模糊控制理論在公路隧道照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

王志偉

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

隧道是公路交通的重要組成部分，伴隨建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其營運(yùn)成本也不斷攀升，如何降低運(yùn)營成本，并提高隧道安全性能，已是交通部門關(guān)注的重點(diǎn)問題。隧道照明是隧道內(nèi)不可或缺的設(shè)施，同時(shí)也是隧道內(nèi)能耗最大的系統(tǒng)。因此，隧道照明質(zhì)量的好壞不僅直接影響到駕駛者本身的行車安全性，同時(shí)也是降低隧道能耗，節(jié)約營運(yùn)成本重要手段。尤其是在我國的多山地區(qū)，由于受到地理位置和經(jīng)濟(jì)條件的限制，很多隧道照明長期處于低水平、高能耗的階段，在國家大力提倡建設(shè)節(jié)約性社會的今天，提高隧道照明的設(shè)計(jì)質(zhì)量勢在必行。鑒于此，本文基于模糊控制理論設(shè)計(jì)一種隧道照明控制方法，以滿足隧道照明的需求，不僅保障了隧道內(nèi)行車的安全性，而且大大降低了隧道的能源消耗，實(shí)現(xiàn)了隧道照明的節(jié)能控制。

1 公路隧道照明技術(shù)

公路隧道照明主要目的是為防止司機(jī)因光線不足而出現(xiàn)交通事故，從而提高駕駛上的安全性，同時(shí)增加舒適感。隧道照明與一般道路照明有很大的不同點(diǎn)，主要反映在隧道不僅晚上需要照明，白天也需要照明，而且控制更加復(fù)雜。隧道照明設(shè)計(jì)同道路照明一樣，都需要考慮隧道洞外亮度，交通流量、設(shè)計(jì)車速等相關(guān)影響因素。尤其是在隧道入口和出口段需要考慮人眼的適應(yīng)過程。在白天，當(dāng)司機(jī)從明亮的環(huán)境接近、進(jìn)入、然后通過隧道整個過程之中，將會產(chǎn)生各種視覺問題，主要包括:黑洞（長隧道）及黑框（短隧道）現(xiàn)象、適應(yīng)滯后現(xiàn)象、白天出口眩光現(xiàn)象等。

正是存在以上的特殊問題，隧道內(nèi)必須要安裝照明設(shè)施來保證行車安全。但是，隧道照明不僅僅是安全的問題，一條長100m的隧道，按相關(guān)理論的設(shè)計(jì)，能耗非常高，其照明能耗更是占了隧道總能耗的絕大部分，這就要求我們在隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)采用各種即節(jié)能又能保證安全的方法。

盡管在目前的技術(shù)條件下，隧道照明有了不少的節(jié)能效果，但很大一部分隧道還是采用的邏輯開關(guān)形式，通過燈具的不同組合排列形式，產(chǎn)生相對應(yīng)的光強(qiáng)級別。雖然這種控制方法的程序設(shè)計(jì)和線路布置非常簡單，燈具選擇的靈活性大，維修和保養(yǎng)也很容易，但最大的缺點(diǎn)就是亮度不能任意調(diào)節(jié)，連續(xù)性和均勻性都不是很好，而且通常都是以最大亮度來進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此大量的電能被白白浪費(fèi)掉。

無級調(diào)控方法實(shí)現(xiàn)了隧道的連續(xù)調(diào)光，同時(shí)也是一種最理想的節(jié)能控制方式。該控制方法把被控?zé)舻奈恢眯畔?、洞外亮度值、車流量值和車速值作為系統(tǒng)給定量，把隧道內(nèi)的光強(qiáng)作為調(diào)控對象，通過運(yùn)算控制整個隧道照明系統(tǒng)的亮度處在動態(tài)平衡狀態(tài)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)最大程度上的節(jié)能。

隧道照明亮度無級控制的實(shí)現(xiàn)，是以建立相關(guān)調(diào)控?cái)?shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，由于環(huán)境自身參數(shù)的隨機(jī)性，加上不同燈具其光效衰減程度也不同，建立一個很精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難，也是不現(xiàn)實(shí)的。模糊控制是一個很有效的解決方法，尤其適用于不能獲得精確數(shù)學(xué)模型或者有復(fù)雜非線性系統(tǒng)。通過編寫合理的照明控制程序，結(jié)合相應(yīng)的硬件設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)隧道照明的無級調(diào)控。

隧道照明整體控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該系統(tǒng)組成主要包括隧道亮度控制計(jì)算機(jī)、亮度采集器、車輛采集器、DALL本地控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、電子鎮(zhèn)流器和隧道無極燈。亮度采集器布置于隧道內(nèi)各個區(qū)段，用于采集各段亮度值。首先，由隧道入口外置的車輛采集器和亮度采集器，收集洞外亮度、車流量以及車速信息。隨后將數(shù)據(jù)傳給隧道亮度控制計(jì)算機(jī)，經(jīng)建立的模糊控制模型運(yùn)算后，由DALL本地控制器發(fā)送控制指令給電子鎮(zhèn)流器，一般需要將調(diào)光控制DALI分控制器和無極燈的電子鎮(zhèn)流器制造為一體，利用DALI主控制器對每個分控制器的尋址，來實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)亮度跟隨洞外亮度、車流量和車速信息進(jìn)行無級控制。

圖1 隧道照明整體控制結(jié)構(gòu)

2 隧道照明模糊控制模型

隧道照明模糊控制系統(tǒng)模型共分為四階段，如圖2所示:第一階段為模糊控制系統(tǒng)輸入階段，接收語言變量的輸入，相關(guān)輸入量包括車流量N、車速V和洞外亮度L值；第二階段為隸屬度函數(shù)生成階段，實(shí)現(xiàn)語言量模糊化操作，定義車流量值N的模糊語言為｛小NNB，較小NNS，中等NZR，較大NPS，大NPB｝，定義車速值V模糊語言為｛慢VNB，中等VZR，快VPB｝，定義洞外亮度值L的模糊語言為｛暗LNB，較暗LNS，中等LZR，較亮LPS，亮LPB｝；第三階段為模糊系統(tǒng)推理階段，建立模糊控制規(guī)則表如表1所示，計(jì)算每條規(guī)則的適應(yīng)度；第四階段為輸出階段，實(shí)現(xiàn)輸出值的反模糊操作，輸出量為洞內(nèi)亮度ˉL。照明控制計(jì)算機(jī)將洞內(nèi)所需亮度與洞內(nèi)實(shí)際亮度比較計(jì)算出亮度偏差ΔL（定義洞內(nèi)所需亮度值ΔL模糊語言為｛暗ΔLNB，較暗ΔLNS，中等ΔLZR，較亮ΔLPS，亮ΔLPB｝，最后通過DALL主控制器對電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制無極燈，使隧道洞內(nèi)亮度與所需亮度接近一致。

圖2 隧道照明模糊控制模型

表1 模糊控制規(guī)則表

3 仿真實(shí)驗(yàn)研究

利用本文建立的模糊控制模型來檢驗(yàn)隧道照明控制系統(tǒng)的節(jié)能效果如何。下面是通過MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)研究。隧道照明模糊控制系統(tǒng)的節(jié)能效果可以通過下面的方法進(jìn)行簡單的評價(jià):現(xiàn)只考慮洞外亮度變化因素，暫不考慮車速和車流量對隧道洞內(nèi)亮度的影響，設(shè)計(jì)車速為80km／h，車流量為1 000輛／h，設(shè)定24個亮度值構(gòu)造白天晴天時(shí)，一天內(nèi)（6點(diǎn)—18點(diǎn)）的隧道洞外亮度變化模型如圖3所示，經(jīng)模糊控制計(jì)算后，得到隧道洞內(nèi)所需的亮度變化模型如圖4所示，同時(shí)在圖4中得到采用4級分級控制的亮度模型。從中可以看出模糊控制系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，相比于只按洞內(nèi)能夠調(diào)節(jié)的最大亮度考慮，節(jié)能在50%以上，與4級分級控制相比節(jié)能也在20%以上，因此，如果再考慮車流量和車速對洞內(nèi)亮度的影響，其節(jié)能程度將相當(dāng)可觀。

圖3 洞外亮度變化模型

圖4 洞內(nèi)亮度變化模型

4 結(jié)束語

交通管理部門不僅要保證隧道的安全暢通，隨著我國建設(shè)節(jié)約型社會的提出，節(jié)能已成為一個不容忽視的問題。本文從節(jié)能角度出發(fā)，對隧道照明采用了模糊控制的方法，其控制系統(tǒng)能夠根據(jù)洞外亮度、交通流、車速的變化實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整，在滿足《隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》的亮度、安全性要求之外，相比于傳統(tǒng)的照明控制方法，具有很大的節(jié)能效果，能夠符合實(shí)際工程的需要。

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