隧道閉環(huán)反饋智慧照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡葉舟，秦會斌

（杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

實(shí)際生活中，在汽車駕駛員進(jìn)入隧道的過程中由于隧道內(nèi)照明不充分，內(nèi)外亮度差會產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”；而在駛出隧道時(shí)由于外界光線過亮，又會產(chǎn)生 “白洞效應(yīng)”。這些效應(yīng)將會降低駕駛員的可見度，加大駕駛的危險(xiǎn)性，極易發(fā)生交通事故。同時(shí)，國內(nèi)外的隧道照明均以亮度值作為標(biāo)準(zhǔn)，未考慮光源色溫對照明效果和視覺功效的影響。因此，解決駕駛員的視覺適應(yīng)性問題將是隧道照明設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1～2]。

本文設(shè)計(jì)了一種具有閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)能力的隧道照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集洞外的亮度、色溫值和交通流量參數(shù)，根據(jù)隧道照明規(guī)范計(jì)算出隧道內(nèi)的照明亮度、色溫需求值，并據(jù)此調(diào)節(jié)隧道內(nèi)變色溫?zé)舻牧炼群蜕珳?。同時(shí)系統(tǒng)會將隧道內(nèi)的實(shí)際照明值作為反饋?zhàn)兞浚瑢?shí)時(shí)調(diào)整變色溫?zé)舻墓ぷ鳡顟B(tài)，確保了實(shí)際照明值與需求值的一致性。

1 隧道智慧照明系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由隧道外的控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、照明調(diào)光單元、照明監(jiān)測單元組成。現(xiàn)場控制主機(jī)與本地設(shè)備通過RS485建立通訊，控制主機(jī)與遠(yuǎn)端監(jiān)控中心通過光纖網(wǎng)絡(luò)建立通訊。隧道智慧照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[3～4]。

圖1 隧道智慧照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

洞外/洞內(nèi)環(huán)境探測器、八回路開關(guān)控制器和二路調(diào)光驅(qū)動器均基于STM32設(shè)計(jì)。

（1）MCU：STM32F103 處理器。

（2）存儲：板載一片8kB的 EEPROM芯片（型號：AT24C08），儲存設(shè)備實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息和控制單元下發(fā)的工作列表。

（3）電源：AC220-DC12V/5V/3.3V 開關(guān)電源。

（4）地址：每一設(shè)備在本系統(tǒng)中均有唯一地址以保證通訊正常。設(shè)備地址大小為8bit，分為高4位類型地址和低4位編號地址。其中，類型地址為設(shè)備的類型標(biāo)識，固定不可變，寫入在設(shè)備驅(qū)動中；編號地址為同種設(shè)備在一個(gè)系統(tǒng)中的區(qū)分標(biāo)識，由用戶使用4位撥碼開關(guān)自由配置。

（5）通訊：遵從RS485總線協(xié)議。為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，設(shè)備結(jié)合數(shù)據(jù)接收中斷和定時(shí)器中斷方式實(shí)現(xiàn)CSMA/CD協(xié)議[5]，突破傳統(tǒng)主從模式的限制。設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)聽總線狀態(tài)，在總線空閑時(shí)可以主動向控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.1 控制單元

該單元是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，由現(xiàn)場控制主機(jī)和遠(yuǎn)端監(jiān)控中心組成。以洞外環(huán)境數(shù)據(jù)和車流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)調(diào)光策略計(jì)算出各個(gè)照明段照明亮度和色溫需求值，對照明調(diào)光單元發(fā)布調(diào)控指令，并根據(jù)監(jiān)測單元采集的實(shí)際值進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，以保證隧道內(nèi)的照明實(shí)際值達(dá)到需求值要求（實(shí)際值允許誤差范圍為-1%～+5%）。隧道智慧照明系統(tǒng)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)原理示意圖如圖2所示[6]。

圖2 隧道智慧照明系統(tǒng)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)采集單元

該單元是整個(gè)系統(tǒng)的感知部分，由洞外環(huán)境探測器和線圈車檢器組成。主要是采集隧道調(diào)光策略需要的數(shù)據(jù)信息，包括隧道外環(huán)境的光照強(qiáng)度、色溫、溫濕度以及車流量值。

（1）洞外環(huán)境探測器主要通過控制光強(qiáng)傳感器、色溫傳感器、溫濕度傳感器以及GPS定位模塊采集數(shù)據(jù)。其中光強(qiáng)和色溫值是制定調(diào)光策略的主要參數(shù)；溫濕度值用于判斷環(huán)境是否有霧，在云貴川等多霧地區(qū)，該數(shù)據(jù)對于調(diào)光策略的制定十分重要；定位信息用于輔助判斷隧道位置。洞外環(huán)境探測器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 洞外環(huán)境探測器結(jié)構(gòu)框圖

（2）線圈車檢器用于檢測車流量值。利用埋設(shè)在路面下方的環(huán)形線圈，通過LC諧振電路和整形電路將線圈產(chǎn)生的正弦波振蕩信號整形成方波信號，STM32處理器通過定時(shí)器輸入捕獲功能來測算方波信號的頻率變化從而判斷是否有車輛通過。當(dāng)有車輛通過線圈上方時(shí)，線圈產(chǎn)生的電感量將會變化，LC諧振電路的正弦振蕩信號頻率隨之變化，STM32處理器接收到的方波頻率也隨之變化。每個(gè)線圈車檢器的監(jiān)測通道為兩個(gè)。當(dāng)單獨(dú)使用一個(gè)通道時(shí)，用于檢測車流量；當(dāng)同時(shí)使用兩個(gè)通道時(shí)，記錄車輛分別通過兩個(gè)線圈的時(shí)間T1、T2，計(jì)算該車速度為V=S/（T2-T1），S為兩個(gè)線圈間隔距離。線圈車檢器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 線圈車檢器結(jié)構(gòu)框圖

1.3 照明調(diào)光單元

該單元是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，由八回路開關(guān)控制器和二路調(diào)光驅(qū)動器組成。主要是根據(jù)控制單元下發(fā)的指令來控制回路內(nèi)燈具的工作狀態(tài)。

（1）二路調(diào)光驅(qū)動器主要調(diào)節(jié)變色溫?zé)艟叩牧炼取⑸珳刂?，同時(shí)對燈具功率進(jìn)行檢測。二路調(diào)光驅(qū)動器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 二路調(diào)光驅(qū)動器結(jié)構(gòu)框圖

主要分為：①STM32處理器輸出4通道PWM信號，經(jīng)過一級電壓放大，二級電流放大，得到0～10V調(diào)光電壓，控制變色溫?zé)舻狞S光、白光控制端[7]。4通道分為2個(gè)回路，可調(diào)節(jié)兩個(gè)回路區(qū)間內(nèi)的燈具，同一區(qū)間燈具照明狀態(tài)相同。②STM32處理器控制兩路光耦繼電器，分別控制每個(gè)照明回路內(nèi)的第一盞變色溫?zé)?，接入方式為常閉態(tài)。③功率檢測主要通過電流互感器檢測照明回路內(nèi)第一盞變色溫?zé)艄ぷ麟娏?，判斷該照明段?nèi)燈具調(diào)光狀態(tài)是否正常。互感器交流輸入端與光耦繼電器輸出端串聯(lián)。使用實(shí)際電流比K=2000∶1的電流互感器將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)小電流，通過RC采樣電路和電壓放大電路后，供ADC采集[8]。計(jì)算可獲得該燈具的工作電流，計(jì)算公式如下：

式中：I—— 工作電流，A；

K——電流互感器實(shí)際電流比；

VADC——STM32中ADC采集的電壓數(shù)值，V；

R——采樣電阻阻值，Ω；

N—— 電壓放大倍數(shù)。

（2）八回路開關(guān)控制器主要控制各個(gè)照明段回路的供電的通斷。

根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01-2014），將隧道根據(jù)照明需求劃分成八個(gè)照明段[2]，各照明段劃分示意圖如圖6所示。開關(guān)控制器采用STM32處理器控制一級光耦繼電器，一級光耦繼電器控制二級交流大功率繼電器的方式，分別控制每個(gè)照明段回路內(nèi)所有燈具供電的通斷。

圖6 隧道照明段劃分示意圖

1.4 照明監(jiān)測單元

該單元是整個(gè)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，設(shè)備為洞內(nèi)環(huán)境探測器。洞內(nèi)環(huán)境探測器主要是控制光強(qiáng)傳感器、色溫傳感器采集洞內(nèi)實(shí)際照明數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)的反饋信息。

2 隧道智慧照明調(diào)光策略

為使駕駛員安全、穩(wěn)定、舒適地通過隧道，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的隧道調(diào)光需求，應(yīng)同時(shí)考慮交通量 N、隧道外亮度 L20（S）、隧道外色溫 Kct二個(gè)因素，采用合理的調(diào)光原則調(diào)控隧道內(nèi)光環(huán)境。

高速公路隧道設(shè)計(jì)速度通常分為60km/h、80km/h、100km/h、120km/h。不同環(huán)境下的隧道內(nèi)燈具光源的最佳色溫值也是不同的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，隧道入口段的最適宜色溫在5000K左右，而隧道中間段的最適宜色溫在3600K[10]。在燈具優(yōu)先滿足照明亮度需求的前提下，可以對色溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，使隧道內(nèi)光環(huán)境達(dá)到最適宜駕駛的狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)則，隧道內(nèi)不同照明段的照明亮度值標(biāo)準(zhǔn)和色溫值標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 隧道不同照明段的照明亮度值標(biāo)準(zhǔn)和色溫值標(biāo)準(zhǔn)

表中：k——入口段亮度折減系數(shù)。

（1）為了達(dá)到最優(yōu)的照明狀態(tài)，k可參考表2進(jìn)行取值。

表2 隧道入口段亮度折減系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試，色溫與變色溫?zé)舻陌S光比值滿足公式（2）：

式中：Kct——色溫，K；

P——變色溫?zé)舻陌坠馀c黃光比值。

維持白光與黃光比值P恒定，通過改變白光或黃光值大小，即可實(shí)現(xiàn)保持色溫不變，調(diào)節(jié)照明亮度的目的。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)于某年一月份在貴州省畢節(jié)市某隧道進(jìn)行現(xiàn)場測試，該隧道為分離式隧道，左線洞長1270m，右線洞長1235m，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h。測試時(shí)間段內(nèi)有階段性團(tuán)霧。主要目的是驗(yàn)證系統(tǒng)是否能根據(jù)隧道外界環(huán)境變化準(zhǔn)確調(diào)整隧道內(nèi)部燈具的照明狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)器材：工控機(jī)管理軟件、柯尼卡色彩亮度測量儀，以及本系統(tǒng)的各單元設(shè)備。

測試方法：對入口TH1段進(jìn)行測試。測量隧道口環(huán)境的光強(qiáng)和色溫值，通過計(jì)算獲得入口段所需要調(diào)節(jié)的照明亮度和色溫值，對比柯尼卡測量儀實(shí)際采集到的亮度和色溫值。每隔半個(gè)小時(shí)自動采集一次數(shù)據(jù)，測試時(shí)間為24小時(shí)。

24小時(shí)內(nèi)隧道洞外環(huán)境亮度、色溫值如圖7所示，隧道入口段照明亮度、色溫需求值和實(shí)際值對比如圖8所示。

經(jīng)現(xiàn)場測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，調(diào)光的實(shí)際效果能夠根據(jù)外界環(huán)境值實(shí)時(shí)變化，并且符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖7 24小時(shí)內(nèi)隧道洞外環(huán)境亮度、色溫值a）亮度值 b）色溫值

圖8 24小時(shí)內(nèi)隧道入口段照明亮度、色溫值a）亮度值 b）色溫值

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于閉環(huán)反饋的隧道智慧照明控制系統(tǒng)，給出了具體的照明亮度、色溫調(diào)節(jié)策略，對傳統(tǒng)隧道照明的缺陷進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)隧道外環(huán)境參數(shù)和車流量數(shù)值，自動調(diào)節(jié)隧道內(nèi)照明狀態(tài)，閉環(huán)反饋方式保證了照明實(shí)際效果的準(zhǔn)確性。通過實(shí)際現(xiàn)場測試，本文提出的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確執(zhí)行制定的調(diào)光方案，避免了隧道口的“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，提高了行車安全性，具有推廣價(jià)值。