公路隧道照明的自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制研究

郭曉杰， 方春平

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室， 四川成都 610031;2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

公路隧道照明的自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制研究

郭曉杰1， 方春平2

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室， 四川成都 610031;2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隧道建設(shè)的不斷推進(jìn)要求加強(qiáng)隧道的照明節(jié)能控制，針對這一現(xiàn)狀，文章基于自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)提出了一種具有自適應(yīng)能力的照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，將車速、交通量和隧道洞外亮度作為輸入量，根據(jù)實時收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能調(diào)光，達(dá)到高效節(jié)能的照明效果。對于該控制系統(tǒng)，采用Matlab進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的調(diào)節(jié)控制能力。

隧道照明； 節(jié)能控制； 自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)

隨著交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，公路隧道的數(shù)量持續(xù)增加。隧道作為一種特殊的交通構(gòu)造物，其環(huán)境相對幽閉，對照明的要求較為復(fù)雜。一方面，隧道照明要求進(jìn)出洞口處的亮度過渡合理，隧道內(nèi)的亮度分布滿足駕駛安全需求；另一方面，隧道要求全天候不間斷照明以保障交通安全。因此，照明是隧道運(yùn)營中的一項重大能源負(fù)擔(dān)，研究隧道照明的節(jié)能控制勢在必行。

針對照明的控制節(jié)能要求，本文將自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)引入隧道照明控制中，運(yùn)用自動控制系統(tǒng)的原理實現(xiàn)智能調(diào)光，解決照明這一非線性優(yōu)化的問題。

1 我國的隧道照明現(xiàn)狀

我國的隧道照明研究起步相對國外較晚，于2000年發(fā)布實施了JTJ 026.1-1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》。在2014年之前的十余年之內(nèi)，隧道照明規(guī)范一直未更新。2014年，我國發(fā)布并實施了JTG/T D70/2-02-2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》，這是隧道照明的一大進(jìn)步。新的照明規(guī)范中引入了許多先進(jìn)的成果與理念[1]，并新增了節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)與措施的章節(jié)，針對不同的照明方式給出了不同的節(jié)能措施。這意味著照明節(jié)能控制得到了進(jìn)一步重視。

目前，我國的隧道照明還存在許多問題[2]，具體如下：

(1)照明節(jié)能的理念有誤。許多隧道工作人員為了節(jié)約能源成本，忽視交通安全而隨意進(jìn)行照明調(diào)節(jié)。

(2)照明控制方式落后。現(xiàn)階段的隧道照明控制還不能實現(xiàn)智能化與自動化?？刂品绞捷^為落后。

(3)燈具的選擇問題。目前我國隧道的照明大多使用的還是高壓鈉燈等燈具，耗能較高，照明質(zhì)量較低，壽命不長。新興的LED燈具的綜合光效優(yōu)于高壓鈉燈，亟需推廣。

(4)先進(jìn)的照明技術(shù)沒能得到充分使用。2014年發(fā)布規(guī)范之后至今，新型的隧道照明技術(shù)還在推廣中，尚未全面采用。

因此，在新規(guī)范的背景下，針對隧道照明存在的以上問題，十分有必要重新審視并研究隧道照明的節(jié)能控制技術(shù)。

2 公路隧道的照明節(jié)能技術(shù)

隧道的照明節(jié)能控制技術(shù)是指通過照明控制系統(tǒng)，根據(jù)隧道環(huán)境因素的變化，如車流量，洞外亮度等，進(jìn)行需光量調(diào)節(jié)。要實現(xiàn)隧道照明的節(jié)能要求，照明系統(tǒng)的智能控制是至關(guān)重要的。

智能控制[3]是在自動控制上發(fā)展起來的控制方式，結(jié)合了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制與優(yōu)化技術(shù)，依據(jù)人眼的視覺適應(yīng)曲線，根據(jù)計算機(jī)實時采集得到的參數(shù)變化進(jìn)行分析，發(fā)出控制命令，進(jìn)行動態(tài)調(diào)光，達(dá)到安全舒適、高效節(jié)能的照明效果。

2014年實施的JTG/T D70/2-02-2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》中要求[1]，隧道照明的照明控制方式應(yīng)以智能控制或自動控制為主、手動控制為輔。因此，在新規(guī)范的背景下，本文結(jié)合模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理，建立自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真研究，證明其可靠性。

3 自適應(yīng)模糊神經(jīng)系統(tǒng)的原理

模糊控制[4]是模擬人類大腦的模糊思維判斷方式，根據(jù)實踐經(jīng)驗建立語言型控制規(guī)則，對系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計簡單，靈活性強(qiáng)，但是模糊控制沒有學(xué)習(xí)能力，對環(huán)境的適應(yīng)能力較差。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]是模擬人類神經(jīng)元細(xì)胞建立的數(shù)學(xué)模型，通過調(diào)整神經(jīng)元的連接權(quán)值，學(xué)習(xí)得到系統(tǒng)所具有的規(guī)律。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自主學(xué)習(xí)能力，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表達(dá)不明確，模型類似于黑箱，靈活性低。

模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都可以用來解決非線性問題。將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，兩者相互彌補(bǔ)，模糊控制處理模糊信息，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記憶模糊規(guī)則，完成模糊推理，則可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時避免了其缺點(diǎn)。目前，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合方式有許多種。本文采用的是由學(xué)者Jang R提出的自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)(Adaptive Network-based Fuzzy Inference System)，簡稱ANFIS。ANFIS系統(tǒng)是基于T-S型模糊推理系統(tǒng)提出的，已被廣泛應(yīng)用。該推理系統(tǒng)可以看成是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)T-S模糊系統(tǒng)。它利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力從輸入輸出數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)得到模糊規(guī)則和隸屬度參數(shù)，用該模糊規(guī)則來描述系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)同時具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力和模糊系統(tǒng)的推理決策能力。

4 自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)的建立及仿真

自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)便于實現(xiàn)，在許多非線性問題中得到了成功運(yùn)用。本文將自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到照明控制問題中，實現(xiàn)照明的智能控制。

4.1 輸入輸出變量隸屬度函數(shù)的確定

影響隧道照明的因素眾多，主要有交通量Q、車速v以及隧道洞外亮度L20三個因素。

對于交通量Q，當(dāng)隧道內(nèi)車流量增多時，為了保證行車安全，必須提高照明亮度。對于車速v，它影響著駕駛員的視覺適應(yīng)時間。當(dāng)車速較高時，必須調(diào)整亮度保證駕駛員能夠快速地適應(yīng)隧道內(nèi)的照明環(huán)境。對于洞外亮度L20，當(dāng)隧道內(nèi)外亮度差較大時，必須調(diào)整隧道內(nèi)的亮度減小亮度差，營造較好的照明環(huán)境，保證行車安全。

因此，輸入變量取交通量Q、車速v以及隧道洞外亮度L20，輸出變量取照明亮度L。

4.2 隸屬度函數(shù)的確定

根據(jù)照明設(shè)計規(guī)范，車速劃分為100 km/h、80 km/h、60 km/h、40 km/h，離散化之后的論域取為{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}，模糊語言描述為“較慢”“一般”“較快”“快”。

考慮到隧道中的實際情況以及規(guī)范要求，交通量的真實論域取{0,2400}。將交通量劃分為五檔，離散化之后的論域取{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}，模糊語言描述為“較小”“一般”“較大”“大”。

隧道洞外亮度的真實論域取{0,5000}，離散化之后的論域取{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊語言描述為“暗”“較暗”“一般”“較亮”“亮”“很亮”。

亮度輸出值的離散論域選取{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊語言描述為“暗”“較暗”“一般”“較亮”“亮”“很亮”。

本文中隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)，這種函數(shù)計算簡便，靈敏度高。

4.3 實例仿真

采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)，對某隧道入口段進(jìn)行照明控制設(shè)計，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真研究[6～7]，得到調(diào)光曲面，驗證其可靠性。根據(jù)其交通量、車速、洞外亮度進(jìn)行歸一化處理，將其變換為離散論域中的值。

在Matlab中建立自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)

18030605245設(shè)置學(xué)習(xí)次數(shù)100次，容許誤差為0，學(xué)習(xí)算法為混合算法，輸出變量設(shè)置為線性，經(jīng)學(xué)習(xí)100次之后的誤差為0.000 5，符合要求(圖2)。用校核樣本的數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)進(jìn)行核對檢驗，校核數(shù)據(jù)與系統(tǒng)輸出結(jié)果的對比如圖3所示，學(xué)習(xí)之后的系統(tǒng)輸出結(jié)果與校核數(shù)據(jù)的平均誤差0.18。

圖2 訓(xùn)練誤差

圖3 校核數(shù)據(jù)誤差

經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)之后得到的模糊調(diào)光曲面如圖4所示。

通過仿真結(jié)果可以看出，自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)的輸出亮度可以根據(jù)隧道內(nèi)的實時狀況變化而變化，較好的反應(yīng)了實際情況。將該輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號，發(fā)送信號調(diào)節(jié)照明設(shè)備，對于LED燈具，可以實現(xiàn)隧道的無級調(diào)光。對于高壓鈉燈，則可以實現(xiàn)分級調(diào)光。這種控制方法不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，切實可行，使隧道照明更為合理科學(xué)，同時也減少了不必要的電能浪費(fèi)，實現(xiàn)了節(jié)能與安全之間的平衡。

該系統(tǒng)輸出的是入口段的亮度，對于過渡段、中間段和出口段的照明，可根據(jù)規(guī)范提供的方法由入口段亮度計算得到。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)實現(xiàn)隧道照明控制，結(jié)合了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，不需建立精確的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)得到照明控制規(guī)則，實現(xiàn)控制。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)分級調(diào)光和無級調(diào)光。Matlab的仿真證明了控制的可靠性，通過照明的自適應(yīng)控制，改善了照明環(huán)境，節(jié)約了能源。

(a) 車速、交通量與照明亮度的映射曲面

(b) 交通量、洞外亮度與照明亮度的映射曲面

(c) 車速、洞外亮度與照明亮度的映射曲面

[1] JTGT D70/2-01-2014 公路隧道照明設(shè)計細(xì)則[S]. 人民交通出版社, 2014.

[2] 王少飛， 涂耘， 張琦， 等. “低碳經(jīng)濟(jì)”背景下公路隧道照明節(jié)能策略[J].公路，2011(9)：226-232.

[3] 張斌.吉林省高速公路隧道照明節(jié)能技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[4] 周潤景，張麗娜.基于MATLAB與fuzzyTECH的模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5] 武星星，劉金國.模糊系統(tǒng)和ANFIS的改進(jìn)及其在空間光學(xué)中的應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

[6] 張德豐. MATLAB模糊系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[7] 吳曉莉，林哲輝. MATLAB輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

U418.7

A

[定稿日期]2017-05-22

郭曉杰(1993～),男,碩士研究生。

市政公用行業(yè)安全生產(chǎn)大檢查方案(一)

一、總體要求

深入貫徹黨中央、國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)安全生產(chǎn)工作部署和習(xí)近平總書記、李克強(qiáng)總理重要指示批示精神，落實《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于加強(qiáng)市政公用行業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》(建辦城電[2017]61號)的各項要求，強(qiáng)化市政公用行業(yè)安全風(fēng)險管控，嚴(yán)格落實各項安全防范責(zé)任和措施，以堅決遏制重特大安全生產(chǎn)事故為重點(diǎn)，全面深入排除市政公用行業(yè)安全生產(chǎn)隱患，防止安全生產(chǎn)事故發(fā)生，保障市政公用設(shè)施安全運(yùn)行，保障群眾生命財產(chǎn)安全和公共安全，為黨的十九大勝利召開創(chuàng)造穩(wěn)定的市政公用行業(yè)安全生產(chǎn)環(huán)境。

二、檢查內(nèi)容

檢查范圍為全國市政公用行業(yè)：

(一)城鎮(zhèn)燃?xì)獍踩珯z查內(nèi)容。

1.城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)檢查內(nèi)容。

(1)安全生產(chǎn)管理責(zé)任落實情況。重點(diǎn)檢查主要負(fù)責(zé)人履職情況，建立和落實安全生產(chǎn)責(zé)任制、依法設(shè)置安全生產(chǎn)管理機(jī)構(gòu)或配備安全生產(chǎn)管理人員和保障安全生產(chǎn)投入等情況。

(2)安全生產(chǎn)管理制度建立和執(zhí)行情況。重點(diǎn)檢查安全生產(chǎn)管理制度建立情況，對主要負(fù)責(zé)人和安全管理人員安全生產(chǎn)知識與管理能力考核情況。燃?xì)鈴臉I(yè)人員專業(yè)培訓(xùn)、考核情況。

(3)安全風(fēng)險管控情況。重點(diǎn)檢查安全生產(chǎn)重要設(shè)施完好狀況和日常管理維護(hù)情況。對存在較大危險風(fēng)險因素的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行識別和制定落實管控措施情況。城鎮(zhèn)燃?xì)鈶?yīng)急儲備和調(diào)峰設(shè)施建設(shè)情況。

(4)隱患排查治理情況。重點(diǎn)檢查建立事故隱患排查治理制度、開展隱患自查自改情況。隱患排查發(fā)現(xiàn)問題及落實整改情況。

(5)應(yīng)急管理情況。重點(diǎn)檢查應(yīng)急組織體系建設(shè)和制度建設(shè)情況。編制應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場處置方案、組織應(yīng)急演練、配備必要裝備、加強(qiáng)崗位應(yīng)急培訓(xùn)情況。

2.住房城鄉(xiāng)建設(shè)(城鎮(zhèn)燃?xì)?主管部門檢查內(nèi)容。

(1)安全生產(chǎn)責(zé)任制落實情況。重點(diǎn)檢查各級管理部門建立安全生產(chǎn)責(zé)任體系、落實行業(yè)監(jiān)管責(zé)任、強(qiáng)化安全生產(chǎn)責(zé)任措施情況。落實燃?xì)夤芾聿块T管理責(zé)任和加強(qiáng)監(jiān)督責(zé)任情況。

(2)嚴(yán)格監(jiān)管執(zhí)法情況。重點(diǎn)檢查燃?xì)饨?jīng)營許可管理工作情況。在燃?xì)饨?jīng)營許可證核發(fā)中對規(guī)定的許可條件審查落實情況。燃?xì)饨?jīng)營許可發(fā)證部門準(zhǔn)予許可決定的公開情況。燃?xì)馊紵骶甙惭b維修企業(yè)資質(zhì)管理情況。

(3)安全防范制度措施落實情況。重點(diǎn)檢查嚴(yán)格安全準(zhǔn)入、強(qiáng)化源頭管控情況，燃?xì)馓卦S經(jīng)營實施工作中對燃?xì)饨?jīng)營許可制度的貫徹情況。組織開展燃?xì)獍踩a(chǎn)隱患排查和對存在問題的整改情況。

(4)深入開展專項治理情況。重點(diǎn)檢查燃?xì)饫吓f管網(wǎng)更新改造情況。對瓶裝燃?xì)?、居民戶?nèi)燃?xì)庠O(shè)施等薄弱環(huán)節(jié)的安全風(fēng)險防范情況。對瓶裝液化石油氣摻混二甲醚的監(jiān)管情況。對《城鎮(zhèn)燃?xì)夥纯植婪婪豆ぷ鳂?biāo)準(zhǔn)》(建城[2016]203號)的貫徹落實情況。高層建筑燃?xì)獍踩芾砬闆r。

摘自中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部網(wǎng)站