高速公路隧道照明節(jié)能控制措施研究

張磊

（貴陽電氣控制設(shè)備有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

在高速公路的隧道照明節(jié)能控制過程中，應(yīng)重點根據(jù)隧道照明系統(tǒng)的特點和隧道的實際情況，制定較為完善的節(jié)能控制方案，開發(fā)專門的軟件系統(tǒng)，增強照明節(jié)能控制的有效性和可靠性，合理選擇具有節(jié)能特點的燈具設(shè)備，減少高速公路隧道照明的能源和資源消耗量，有效預(yù)防能源損耗問題，提升節(jié)能水平。

1 高速公路隧道照明系統(tǒng)分析

1.1 隧道入口照明系統(tǒng)

高速公路的隧道照明系統(tǒng)和普通道路的照明系統(tǒng)存在一定的差異，隧道照明系統(tǒng)需要全天24h 開啟，使駕駛員在進入光線較暗的隧道之后，能夠獲得充足的視覺信息，準確辨識行車方向，避免發(fā)生交通事故。隧道入口區(qū)域的照明系統(tǒng)，指的是駕駛員從隧道外高照度的環(huán)境，進入隧道內(nèi)照度較低的環(huán)境，所需要的照明系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由臨界部分、緩和部分和變動部分組合而成。其中，臨界部分的作用在于使駕駛員在接近隧道的過程中消除黑洞效應(yīng)，準確辨識行車方向，及時了解和發(fā)現(xiàn)前方障礙物；緩和部分的作用在于緩和照明亮度，讓駕駛員進入隧道之后能夠快速適應(yīng)亮度下降的環(huán)境；變動部分則是指照度循序漸進下降的區(qū)間。

1.2 隧道內(nèi)部照明系統(tǒng)

無論晝夜，隧道內(nèi)的道路環(huán)境與行車視覺影響，都與普通公路有所不同。主要是因為在隧道內(nèi)，汽車行駛過程中所排放的廢氣難以快速消散，會形成很大的煙霧，不僅會吸收車前燈光線，降低車燈的照度，還會發(fā)生光線散射的問題，形成光幕，導(dǎo)致駕駛員難以了解前方障礙物的情況，降低視覺能力。因此，在高速公路的隧道照明系統(tǒng)設(shè)計中，需要結(jié)合設(shè)計車速對照度的需求，嚴格控制照明亮度，如表1 所示。

表1 高速公路隧道內(nèi)照明亮度的控制

2 高速公路隧道照明節(jié)能問題

2.1 節(jié)能控制設(shè)計不合理

我國的高速公路隧道照明系統(tǒng)主要分為分級類型、手動類型和分時間類型幾種。其中，分級類型控制方式較為常見，以車輛流量特點、氣候特點、隧道外光度特點等劃分級別進行照明控制，結(jié)合隧道內(nèi)外的光線強度信息與車流量信息，控制隧道內(nèi)的光照強度，避免光線不足引發(fā)駕駛員視覺障礙問題，以降低交通安全事故的發(fā)生率。但是，在此類隧道照明系統(tǒng)設(shè)計中，由于沒有按照實際情況，科學(xué)、合理地進行節(jié)能控制設(shè)計，僅根據(jù)每年最高車流量和最高照明亮度設(shè)計照明系統(tǒng)，很容易出現(xiàn)能源浪費的問題。除此之外，在照明系統(tǒng)的設(shè)計方面，由于線路的分布回路存在限制，只能設(shè)置二級到三級人工控制方式與自動控制方式，在天氣參數(shù)、車輛行駛速度、車流量數(shù)據(jù)等方面，所設(shè)置的都是最高數(shù)據(jù)值，隧道內(nèi)的照明度也處于最大值，難以自適應(yīng)進行照明，存在比較嚴重的電力能源浪費問題。

2.2 照明系統(tǒng)的問題

為有效保證隧道內(nèi)的行車安全性，目前國家已經(jīng)提出了高速公路隧道內(nèi)不同階段照明平均照度數(shù)據(jù)值的規(guī)定標準，但是由于整體照明系統(tǒng)會受到燈具設(shè)備、道路走向、路面狀態(tài)和隧道壁反射等因素的影響，出現(xiàn)了照明平均照度數(shù)據(jù)值計算的難題，如果不能科學(xué)合理地計算各類數(shù)據(jù)值，則會導(dǎo)致整體照明系統(tǒng)的設(shè)計不符合標準。一方面，由于照明系統(tǒng)的平均照度設(shè)計值計算不準確，不能科學(xué)合理地設(shè)計照明系統(tǒng)，使得項目建設(shè)的成本過高;另一方面，系統(tǒng)在投入使用后，運營能源消耗量大，后續(xù)維護維修的費用較高，難以滿足節(jié)能環(huán)保的需求。

除此之外，在對隧道照明系統(tǒng)進行節(jié)能控制的過程中，沒有制定完善的節(jié)能控制方案，缺乏健全的管理模式和控制機制，難以切實根據(jù)照明系統(tǒng)的特點和隧道的情況，針對性地開展各項節(jié)能控制工作，不能通過現(xiàn)代化的節(jié)能控制方式和手段避免能源浪費和資源損耗的問題，這不利于隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能發(fā)展。

3 高速公路隧道照明節(jié)能控制措施

3.1 構(gòu)建照明管理系統(tǒng)

當(dāng)前，我國高速公路隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能控制，主要采用時間控制器進行處理，設(shè)定白天與夜晚開燈的時間，而在一年中，白天與夜晚的時間變化存在一定的差異，如果設(shè)定固定的時間范圍，不結(jié)合隧道內(nèi)與隧道外的照度比數(shù)據(jù)值進行合理控制，亦會引發(fā)電力能源浪費的問題，而管理人員經(jīng)常到現(xiàn)場調(diào)整時間控制器的時間參數(shù)，則會浪費大量的人工成本。因此，在隧道照明系統(tǒng)節(jié)能控制中，應(yīng)以降低成本、減少照明期間的能源消耗量為目標，構(gòu)建相應(yīng)的照明管理系統(tǒng)，按照隧道車輛速度特點、車輛流量特點和隧道外的光照特點等，科學(xué)設(shè)定隧道照明的數(shù)據(jù)值，在保證車輛行駛安全的基礎(chǔ)上，提升隧道照明系統(tǒng)運行的高效性和節(jié)能性。例如，構(gòu)建能夠進行隧道外亮度數(shù)據(jù)檢測、車輛行駛速度檢測與車輛流量檢測的隧道照明管理系統(tǒng)，同時配置照明節(jié)能控制器設(shè)備，開發(fā)相應(yīng)的照明節(jié)能控制系統(tǒng)，根據(jù)交通參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，自動調(diào)整照明設(shè)備的亮度，有效避免能源損耗問題和行車安全問題。

3.2 明確照明設(shè)計標準值

在高速公路隧道內(nèi)車流量與行車速度固定的狀態(tài)下，在照明系統(tǒng)的節(jié)能控制方面，需要根據(jù)隧道外亮度的數(shù)據(jù)值明確入口階段和過渡階段的照明亮度。主要是由于隧道外的光照亮度會受到季節(jié)因素、時間因素、洞口朝向因素和綠化植被因素等多方面因素的影響，在上述因素發(fā)生改變的情況下，隧道外的亮度數(shù)據(jù)值會隨之發(fā)生變化，會對隧道內(nèi)照明系統(tǒng)的電力能源消耗量產(chǎn)生直接影響。所以，在實際工作中應(yīng)注重做好實地調(diào)查、實地測量、照明系統(tǒng)理論研究和光氣候理論分析等方面的工作，結(jié)合隧道外植被的狀況、光氣候的特點等，更精準地確定隧道入口階段照明亮度的數(shù)據(jù)值，結(jié)合環(huán)境特點和交通參數(shù)特點等進行節(jié)能設(shè)計，以有效降低能源消耗。

3.3 合理進行燈源和燈具的選擇

近年來，我國在高速公路隧道燈具設(shè)備的選擇方面，多使用熒光燈、高壓鈉燈、白熾燈、低壓鈉燈等設(shè)備，不僅光帶很窄，配光質(zhì)量也不高，還存在能源消耗量大和使用壽命短等問題，尤其是在應(yīng)用高壓鈉燈設(shè)備的過程中，該設(shè)備發(fā)出的光為黃色，視覺效果不是很好。為此，在高速公路隧道照明節(jié)能控制中，應(yīng)結(jié)合隧道的具體情況，科學(xué)、合理地選擇燈源與燈具設(shè)備。第一，建議使用現(xiàn)代化的照明燈具設(shè)備，如LED燈具或是無極燈具，將此類照明設(shè)備運用到隧道照明系統(tǒng)中，不僅能夠準確控制燈具的光通量、顯色性和光色，且這類設(shè)備本身的使用壽命也較長，能夠大幅度降低后續(xù)的維護維修成本。第二，在選擇隧道照明燈源的過程中，應(yīng)在現(xiàn)場區(qū)域使用金屬鹵化物燈設(shè)備、電磁感應(yīng)燈設(shè)備、節(jié)能燈設(shè)備和LED 燈設(shè)備等進行實地試驗，通過反復(fù)試驗分析，篩選出最佳的燈源設(shè)備，保證隧道的照明效果，保證駕駛員的安全性，同時有效避免電能資源浪費的問題。

3.4 節(jié)能控制軟件的設(shè)計

要想有效進行高速公路隧道照明的節(jié)能控制，不僅要合理選擇燈具和燈源，科學(xué)設(shè)置光照數(shù)據(jù)值，還要借助現(xiàn)代化信息技術(shù)設(shè)計節(jié)能控制軟件，全面進行對數(shù)據(jù)信息的采集分析，有效進行各個串口通信，高效完成對照明的節(jié)能控制。

3.4.1 軟件設(shè)計思路

在隧道照明節(jié)能控制軟件架構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)重點將DSP 硬件作為基礎(chǔ)部分，實時檢測各個端口的電平，設(shè)置能夠檢測隧道內(nèi)車輛行駛參數(shù)的單紅外反射傳感器設(shè)備，準確采集各類脈沖信號，同時配置傳輸脈沖信號的通信系統(tǒng)與收集脈沖信號的主控制單元，由主控制單元進行數(shù)據(jù)計算和信號處理，實時分析車輛行駛的位置，對照明信號發(fā)生器進行控制，最終達到節(jié)能調(diào)控照明設(shè)備燈光的目的。需要注意的是，隧道照明節(jié)能控制軟件應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法與模塊化設(shè)計方法。第一，設(shè)計能夠自我檢查、系統(tǒng)初始化處理、調(diào)用不同模塊功能、具備通道選擇功能的主程序模塊，同時設(shè)計能夠進行脈沖信號采集與分析的數(shù)據(jù)采集模塊、脈沖信號誤差修正的處理模塊。第二，設(shè)計能夠進行車輛檢測單元信號分析的故障診斷模塊，準確判斷隧道照明系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障情況。第三，設(shè)計可以按照系統(tǒng)控制需求使用繼電器設(shè)備進行照明燈具控制的實時性控制模塊。第四，設(shè)計可以連接通信接口和上位機監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信模塊，用來采集、接收上位機設(shè)備所發(fā)出的命令信息，同時向上位機設(shè)備反饋照明控制成功與否的數(shù)據(jù)、各個節(jié)點控制器應(yīng)用性能的數(shù)據(jù)。

3.4.2 完善軟件程序設(shè)計模式

以車輛行駛位置為基礎(chǔ)的隧道照明節(jié)能控制軟件開發(fā)，應(yīng)合理選擇軟件集成性開發(fā)環(huán)境平臺，使用C 語言程序編寫功能模塊，完善、優(yōu)化各類軟件程序，確保通過軟件程序提升隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能控制效果。

（1）主程序的合理設(shè)計

在主程序設(shè)計過程中，主要采用以云模型為基礎(chǔ)的隧道車輛位置估計算法技術(shù)，根據(jù)隧道內(nèi)車輛的行駛情況和照明需求等，進行照明系統(tǒng)的節(jié)能控制。在軟件主程序啟動之后的接通電源階段，自動進行自我檢查，明確是否存在組件故障問題，在程序處于正常狀態(tài)的情況下進行初始化，如果程序有異常問題就要先處理故障，退出主程序，直到程序處于正常狀態(tài)才能進行初始化；完成初始化以后，主程序?qū)λ淼纼?nèi)的車輛進行檢測分析，調(diào)用脈沖信號采集模塊，準確估算車輛行駛的速度，數(shù)據(jù)采集完成后調(diào)用車輛位置估計模塊，估計車輛行駛位置，將車輛位置誤差控制在1%之內(nèi)，修正誤差后啟動車輛行駛區(qū)域的照明系統(tǒng)，在距離車輛200m 的周圍進行延時照明。

（2）合理設(shè)計車輛行駛數(shù)據(jù)采集程序

該程序設(shè)計的主要目的是對行駛車輛的數(shù)據(jù)信息進行實時化采集、分析，利用A/D 轉(zhuǎn)換的方式測量，在實時性采集數(shù)據(jù)信息的同時，對數(shù)據(jù)進行濾波處理、對比放大處理與A/D 轉(zhuǎn)換處理。如果系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息采集的速率要求很高，而A/D 轉(zhuǎn)換的時間較長，頻繁性對A/D 轉(zhuǎn)換形式進行改變，會影響數(shù)據(jù)測量的精確度受。所以，在軟件設(shè)計過程中，應(yīng)保證系統(tǒng)從通電開始就使A/D 轉(zhuǎn)換與時鐘電路運行。數(shù)據(jù)信息采集軟件通電之后需要進行自我檢查，如果軟件沒有故障問題，則要先實現(xiàn)串口模塊與DSP 模塊的初始化，設(shè)置中斷向量之后，利用通信接口完成車輛檢測器設(shè)備的初始化處理，設(shè)置A/D 采樣的通道，之后啟動檢測器采集數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息存儲到系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)送中斷信號，使軟件的運行中斷，對數(shù)據(jù)信息進行處理之后利用串行通信接口，將數(shù)據(jù)傳送到上位機設(shè)備。

（3）車輛位置估算的云模型軟件設(shè)計

以云模型為基礎(chǔ)對高速公路隧道內(nèi)的車輛位置進行準確的估算分析，能夠為照明系統(tǒng)節(jié)能控制程序的良好運行提供保障。在軟件程序設(shè)計過程中，需要實現(xiàn)對隧道內(nèi)行駛車輛的位置進行檢測，同時保證檢測結(jié)果的精確度，在位置數(shù)據(jù)精確度符合要求的情況下，進行照明系統(tǒng)節(jié)能控制。如果位置檢測數(shù)據(jù)信息不準確，可利用云模型修正車輛位置檢測數(shù)據(jù)的誤差，通過正向云發(fā)生器與逆向云發(fā)生器的有機整合，準確處理車輛通過線圈過程中的時間間隔數(shù)據(jù)信息，獲得數(shù)據(jù)特征指標，生成相應(yīng)的云滴，聚集成為云團，以此確保車輛位置和行駛速度估計數(shù)據(jù)值的精確性。其間，還需合理設(shè)計云推理模型，按照車輛行駛的速度與時間等，估計車輛行駛位置，之后向系統(tǒng)輸入速度數(shù)據(jù)值，利用云模型車輛行駛速度估計算法技術(shù)，推算速度數(shù)據(jù)值的數(shù)字特征，由此結(jié)合車輛行駛速度估算車輛行駛位置。在車輛行駛時間估算分析過程中，也可向系統(tǒng)內(nèi)傳輸時間數(shù)據(jù)值，明確數(shù)據(jù)值的數(shù)字特征，獲得能夠滿足各類條件下語音發(fā)生器的定量數(shù)據(jù)值，使用云推理技術(shù)準確估算車輛位置和行駛時間的數(shù)值，自動修正數(shù)據(jù)誤差。

（4）照明節(jié)能控制子程序軟件設(shè)計

在隧道照明節(jié)能控制子程序軟件設(shè)計過程中，主要使用繼電器控制照明設(shè)備，在系統(tǒng)前端全面采集車輛數(shù)據(jù)信息，之后通過DSP 模塊進行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送響應(yīng)動作的指令，實時控制照明設(shè)備的開啟和關(guān)閉，如果控制信號所輸出的是高電平，系統(tǒng)會自動吸合繼電器，如果輸出的是低電平，則自動斷開繼電器，以此達到對照明系統(tǒng)進行節(jié)能控制的目的。

4 結(jié)語

綜上所述，雖然我國在隧道照明節(jié)能控制方面已經(jīng)取得了一定的成績，但整體的節(jié)能控制效果仍需完善。因此，在高速公路隧道照明節(jié)能控制方面，需要進一步構(gòu)建完善的照明管理系統(tǒng)，合理設(shè)定標準值，科學(xué)選擇燈具設(shè)備和燈源，完善節(jié)能控制軟件設(shè)計，進而全面增強隧道照明系統(tǒng)節(jié)能控制的有效性和可靠性。