基于優(yōu)化布燈參數(shù)模型和CAN的隧道照明系統(tǒng)研究

摘要：眾所周知，中國的隧道數(shù)量龐大，有效的隧道照明是保證行車安全的關(guān)鍵。而在目前的隧道照明系統(tǒng)中，存在很多的問題，如技術(shù)單一，耗能高，造成環(huán)境壓力加大，高昂的造價(jià)也浪費(fèi)了國家的財(cái)政資源，另外，由于人類視覺適應(yīng)的滯后現(xiàn)象等因素的影響，隧道安全也成為人們及其重視的問題。在此背景下，研究出一套節(jié)能環(huán)保，安全又經(jīng)濟(jì)的照明系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)社會(huì)的意義而言是及其重要的。本文筆者將依托相關(guān)技術(shù)模型分析新型的隧道布燈及智能控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：布燈參數(shù)優(yōu)化模型;CAN總線;無極調(diào)光控制系統(tǒng)

1 隧道照明智能控制系統(tǒng)的必要性

1.1 背景概述

隨著我國城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，在西部多山地區(qū)連接農(nóng)村與城鎮(zhèn)的隧道成為人們主要的交通方式。然而我國目前隧道交通安全事故頻發(fā)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，其主要原因在于隧道照明布置不合理及在較大的節(jié)能驅(qū)動(dòng)下隧道控制單位減半開燈。目前，我國高速公路隧道照明系統(tǒng)普遍采用以車速、車流量最大值來確定隧道亮度的模式，這種照明方式電能消耗大，如全國第一長的高速公路隧道—西康高速公路秦嶺終南山隧道（雙洞）總長 18020m，每年的電費(fèi)在 1800 萬元左右。隧道用電成為高速公路運(yùn)營管理部門的一筆沉重的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也對(duì)“國家節(jié)能減排戰(zhàn)略”的實(shí)施帶來不積極的影響。所以如何在確保行車安全的同時(shí)降低隧道照明能耗，已成為隧道科研設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營單位亟需解決的問題。為解決這一問題，我們可以研究基于優(yōu)化的布燈參數(shù)和 CAN 總線的智能控制技術(shù)，在優(yōu)化布燈參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，優(yōu)化行車照明條件，實(shí)現(xiàn)隧道照明的自動(dòng)控制，達(dá)到隧道節(jié)能最大化的目的。

1.2 國家戰(zhàn)略分析

國家《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中指出，要突出抓好工業(yè)、建筑、交通、公共機(jī)構(gòu)等重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)用能單位節(jié)能，大幅提高能源利用效率，有效減少主要污染物排放總量。在建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的背景下，高速公路隧道建設(shè)部門作為重要的交通通道和公共服務(wù)設(shè)施應(yīng)當(dāng)做好相應(yīng)的節(jié)能減排工作。

2隧道照明控制系統(tǒng)的研究

2.1研究方向的確定

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展以及推廣，國內(nèi)外在隧道照明控制方面的研究也隨之發(fā)展。隧道照明節(jié)能光源的研究主要在兩方面：其一是通過對(duì)比不同光源性能來選擇合適的照明燈具;其二是對(duì)隧道照明燈源的配光曲線進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)。

依據(jù)配光曲線設(shè)計(jì)的 LED 比傳統(tǒng)的 LED 節(jié)能 12%，因此我們將LED燈作為我們的照明燈具。另外，在隧道建設(shè)中，隧道通信方式的選擇對(duì)隧道的建設(shè)成本具有一定的影響，同時(shí)還將影響隧道的智能化程度。電力線不僅可以為照明系統(tǒng)提供電源 ，同時(shí)也可作為通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)，目前國內(nèi)外的隧道照明通信網(wǎng)絡(luò)主要有 LonWorks 總線、傳統(tǒng)的 RS485 總線、高效的 CAN 總線以及無線或者物聯(lián)網(wǎng)等。 CAN 總線具有傳輸距離遠(yuǎn)、通信速度快以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)多等特點(diǎn)，利用CAN總線實(shí)現(xiàn)了隧道照明的全線智能通信控制。隨著 CAN 總線的應(yīng)用及開發(fā)，CAN 總線目前尚未形成統(tǒng)一的高層協(xié)議，而對(duì)于不同的高層協(xié)議，其通信能力各不一樣。 因此，隨著 CAN 總線的發(fā)展，CAN 高層協(xié)議是未來隧道通信協(xié)議研究的重點(diǎn)方向。

2.2 技術(shù)核心

該系統(tǒng)基于綠色、節(jié)能、環(huán)保等出發(fā)點(diǎn)，在現(xiàn)有布燈方式及布燈參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行布燈參數(shù)的優(yōu)化，通過計(jì)算建立優(yōu)化布燈參數(shù)模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于CAN總線的無極調(diào)光控制系統(tǒng)，采用一種基于布燈參數(shù)優(yōu)化模型和CAN總線的照明控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)隧道照明的節(jié)能控制需求。

2.2.1布燈參數(shù)優(yōu)化模型

在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，通過研究布燈方式、布燈間距等可能影響節(jié)能照明的因素，建立一種布燈參數(shù)優(yōu)化模型，并通過DIAlux進(jìn)行3D建模，模擬現(xiàn)實(shí)隧道環(huán)境的照明節(jié)能效果。經(jīng)過建模計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用中央布置方式時(shí)，隧道路面照度、亮度及亮度均勻度最高，照明效果最好，交錯(cuò)布置方式照明效果次之、對(duì)稱布置照明效果最差，考慮節(jié)能要求，可以采用中央布置方式，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2 CAN總線控制系統(tǒng)

在布燈參數(shù)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，基于隧道布燈參數(shù)優(yōu)化的節(jié)能技術(shù)，加入了CAN總線控制照明模塊，使該系統(tǒng)能夠根據(jù)運(yùn)營中實(shí)測(cè)路面最小照度值，調(diào)整燈具輸出功率，使隧道內(nèi)照度始終可以滿足照明需求。選用 CAN 總線構(gòu)建隧道照明通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)隧道各段不同照明的目標(biāo)。 經(jīng)隧道布燈參數(shù)優(yōu)化后可得隧道各區(qū)段需求亮度模型，而該模型依據(jù)傳感器測(cè)量的車速、車流量以及洞外亮度值，通過照明控制計(jì)算機(jī)計(jì)算出隧道內(nèi)各區(qū)段所需照明亮度。結(jié)合隧道 LED 燈光衰曲線，對(duì)隧道各段 LED 燈實(shí)際照明功率進(jìn)行調(diào)整。 照明控制計(jì)算機(jī)通過 CAN 總線將照明控制指令傳輸至照明系統(tǒng)的各個(gè)燈具節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)依據(jù) CAN 控制器節(jié)點(diǎn)編碼判斷該指令是否符合接收要求，CAN 控制器將接收的照明控制指令傳輸至燈具節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的調(diào)光控制器， 調(diào)光控制器根據(jù)照明控制指令控制 LED 驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 燈的無極調(diào)光控制。

這樣，布燈參數(shù)優(yōu)化與智能控制相結(jié)合，就能在布燈參數(shù)優(yōu)化帶來 1 次節(jié)能的基礎(chǔ)上，再通過智能控制實(shí)現(xiàn)第 2 次節(jié)能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的最大化。

3 結(jié)語

總之，本系統(tǒng)目前通過提供一種新型的隧道照明裝置系統(tǒng)，一方面使隧道布燈科學(xué)化，合理化，使隧道駕駛過程更為安全，另一方面綠色節(jié)能環(huán)保，符合國家“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略要求，投入市場(chǎng)使用后預(yù)計(jì)會(huì)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和隧道照明領(lǐng)域的進(jìn)一步研發(fā)也具有重大意義。

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作者簡(jiǎn)介：岳銘慧（1999-），女，籍貫：河南省安陽市，本科，研究方向：國際經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易