基于LoRa 無線技術(shù)的隧道智能照明控制系統(tǒng)

林華彬

（福建省高速公路集團有限公司寧德管理分公司，寧德 352100）

1 引言

當前大多數(shù)的隧道照明控制系統(tǒng)采用時序分級控制方式進行調(diào)光， 還不能根據(jù)隧道洞內(nèi)外實時環(huán)境自動調(diào)節(jié)燈具照明亮度和燈具的開啟數(shù)量[1]，且現(xiàn)有的智能控制方式大多數(shù)沒有進行洞內(nèi)亮度的閉環(huán)反饋控制， 無法實現(xiàn)按需照明，資源浪費較大。 另一方面，公路隧道一般位于丘陵山區(qū)或城市過江地段，具有數(shù)量多、分布廣、隧道長、遠離城市中心且穿越崇山峻嶺的特點，使得工作人員和管理人員對隧道照明、 風機等用電設(shè)備的有效控制和維護極為不便，每年產(chǎn)生巨大的人力資源、電能損耗[3]。此外，由于設(shè)備故障檢查與維護不及時，更是給行車安全帶來了極大的危險[6]。 因此，如何根據(jù)隧道環(huán)境，如天氣狀態(tài)、時間、車流量等實時信息，自適應(yīng)地完成隧道照明控制，在保障安全行車的同時，又能最大可能的節(jié)約電能，成為了交通行業(yè)節(jié)能技術(shù)研究的重點方向[7]?；谥悄芑凸?jié)能的設(shè)計目標，本文提出一種基于LoRa 無線技術(shù)的隧道照明智能控制系統(tǒng)， 在實現(xiàn)照明節(jié)能和智能控制的同時，還能實時返回隧道照明燈具故障狀態(tài)，極大地提高了照明維護效率。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 基于LoRa 無線技術(shù)的隧道智能照明控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

基于LoRa 無線技術(shù)的隧道智能照明控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 系統(tǒng)主要由智慧隧道監(jiān)控與運營服務(wù)平臺、 系統(tǒng)主控制器、LoRa 無線協(xié)調(diào)器、LoRa 無線單燈控制器和LED 照明燈具組成，圖中n 表示主控制器控制的無線網(wǎng)絡(luò)個數(shù)、L1表示第一個LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)的大小、Ln 表示第n 個LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)的大小。 系統(tǒng)主控制器采用工業(yè)控制計算機或者PLC 控制器，通過RS485 總線與n 臺無線協(xié)調(diào)器連接，構(gòu)成隧道管理所級別的LoRa 無線隧道智能照明控制系統(tǒng)。

2.2 LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)拓撲

LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，無線協(xié)調(diào)器通過組建LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)， 可實現(xiàn)與同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有無線單燈控制器的數(shù)據(jù)通信， 實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)采集、燈具0～10V 智能調(diào)光和單燈電源開關(guān)控制。 整個無線網(wǎng)絡(luò)具備通信距離遠和抗干擾能力強的優(yōu)點，增加了隧道智能照明系統(tǒng)的可靠性。 LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓撲如圖2 所示，采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 整個無線網(wǎng)絡(luò)由無線協(xié)調(diào)器和各個無線單燈控制器組成，協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點， 各個無線單燈控制器直接與之進行無線通信，不需要路由轉(zhuǎn)接。 星型網(wǎng)絡(luò)拓撲具有以下優(yōu)點[10]：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，容易管理維護；

（2）重新配置靈活；

（3）方便故障檢測與隔離；

（4）控制簡單，便于建網(wǎng)；

（5）網(wǎng)絡(luò)延遲時間較小，傳輸誤差較低。

圖2 LoRa 無線星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

無線協(xié)調(diào)器向每個無線單燈控制器發(fā)送控制命令時，采用廣播方式進行數(shù)據(jù)發(fā)送，同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有無線單燈控制器均接收該命令，并予以解析。若收到的命令中地址域的ID 為本無線單燈控制器ID， 則無線單燈控制器對命令進行校驗。 若校驗正確，則根據(jù)命令中功能碼、數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)動作， 否則， 單燈控制器對該命令不予理睬。當命令是采集燈具故障信息時，無線協(xié)調(diào)器采用輪詢的方式訪問每個無線單燈控制器， 可有效地防止數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿矶?，提高了通信效率?/p>

3 系統(tǒng)各部分的功能

（1）智慧隧道監(jiān)控與運營服務(wù)平臺：由多個隧道控制系統(tǒng)通過專網(wǎng)組成， 平臺可以實現(xiàn)對區(qū)域所管轄隧道運行狀態(tài)的全局監(jiān)管，完成隧道能耗分析、機電設(shè)備故障報警統(tǒng)計分析、 隧道機電設(shè)備資產(chǎn)管理和隧道機電設(shè)備健康狀態(tài)評估預測。還可形成隧道營運與調(diào)度策略，減少或不需要隧道人工排查， 有利于及時地維護與檢修燈具和風機等設(shè)備， 有效減少因照明設(shè)備故障維護不及時對交通運行安全的影響。 智慧隧道監(jiān)控與運營服務(wù)平臺的首頁效果如圖3 所示。

圖3 智慧隧道監(jiān)控與運營服務(wù)平臺首頁

（2）系統(tǒng)主控制器：主控制器可以實時采集隧道環(huán)境信息，如實時車流量、車速、洞外亮度、氣候和時間等參數(shù)，其調(diào)光控制策略有四種運行模式：手動模式、智能模式（默認模式）、時序模式和故障應(yīng)急模式，各模式的功能如下：

①手動模式： 主要在隧道現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試或檢修時使用。 手動模式下可以對軟件界面各參數(shù)（包括時間參數(shù)、亮度參數(shù)回路開關(guān)等）進行設(shè)置，其他模式切換至手動模式可以實現(xiàn)無縫切換， 使隧道內(nèi)照明亮度在保持之前照明狀態(tài)的情況下進行手動設(shè)置。

②智能模式：主控制器運行日出日落時間算法，早上當洞外亮度高于一定閥值時自動開啟所有的加強照明回路， 晚上當洞外亮度低于一定閥值時自動關(guān)閉所有的加強照明回路。 此外， 主控制器根據(jù)隧道環(huán)境信息和LED燈具的衰減特性設(shè)計一種自適應(yīng)調(diào)光算法─變步長增量式調(diào)光算法， 當車檢器在一定時間內(nèi)未檢測到有車輛進入隧道時自動將亮度調(diào)至最暗， 當檢測到有車輛進入時則快速采用自適應(yīng)調(diào)光算法將洞內(nèi)亮度調(diào)到需求值。 當洞外亮度儀發(fā)生故障或出現(xiàn)其他異常情況導致洞外亮度信號值有異常時，系統(tǒng)會自動切換到時序模式。

③時序模式： 系統(tǒng)會按照預設(shè)的時間段和亮度級別調(diào)節(jié)加強照明亮度，在智能模式不能正常工作的情況下，各控制器將按照時序模式運行。 時序運行模式根據(jù)歷史車輛量信息和白晝規(guī)律事先進行設(shè)置。

④故障應(yīng)急模式： 所有的加強照明回路和基本照明回路全部開啟， 加強照明燈具和基本照明燈具都按最大功率輸出。 同時在軟件界面上能手動開啟和關(guān)閉各照明回路，該模式用于檢修或其他緊急情況下使用。

另一方面， 主控制器通過RS485 串口通信向LoRa無線協(xié)調(diào)器發(fā)送隧道燈具調(diào)光、 電源控制和故障檢測命令， 并由無線協(xié)調(diào)器無線轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的命令給各個無線單燈控制器， 對燈具進行控制和采集各燈具運行狀態(tài)與故障信息。 同時，主控制器與隧道配電系統(tǒng)通信，采集配電參數(shù)，完成相應(yīng)功能。主控制器還可通過互聯(lián)網(wǎng)與智慧隧道監(jiān)控與運營服務(wù)平臺通信，組成高級監(jiān)管平臺與系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道遠程監(jiān)管。

（3）LoRa 無線協(xié)調(diào)器。 LoRa 無線協(xié)調(diào)器具備三大功能：通過RS485 總線接收上位機發(fā)來的命令或者返回燈具和無線單燈控制器的故障狀態(tài)信息；創(chuàng)建LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)自動修改無線單燈控制器的ID 號、組號和網(wǎng)絡(luò)號等組網(wǎng)參數(shù)； 與所在網(wǎng)絡(luò)中的每個無線單燈控制器進行無線通信，發(fā)布單燈或者群燈的調(diào)光命令、電源控制命令、燈具故障檢測命令，獲取燈具運行狀態(tài)和故障信息。

（4）LoRa 無線單燈控制器：通過LoRa 無線通信方式與無線協(xié)調(diào)器進行通信， 解析并處理無線協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制命令， 根據(jù)命令解析結(jié)果， 相應(yīng)地完成對所連LED燈具的調(diào)光控制、電源開關(guān)控制，或者返回燈具故障狀態(tài)值與定位數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用分析

自2019 年元月20 日至2019 年3 月31 日， 寧德沈海線吳樓隧道使用基于LoRa 無線技術(shù)的隧道智能照明控制系統(tǒng)進行改造試點， 隧道由隧道照明智能控制柜和隧道LoRa 無線協(xié)調(diào)器、無線單燈控制器組網(wǎng)構(gòu)成獨立的隧道照明智能控制系統(tǒng)， 實現(xiàn)了隧道的單燈無級調(diào)光控制、開關(guān)控制和燈具故障智能巡檢功能，實現(xiàn)了受洞內(nèi)外照度變化、車流量變化控制的隧道加強照明智能調(diào)光；且以隧道管理所為單元， 部署了智慧隧道照明監(jiān)控與運營服務(wù)平臺。 該平臺通過光纖互聯(lián)隧道管理所下轄的所有隧道照明智能控制系統(tǒng)， 構(gòu)建了隧道管理所隧道照明局域網(wǎng)，實現(xiàn)了固定資產(chǎn)、能耗、隧道運行信息的統(tǒng)一管理、實時監(jiān)控，產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效果。

4.1 應(yīng)用效果

吳樓采用雙向四車道高速公路標準建設(shè)。 本次改造采用可以進行無級調(diào)光的LED 照明燈具， 調(diào)光范圍寬，可較好地進行智能控制。照明效果如圖4 所示，其顯示的是對燈具進行單燈控制后的效果，采用LoRa 無線單燈調(diào)光控制， 加強燈從洞口經(jīng)過渡段到基本段所產(chǎn)生的洞內(nèi)亮度可呈現(xiàn)非常舒適柔和的由亮到暗的變化。 當隧道內(nèi)所有的加強照明燈具均調(diào)至最暗仍不能使亮度降低到要求時， 本系統(tǒng)通過單燈控制可實現(xiàn)加強照明燈具間隔開燈調(diào)光運行，如圖5 所示吳樓隧道照明效果。相比于傳統(tǒng)的關(guān)斷一半加強照明回路方式， 單燈控制的加強照明燈具間隔開燈調(diào)光運行在節(jié)能的同時， 能保證道路表面的亮度均勻度，給駕駛員提供一個舒適的行車環(huán)境。

圖4 吳樓隧道LoRa 無線單燈調(diào)光控制照明效果

圖5 吳樓隧道加強照明燈具間隔開燈調(diào)光運行照明效果

4.2 節(jié)能分析

2019 年10 月10 日， 為了分析LoRa 無線隧道智能照明控制系統(tǒng)運行的節(jié)能效果， 由寧德高速公路管理處提供了隧道總長度、 燈具安裝數(shù)量相近的吳樓高速公路隧道和使用高壓鈉燈具的徐江、 馬頭崗高速公路隧道照明系統(tǒng)2019 年4～9 月份電費對比，如表1 所示。

表1 三個隧道照明系統(tǒng)電費對比

由表1 可以看出，吳樓隧道基于LoRa 無線技術(shù)的隧道智能照明控制系統(tǒng)的節(jié)能效益顯著。

5 總結(jié)

本文基于LoRa 無線技術(shù)研究設(shè)計了隧道智能照明控制系統(tǒng)，根據(jù)隧道特點及其實際的功能需求，設(shè)計開發(fā)了智慧隧道監(jiān)控與運營服務(wù)平臺、 智能控制柜、LoRa 無線協(xié)調(diào)器和無線單燈控制器， 實現(xiàn)了隧道按需照明和實時獲取隧道交通及機電設(shè)備的運行狀態(tài)， 既保障了隧道行車安全，又降低了隧道電能消耗；同時還實現(xiàn)了對區(qū)域所轄隧道運行狀態(tài)的全局監(jiān)管， 完成了隧道能耗分析和機電設(shè)備的故障報警統(tǒng)計分析、 資產(chǎn)管理及健康狀態(tài)評估預測，形成了隧道營運與調(diào)度策略，可減少或不需要隧道人工排查，有利于及時地維護與檢修燈具，有效減少因照明設(shè)備故障維護不及時對交通運行安全的影響。 系統(tǒng)在多條隧道中的實際運行效果驗證了系統(tǒng)的有效性和可靠性，該系統(tǒng)具有實際工程應(yīng)用價值。

隧道照明是隧道設(shè)計及道路設(shè)計中的一個重要組成部分，對安全行車及降低能耗有著至關(guān)重要的作用，而照明控制系統(tǒng)的好壞直接影響到隧道照明效果及節(jié)能效果。傳統(tǒng)的采用鈉燈燈具的路燈照明項目中，一般都依靠開關(guān)加強照明燈具進行調(diào)光，如通過時鐘控制、光敏開關(guān)或者手動控制來開關(guān)加強照明燈具來調(diào)整照度， 即使有些工程采用了調(diào)光控制， 但也僅限于有限的幾級調(diào)光控制，如變功率鎮(zhèn)流器或者整體調(diào)壓；這些調(diào)光控制方式不僅無法滿足照度的調(diào)整控制要求 （入口段等路段照度無法與外界實際照度相匹配），而且節(jié)能效果也無法滿足要求，存在大量的能源浪費。 隨著LED 照明技術(shù)的不斷發(fā)展成熟， 智能化控制系統(tǒng)及設(shè)備不停的更新?lián)Q代， 給照明、調(diào)光、控制等提供了越來越多的可能性，相應(yīng)地，隧道照明的控制系統(tǒng)也有了巨大的改變， 不再局限于過去簡單而低效的控制方式。 相信不久的將來會有更先進完善的控制及照明方式出現(xiàn)，點亮我們的生活，讓我們的世界更加璀璨。