)程，并產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，這些變化會(huì)嚴(yán)重威脅到行車安全。[1]為保證行車安全，必須對(duì)隧道進(jìn)行照明。但我國(guó)中西部地區(qū)大部分隧道照明系統(tǒng)交通量都很低，可能會(huì)出現(xiàn)“無(wú)車照明”的現(xiàn)象，一直保持照明持續(xù)運(yùn)行必然會(huì)導(dǎo)致較高的照明能耗。[2]因此，目前急需高效節(jié)能的隧道照明系統(tǒng)，來(lái)降低隧道的運(yùn)營(yíng)所需的能源消耗與資金消耗。

我國(guó)關(guān)于公路隧道安全與節(jié)能的研究主要以新型燈具和智能化控制技術(shù)為主。根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD70/2—01—2014）照明控制主要以洞外亮度和交通量為參數(shù)并結(jié)合季節(jié)及時(shí)段進(jìn)行自動(dòng)控制。[3]目前，隧道照明設(shè)計(jì)者依據(jù)規(guī)范通常把隧道分為入口段，過(guò)渡段、中間段和出口段等四個(gè)段來(lái)設(shè)計(jì)照明，其中過(guò)渡段有兩個(gè)，分別設(shè)計(jì)在中間段前后。[4]考慮全年行車安全，燈具功率和燈具分布密度是以全年洞外最大亮度和最高行車時(shí)速來(lái)確定，從而確定洞內(nèi)最大照度。因此大部分隧道只能做到2、3級(jí)人工或自動(dòng)控制。這導(dǎo)致傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用的隧道照明系統(tǒng)無(wú)法從宏觀上對(duì)整個(gè)隧道的照明進(jìn)行自適應(yīng)方式調(diào)制，存在能耗過(guò)大的問(wèn)題。[5]因此，該文將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與隧道照明智能化控制相結(jié)合，通過(guò)車輛檢測(cè)器實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)并傳回控制系統(tǒng)經(jīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算后來(lái)控制隧道內(nèi)實(shí)時(shí)亮度，真正做到“有車燈亮，無(wú)車燈暗”根據(jù)隧道內(nèi)部實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整隧道照明亮度，減少在低交通量下持續(xù)照明所產(chǎn)生的不必要能耗。

1 隧道智能照明控制系統(tǒng)

隧道照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)分為三層：數(shù)據(jù)處理和顯示層、數(shù)據(jù)通信層和數(shù)據(jù)采集層。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)示意圖

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)設(shè)置在隧道入口或內(nèi)部的線圈車輛檢測(cè)器、亮度計(jì)等直接收集車速、交通量、外部亮度等信息。在分析對(duì)比環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器、普通波頻檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器后，綜合考慮性能選用環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器。對(duì)比分析表見(jiàn)表1。亮度檢測(cè)器選用USRegal Lux CS系列光強(qiáng)檢測(cè)器外殼為高級(jí)鋁合金材料，防護(hù)等級(jí)均達(dá)到IP68，充分保證設(shè)備在野外露天等惡劣環(huán)境下工作的穩(wěn)定性。

表1 視頻檢測(cè)器和微波檢測(cè)器的性能比較

1.2 數(shù)據(jù)通信層

數(shù)據(jù)通信層由該地和遠(yuǎn)程光收發(fā)器組成，并將從檢測(cè)器收集的數(shù)據(jù)傳遞到照明控制軟件，然后通過(guò)RS-485總線將控制命令發(fā)送到LED調(diào)光控制器。

1.3 數(shù)據(jù)處理和顯示層

數(shù)據(jù)處理和顯示層將前兩層收集和傳送的交通量和洞外亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算出在不同洞外亮度和交通量的情況下隧道內(nèi)需要的亮度，并向LED調(diào)光控制器發(fā)送調(diào)光命令，以調(diào)整LED燈具的輸出功率，實(shí)現(xiàn)照明電量統(tǒng)計(jì)，顯示隧道各部分的照明條件，并實(shí)施燈具的維護(hù)管理。

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的隧道智能照明預(yù)測(cè)模型

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)原理簡(jiǎn)介

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)又稱信度網(wǎng)絡(luò)，是Bayes方法的擴(kuò)展，是目前不確定知識(shí)表達(dá)和推理領(lǐng)域最有效的理論模型之一。一個(gè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖（Directed Acyclic Graph，DAG），由代表變量節(jié)點(diǎn)及連接這些節(jié)點(diǎn)有向邊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)代表隨機(jī)變量，節(jié)點(diǎn)間的有向邊代表了節(jié)點(diǎn)間的互相關(guān)系(由父節(jié)點(diǎn)指向其子節(jié)點(diǎn))，用條件概率（CPTs）表達(dá)關(guān)系強(qiáng)度，一個(gè)具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)（X1，X2，…，Xn），根據(jù)鏈?zhǔn)椒▌t可以求解全概率公式，表達(dá)式為：

簡(jiǎn)化形式為：

式中，Parents(Xi)——Xi的父節(jié)點(diǎn)集合。

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型建立

為了確保車輛交通以最舒適和安全的方式橫穿隧道，將隧道的縱斷面分為接近段、入口段、過(guò)渡段、基本段和出口段五個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的需求亮度不同。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，使用MATLAB通過(guò)回歸方法可獲得每段的白天亮度計(jì)算公式，隧道基本段亮度公式為：

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型自動(dòng)計(jì)算隧道地面需求亮度流程如圖2所示。

圖2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型自動(dòng)進(jìn)行亮度計(jì)算流程圖

2.3 模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)學(xué)習(xí)

以隧道基本段為例，通過(guò)MATLAB回歸獲得的白天隧道亮度計(jì)算公式，可確定影響隧道基本段亮度的因素主要有車速、車流量，建立了隧道基本段亮度需求貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。根據(jù)照明規(guī)范要求生成了990組交通量、車速、隧道需求亮度值等數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)建立的模型。對(duì)所建立模型進(jìn)行EM算法訓(xùn)練，得出各節(jié)點(diǎn)的條件概率表格（CPTs）。各節(jié)點(diǎn)的取值表如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)取值

模型訓(xùn)練完成后，在模型中輸入相應(yīng)的車流量和車速的參數(shù)，即可自動(dòng)計(jì)算基本段地面所需亮度。當(dāng)車流量取值為N=800 veh/（h·ln）、車速V=82 km/h，通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型自動(dòng)計(jì)算出基本段所需亮度Lin在L8~L9之間取值在L8的概率為51.9%，所以Lin=2.4~2.6（cd/m2），可取2.5（cd/m2）。與由MATLAB通過(guò)回歸方法所得公式計(jì)算 所 得Lin=0.000 5×822?0.020 7×82+0.9=2.56（cd/m2），基本一致。

3 節(jié)能效果分析

以溫州繞城江北嶺隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，選取某天6：00—18：00采集的隧道洞外亮度、隧道內(nèi)車流量和車速參數(shù)為輸入量，具體見(jiàn)表3。對(duì)比分析傳統(tǒng)控制方法與貝葉斯智能控制方法。

表3 隧道實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)

對(duì)比方式采用對(duì)比分析兩種控制方法下隧道基本段內(nèi)的亮度變化，通過(guò)基本段亮度的變化來(lái)間接反映不同控制方法下的隧道照明的節(jié)能情況。由圖3可知，傳統(tǒng)控制下的每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的照明亮度為統(tǒng)一值，而采用該項(xiàng)目提出的照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)亮度需求進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，輸出的亮度值曲線與傳統(tǒng)控制方法相比，能夠起到明顯的節(jié)能效果。據(jù)估算，理論上節(jié)能效果可達(dá)30%以上。

圖3 傳統(tǒng)控制和本項(xiàng)目算法控制下隧道基本段亮度對(duì)比圖

4 結(jié)論

（1）針對(duì)隧道照明能耗嚴(yán)重，經(jīng)常造成“無(wú)用照明”的情況，該文提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的隧道智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為三層，分別為數(shù)據(jù)處理和顯示層、數(shù)據(jù)通信層和數(shù)據(jù)采集層。系統(tǒng)通過(guò)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)計(jì)算隧道內(nèi)所需的照明亮度。

（2）該文是基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的不確定性推理原理，構(gòu)建了一個(gè)隧道智能照明的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，該模型考慮到了車流量和車速對(duì)隧道內(nèi)部亮度的影響。并與由MATLAB通過(guò)回歸方法所得公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的正確性。

（3）以溫州繞城江北嶺隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例將傳統(tǒng)隧道照明控制方法與基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的控制方法進(jìn)行對(duì)比分析，分析得出與傳統(tǒng)控制方法相比較，該文所采用的控制方法節(jié)能效果比傳統(tǒng)控制方法高出30%。充分驗(yàn)證了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的隧道智能照明控制系統(tǒng)的可行性。