公路隧道照明自動控制技術設計

王志偉

（揚州市職業(yè)大學 機械工程學院，揚州 225009）

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公路隧道照明自動控制技術設計

王志偉

（揚州市職業(yè)大學 機械工程學院，揚州 225009）

摘 要：針對我國目前公路隧道照明控制系統(tǒng)存在的行車安全以及電能浪費等問題，本文提出一種公路隧道照明自動控制方案，實現(xiàn)了公路隧道內(nèi)亮度的連續(xù)調(diào)光。介紹控制系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)及各部分的功能，設計了照明系統(tǒng)的控制模型及系統(tǒng)主程序控制流程，構(gòu)建一天時間內(nèi)隧道照明功率變化模型，模擬現(xiàn)場環(huán)境測試與計算的理論值比較，表明該技術滿足規(guī)范要求并具有顯著的節(jié)能效果。

關鍵詞：隧道照明 自動控制 連續(xù)調(diào)光 照明節(jié)能

1 引言

在經(jīng)濟社會和交通事業(yè)迅速發(fā)展的背景下，我國的隧道建設技術有了長足的進步。隧道的建設規(guī)模和數(shù)量不斷擴大，同時隧道的行車安全和運營維護越來越成為交通管理部門關注的焦點。隧道照明系統(tǒng)對隧道安全行車和運營起到基本的保障作用，同時也是解決隧道節(jié)能降耗的關鍵環(huán)節(jié)。因此，建立一個安全、經(jīng)濟、節(jié)能的隧道照明系統(tǒng)，對我國隧道交通的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1-2］。

一個好的公路隧道照明設計，關鍵取決于其控制系統(tǒng)設計的優(yōu)劣。目前，隧道照明控制方法有很多，但由于成本、技術和管理的問題，常采用的方法主要有手動控制、時序控制和自動控制方法。從穩(wěn)定性、可靠性上來講，手動控制和時序控制具有一定的優(yōu)勢，也易于實施，但最大的問題是電能浪費過于嚴重。究其原因，主要在于照明設計過程中沒有很好地考慮隧道環(huán)境和車速車流量變化的影響。鑒于國家對公路交通運輸系統(tǒng)節(jié)能的要求，自動控制方法廣泛推廣開來。

現(xiàn)代公路隧道照明控制系統(tǒng)的自動化設計，按調(diào)控連續(xù)程度可分為分級（多級）調(diào)控系統(tǒng)和連續(xù)調(diào)控系統(tǒng)兩大類。連續(xù)調(diào)控的實現(xiàn)主要基于有可調(diào)的光源。因此，在LED大范圍應用于公路隧道照明之前一段時間內(nèi)，隧道照明自動化控制系統(tǒng)采用的多是分級控制方式。與連續(xù)調(diào)光相比較，它主要存在以下兩個問題。第一，控制級數(shù)很有限，一般只能實現(xiàn)2到3級的控制。這主要由于布線回路會隨著控制級數(shù)的增加而越來越復雜，同時由于影響隧道內(nèi)亮度的參數(shù)都是按最大值考慮的，隧道內(nèi)各段亮度必定也是處于最大值狀態(tài)，從而降低照明效率，造成電能浪費。第二，運行過程中，它不能保證行車的安全，同時存在與隧道監(jiān)控子系統(tǒng)產(chǎn)生矛盾等問題。因此，鑒于LED光源可調(diào)的性能，特別是和其他隧道照明光源比較起來，控制簡單，容易實現(xiàn)自動化，本文設計了一種公路隧道照明自動化控制方案，使隧道內(nèi)的亮度可以根據(jù)隧道外的環(huán)境、車速車流量的變化而變化，達到連續(xù)調(diào)光的效果。這不僅能夠保障隧道內(nèi)的安全行車，在能源消耗上也有很大程度的降低，同時滿足節(jié)能的要求。

2 公路隧道照明自動控制方案

公路隧道照明整體自動控制系統(tǒng)方案如圖1所示。該控制系統(tǒng)的主要組成包括隧道外亮度采集裝置、車速車流量采集裝置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置、隧道照明用控制計算機、LED燈調(diào)光控制裝置以及滿足隧道照明配套的LED隧道燈具。該控制系統(tǒng)可以根據(jù)隧道外環(huán)境、車速變化、車流量變化對LED隧道燈的功率做出調(diào)整，從而實現(xiàn)隧道內(nèi)各區(qū)段亮度的實時調(diào)節(jié)。

具體控制過程為：設置在隧道內(nèi)外的亮度采集裝置和車速車流量采集裝置將采集得到的隧道內(nèi)外亮度信息、車速信息、車流量信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置處理后，傳遞給設置在隧道控制室內(nèi)的照明計算機，并根據(jù)已建好的隧道照明自動控制模型處理相關數(shù)據(jù)，計算出隧道內(nèi)各區(qū)段的亮度值，再結(jié)合LED功率曲線計算出調(diào)光控制裝置需要調(diào)節(jié)的控制量，調(diào)整LED應該輸出的功率大小，并反饋亮度信息給照明控制計算機系統(tǒng)，從而完成隧道各區(qū)段內(nèi)的連續(xù)調(diào)光控制。

圖1 公路隧道照明自動控制方案

3 公路隧道照明控制模型建立

隧道照明控制模型的建立是整個控制系統(tǒng)的核心，直接影響控制的準確性和精確性。本文隧道照明控制模型主要依據(jù)《公路隧道照明通風設計規(guī)范JTJ026.1-99》（以下簡稱《規(guī)范》）的規(guī)定建立，滿足隧道內(nèi)行車安全和節(jié)能的要求。原理：根據(jù)《規(guī)范》，通過MATLAB軟件，擬合出公路隧道內(nèi)理論亮度需求曲線，建立隧道內(nèi)各區(qū)段的亮度數(shù)學模型，進而對LED隧道燈進行實時動態(tài)調(diào)節(jié)，滿足不同區(qū)段的亮度要求。要有理想或最優(yōu)的控制效果，就必須使理論亮度需求曲線具有較高的擬合度。隧道各段照明亮度及長度如圖2所示，即為要建立模型的理論需求曲線。

圖2 隧道各段照明亮度及長度

對于大隧道而言，隧道照明按照《規(guī)范》設計要求可分為入口段照明、過渡一段照明、過渡二段照明、過渡三段照明、中間段照明以及出口段照明。由上文所述，隧道各區(qū)段的亮度值是由所建立的數(shù)學模型計算，并通過調(diào)光控制裝置來調(diào)整LED功率實現(xiàn)的。當汽車進入隧道的時候，人眼是有一個適應要求的。為了使調(diào)光過程讓人眼感覺更自然更舒服，這里LED隧道燈的控制采用對數(shù)調(diào)節(jié)，每盞燈256級調(diào)光，使隧道內(nèi)的亮度變化更接近于線性調(diào)節(jié)，避免在行車過程中由于亮度的突然改變，造成人眼的不適，從而減小對行車安全的影響。但是，頻繁調(diào)光存在安全隱患，燈具使用壽命也因此降低，能耗增大，同時也是不必要的調(diào)光方式。這里，通過時間觸發(fā)方式解決這個問題，即每3min采集一次數(shù)據(jù)（包括隧道外亮度、車速車流量信息），然后對隧道內(nèi)亮度進行一次計算。實際上，無級調(diào)光可以稱為更精細的分級調(diào)光。

本文對《規(guī)范》中涉及的數(shù)據(jù)包括隧道外亮度信息、車速信息、車流量信息進行數(shù)理統(tǒng)計分析，在MATLAB中采用線性回歸的方法建立隧道各段相應的數(shù)學模型。

3.1 入口段照明數(shù)學模型

利用MATLAB，針對《規(guī)范》中表4.3.1入口段亮度折減系數(shù)k數(shù)據(jù)，進行一階線性回歸（本文僅對雙車道單向交通隧道進行建模）。在不同行車速度條件下，當隧道交通量Q≤700輛/h時，入口段亮度折減系數(shù)k線性回歸圖如圖3所示；當隧道交通量Q≥2400輛/h時，入口段亮度折減系數(shù)k線性回歸圖如圖4所示。

圖3 交通量Q≤700輛/h時入口段亮度折減系數(shù)回歸圖

圖4 交通量Q≥2400輛/h時入口段亮度折減系數(shù)回歸圖

當隧道交通量Q≤700輛/h和隧道交通量Q≥2400 輛/h時，入口段亮度折減系數(shù)k是由圖3和圖4計算而出。但是，當隧道交通量700輛/h＜Q＜2400輛/h時，《規(guī)范》沒有相應的數(shù)據(jù)來計算折減系數(shù)k。因此，本文利用內(nèi)插法折中計算隧道交通量700輛/h＜Q＜2400輛/h時的入口段亮度折減系數(shù)k。在不同行車速度和交通流量下，入口段亮度折減系數(shù)k的計算如公式1所示。

3.2 中間段照明數(shù)學模型

查《規(guī)范》表4.3.1可知，中間段亮度僅與車速和車流量有關。當對表4.3.1在MATLAB中進行一階線性回歸后，中間段亮度擬合誤差較大，而采用二階線性回歸的中間亮度擬合度非常好。在不同行車速度條件下，當隧道交通量Q≤700輛/h和Q≥2400輛/h時，中間段亮度二階線性回歸圖分別如圖5、6所示。

圖5 交通量Q≤700輛/h時中間段亮度回歸圖

圖6 交通量Q≤700輛/h時中間段亮度回歸圖

同入口段折減系數(shù)k計算方法一樣，當隧道交通量700 輛/h＜Q＜2400輛/h時，也采用內(nèi)插法計算出中間段亮度。在不同行車速度和交通流量下，建立中間段亮度數(shù)學模型如公式3所示。

3.3 過渡段照明數(shù)學模型

3.4 出口段照明數(shù)學模型

出口段的亮度可取中間段亮度的5倍，即出口段亮度Lout=5Lin。

4 照明系統(tǒng)主程序流程設計

本文設計了整個隧道照明控制系統(tǒng)的流程圖，如圖7所示。首先，初始化系統(tǒng)各模塊，讀取隧道外亮度和車速車流量信息，控制室內(nèi)人員選擇手動照明控制或自動照明控制。手動照明控制即人為根據(jù)環(huán)境變化來調(diào)整隧道內(nèi)照明亮度，從而結(jié)束自動控制程序。如果選擇自動照明控制，開始檢查隧道狀態(tài)，非正常狀態(tài)，進入報警程序，同時結(jié)束程序運行；正常狀態(tài)，則調(diào)用計算機自動調(diào)光程序，輸出調(diào)光指令完成一次調(diào)光過程；系統(tǒng)每間隔3min觸發(fā)一次程序運行，直到人為輸入結(jié)束程序指令，自動控制狀態(tài)結(jié)束。

表1 隧道各區(qū)段測試亮度值（部分）

圖7 隧道照明系統(tǒng)控制流程圖

5 照明系統(tǒng)的測試與分析

本文結(jié)合模擬的現(xiàn)場環(huán)境，對該隧道照明控制方案進行了測試與分析：設定一天不同時間段的隧道外亮度、車速和車流量值，采集隧道各區(qū)段的亮度數(shù)據(jù)（僅列出部分數(shù)據(jù)樣本），如表1所示?，F(xiàn)根據(jù)所建隧道照明控制數(shù)學模型，在相同條件下，理論計算出對應的隧道各區(qū)段亮度數(shù)據(jù)，樣本如表2所示。通過對比表1和表2中的數(shù)據(jù)可以看出，模擬現(xiàn)場的系統(tǒng)測試值與理論計算值之間的誤差較小，基本控制在2%左右。

表2 隧道各區(qū)段理論亮度值（部分）

為了比較本文設計的隧道照明控制方案與傳統(tǒng)控制方式之間的節(jié)能效果，構(gòu)建隧道在白天晴天（6∶00～18∶00）時整體照明功率的變化圖。對比方案主要有高壓鈉燈等亮度不調(diào)光控制方案、LED燈等亮度不調(diào)光控制方案、LED分級（四級）調(diào)光控制方案和LED無級調(diào)光控制方案四種，轉(zhuǎn)化為功率比如圖8所示。從圖中可以看出，高壓鈉燈不調(diào)光控制功率能耗最高，設定為1；如果僅將LED燈代替高壓鈉燈，能耗能降低40%～50%；采用LED分級（四級）控制，可使能耗將進一步降低；而采用LED無級調(diào)光控制能耗最低，比只考慮按最大亮度設計的高壓鈉燈可節(jié)能80%以上，即使與LED分級調(diào)光控制相比，也能實現(xiàn)節(jié)能20%。通過上述測試分析，本文設計的隧道照明自動控制技術能夠滿足《規(guī)范》的要求，控制效果滿意，保障行車安全的同時，最大程度實現(xiàn)了節(jié)能。

圖8 白天晴天時隧道照明功率變化圖

6 結(jié)束語

隧道照明在保證公路通行安全和效率上起著重要作用，是公路交通不可或缺的組成部分，而照明控制系統(tǒng)的設計又是隧道照明實現(xiàn)的關鍵。本文結(jié)合LED優(yōu)越的可控性能，設計了一種隧道照明自動控制方案。通過測試分析，該方案滿足《規(guī)范》規(guī)定隧道照明需求，同傳統(tǒng)的照明控制設計方式相比，尤其與忽略隧道環(huán)境變化僅考慮按最大亮度設計的高壓鈉燈照明比較，節(jié)能顯著，在工程實踐上具有一定可靠性。

參考文獻

［1］中華人民共和國交通運輸部.公路水路交通運輸節(jié)能減排十二五規(guī)劃［R］.北京：交通運輸部，2011.

［2］王少飛，涂耘，等.公路隧道節(jié)能減排專項規(guī)劃研究［J］.公路隧道，2015，（1）：10-13.

Auto-control Technology for Highway Tunnel Lighting

WANG Zhiwei
（Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou 225009）

Abstract：Tunnel lighting system is very important in tunnel electrical engineering. With the consideration of problems such as driving safety and energy consumption existed in tunnel lighting control system at present， an automatic control system of tunnel lighting based on stepless control method was presented， and continuous light tuning of LED （light-emitting diode） lamp was achieved. The automatic control system was composed of vehicle detectors， luminance detectors，data converters， lighting control computer， dimming controllers and LED lamps. The tunnel lighting control model was established based on “Specifications for Design of Ventilation and Lighting of Highway Tunnel （China）” and the flow chart of m ain procedures of the automatic control system was given. Comparison between results of simulation experiments in MATLAB and dat a collected on site shows that the automatic control system can meet the actual luminance requirements in tunnel lighting and has good effect on energy-saving.

Key words：Tunnel lighting， auto-control， continuous light tuning， energy-saving