高速公路隧道照明系統(tǒng)智能控制技術(shù)

靳德富

摘要 針對傳統(tǒng)的隧道照明系統(tǒng)存在的照明亮度不均勻、耗電量大、對交通狀況缺乏反應(yīng)等問題，文章提出了一種基于智能控制技術(shù)的高速公路隧道照明系統(tǒng)。首先，通過對高速公路隧道照明需求的調(diào)研分析，確定了照明系統(tǒng)的基本要求。然后，設(shè)計了隧道照明智能控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)，該系統(tǒng)采用了多個傳感器以實時監(jiān)測隧道內(nèi)的環(huán)境變化和交通狀況。結(jié)果表明，該智能控制系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)照明系統(tǒng)存在的問題，避免了傳統(tǒng)照明系統(tǒng)存在的由于交通狀況變化而引發(fā)的亮度不均勻問題，顯著降低了能源消耗，提高了整個照明系統(tǒng)的能效。

關(guān)鍵詞 高速公路；隧道；照明系統(tǒng)；智能控制；系統(tǒng)架構(gòu)

中圖分類號 U453.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0005-03

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，我國的公路數(shù)量在不斷增多，公路道路網(wǎng)也在不斷往中西部地區(qū)發(fā)展，為了適應(yīng)高速公路不斷向中西部山區(qū)擴展的形勢，公路隧道路網(wǎng)的建設(shè)將變得尤為重要。隧道路段與露天開放公路路段不同，隧道是一個兩端開口、中間封閉的特殊管狀通道，隧道環(huán)境有著交通環(huán)境單調(diào)、內(nèi)外照明亮度差異大、能見度低、駕駛員會產(chǎn)生頻閃效應(yīng)、路面附著系數(shù)差異大等特點[1]。由于這種環(huán)境的特殊性，駕駛員在駛?cè)?、駛出隧道會比露天開放路段行車安全隱患更大，最典型的就是在車輛駛?cè)腭偝鏊淼莱鋈肟跁r，由于隧道洞內(nèi)外明暗差異過大，加之隧道是一個相對封閉的空間，駕駛員在高速行駛時視野相對狹窄；這些情況會使駕駛員形成所謂“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，這些效應(yīng)會造成駕駛員反應(yīng)時間變長、短時間內(nèi)判斷能力下降。同時，若此時隧道內(nèi)部光照環(huán)境不合理、內(nèi)外亮度差異過大，會伴隨形成“眩光效應(yīng)”，加劇視覺疲勞，容易引發(fā)交通事故[2]。

高速公路的隧道照明系統(tǒng)對行車安全以及提供舒適的視覺環(huán)境起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的隧道照明系統(tǒng)存在能耗高、靈活性差等問題，制約了其性能和效果。為了解決這些問題，該文提出了一種基于智能控制技術(shù)的高速公路隧道照明系統(tǒng)，通過引入智能控制技術(shù)，提高照明系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保性能，滿足不同用戶的需求，并提高照明系統(tǒng)的可靠性和靈活性[3]。

1 基于安全人機工程學的隧道調(diào)光理論研究

隧道洞外亮度，又稱隧道接近段亮度，是公路隧道照明設(shè)計的重要參數(shù)之一。目前國內(nèi)外對隧道洞外亮度的定義主要有兩種類型：一種是基于K值法的L20（s），以我國及日本等國為例；另一種則是基于察覺對比法（以及SRN法）的等效光幕亮度Lseq，以CIE及美國等為例[4]。根據(jù)我國現(xiàn)行的《公路隧道照明設(shè)計細則》標準規(guī)定，隧道在洞外的亮度是起點至洞口處20 °視場范圍內(nèi)整個環(huán)境的總體亮度，起點s為距離隧道洞口為L且距離地面1.5 m處，如圖1所示。洞外亮度主要通過查表法、黑度法和數(shù)碼相機拍照法進行確定。

L20（s）=γ×+Lc×β+LR+ξLE+τ×Lth （1）

式中，L20（s）、Lth——洞外亮度、入口段亮度（cd/m2）；

γ、β、ξ、τ——各種景物在20 °視場內(nèi)隧道洞外所占的面積百分比；Lc、LR、LE——隧道洞外各種景物的亮度[5]。

其中：

γ+β+τ<1 （2）

2 隧道照明檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

對已建成的隧道照明系統(tǒng)而言，可通過實施智能照明控制方案中的切變燈具功率實現(xiàn)隧道照明環(huán)境的智能調(diào)控。隧道照明控制系統(tǒng)主要由隧道照明系統(tǒng)總控制平臺、照明調(diào)光回路及照明燈具電路，以及洞外亮度、車流量監(jiān)測系統(tǒng)等組成。其中，洞外亮度、車流量檢測系統(tǒng)通過將采集到的隧道外界光照環(huán)境數(shù)據(jù)與車流量數(shù)據(jù)發(fā)送到控制平臺，控制平臺以此做出燈具調(diào)光策略并控制調(diào)光回路中的燈具功率大小，從而完成對燈具的單獨或集中控制[6]。

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

隧道照明的智能控制是為了實現(xiàn)隧道內(nèi)照明設(shè)施動態(tài)調(diào)光控制，以達到整個隧道光照環(huán)境安全、舒適、高效的目的。而要達到上述條件，隧道智能照明控制系統(tǒng)必須能夠根據(jù)隧道內(nèi)外各種環(huán)境的變化做出動態(tài)實時調(diào)整，從而保證整個隧道行車環(huán)境處在安全、舒適的區(qū)間。隧道洞外照度檢測裝置作為隧道智能照明控制系統(tǒng)的其中一環(huán)，實時采集公路隧道洞外的準確照度值并將照度數(shù)據(jù)傳輸至照明控制平臺。所以隧道洞外光照度監(jiān)測系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能有：

（1）通過安設(shè)在隧道洞外不同位置與不同任務(wù)的光照度傳感器，采集光照度數(shù)據(jù)并傳輸至系統(tǒng)現(xiàn)場配套的后臺。

（2）配套的軟件后臺能對傳輸回來的數(shù)據(jù)進行實時處理與優(yōu)化，并實現(xiàn)儲存功能。

（3）配套的軟件后臺能實現(xiàn)入口段調(diào)光曲線的設(shè)計。

（4）整套系統(tǒng)能將設(shè)計好的調(diào)光曲線打包傳輸至隧道智能照明系統(tǒng)總控制平臺。整個隧道洞外光照度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為三層，即感知層、中間層、處理層。感知層處于系統(tǒng)的最底層，由多組基于Zigbee的照度傳感模塊構(gòu)成，主要功能是利用光照度傳感器實現(xiàn)對光照度的實時采集、底層與中間層的信息交互。中間層是基于STM32 RCT6芯片設(shè)計的開發(fā)板，在滿足長時間工作的要求下，集成了數(shù)據(jù)采集、底層數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)對時等多個功能；利用單片機實現(xiàn)對照度傳感器的控制、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)儲存，然后得出符合實際的隨時間變化的照度數(shù)據(jù)；同時負責與處理層進行通信，將收集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機中。應(yīng)用層處于系統(tǒng)最上層，其主要是剔除照度異常數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)擬合算法對來自底層的數(shù)據(jù)進行最終處理，完成整個隧道環(huán)境照度監(jiān)測并進行數(shù)據(jù)存儲，以及人機交互等工作。整套隧道智能照明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

隧道洞外光照度檢測系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)在硬件設(shè)計上相互獨立，但互相之間需要進行數(shù)據(jù)傳輸、命令發(fā)送與執(zhí)行等通信任務(wù)，這就需要整體系統(tǒng)選擇合適的通信方式并構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。鑒于這三層結(jié)構(gòu)在實際工作時相隔距離較遠且有著單獨的任務(wù)，選擇無線通信技術(shù)更適應(yīng)整套系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過多個傳感器的組網(wǎng)方式感知某一特定區(qū)域的物理信息，然后通過無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進行匯總與外傳。無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、通信效率高、傳輸速度快，這些優(yōu)勢正是該文設(shè)計的系統(tǒng)所需的。現(xiàn)如今，技術(shù)發(fā)展較為成熟、應(yīng)用范圍較廣的近距離無線通信技術(shù)包括無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、超寬帶通（UXB）、信紅外線數(shù)據(jù)通信（IrDA）、藍牙、ZigBee等。無線局域網(wǎng)技術(shù)傳輸高效且經(jīng)濟性能好，但運行需要安設(shè)網(wǎng)線，成本高；藍牙與超寬帶通雖然通用性高，但傳輸距離過短（10 m以內(nèi)）；信紅外線數(shù)據(jù)通信連接便捷穩(wěn)定，但只適用于一對一通信。這些通信方式都與該文設(shè)計的系統(tǒng)需求不相符，因此與設(shè)計系統(tǒng)更加適配的無線通信技術(shù)是ZigBee。

因為ZigBee能夠做到一對多通信，因此在光照度檢測系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通信網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)器（Coordinator）安裝在處理層，作為整套網(wǎng)絡(luò)的最上層，主要負責控制通信網(wǎng)絡(luò)，對下位通信節(jié)點發(fā)送通信命令，同時實時接收下位通信節(jié)點傳輸過來的通信數(shù)據(jù)并進行分類儲存；通信網(wǎng)絡(luò)的路由器（Router）安裝在中間層，從功能上相當于傳感器節(jié)點之前的“信息交流紐帶”，一方面負責對傳感器節(jié)點和路由節(jié)點匯聚、傳送過來的數(shù)據(jù)進行高效接收，另一方面通過各種無線通信技術(shù)將所得數(shù)據(jù)上傳至上位機；終端節(jié)點（End Device）安裝在感知層中，主要負責采集區(qū)域數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

2.3 光感模塊電路設(shè)計

感知層的任務(wù)是接收上位通信層的命令，采集光照度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至中間層部分，在兩者通信時需要解決光照度傳感器支持的485通信信號轉(zhuǎn)換至STM32單片機支持的TTL通信信號這一任務(wù)。因此，光感模塊的電路應(yīng)設(shè)計一個通過485-TTL信號轉(zhuǎn)換的電路，同時加上ZigBee模塊與光照度傳感器的供電電路與電壓進行電路轉(zhuǎn)換。整套光照度傳感器的電路設(shè)計由電源（5 V）、GY-485-44009-485光照度傳感器、485-TTL信號模塊及轉(zhuǎn)換電路、降壓電路（5 V→3.3 V）、ZigBee無線通信模塊構(gòu)成。電源接口為整個模塊提供5 V的外置電源接口，光照傳感器的485信號A、B引腳分別連接485-TTL信號模塊的A、B引腳，485-TTL信號模塊TXD引腳與ZigBee模塊RXD引腳連接，RXD引腳與TXD引腳連接。當模塊工作時，光照傳感器讀取實際的光照度，通過無線通信將光照數(shù)據(jù)傳送至STM32芯片。

3 隧道照明系統(tǒng)驗證實驗

為測試隧道系統(tǒng)采集的光照度數(shù)據(jù)是否準確、系統(tǒng)是否按照設(shè)計運行，有必要對整個系統(tǒng)進行測試。測試過程如下：

（1）實測地點選在中心大樓樓前空地處，試驗設(shè)備為隧道光照度系統(tǒng)、TES-068型照度計。

（2）實驗時間選在上午8：00—8：30，此時天氣晴朗、光照充足且沒有云層遮蔽。實驗開始前在空地處選擇一處平坦且陽光照射的場地，在場地上安裝光感模塊，開始運行系統(tǒng)，記錄下30 min的光照度數(shù)據(jù)，同時測試人員每隔半分鐘用照度計在光感模塊的相鄰位置讀取光照度數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)束后導(dǎo)出系統(tǒng)的光照度數(shù)據(jù)，并與記錄數(shù)據(jù)進行對比，得出的對比如圖3所示。由圖3可以看出隧道照明系統(tǒng)能夠準確捕獲光照度數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)較為準確、誤差率低。其中，照度數(shù)據(jù)過高原因主要有傳感器受陽光直射、路過車輛燈光照射影響；照度數(shù)據(jù)過低原因有路過車輛或落葉遮蔽。如果通過保留異常數(shù)據(jù)，僅用原始測量數(shù)據(jù)進行調(diào)光，在調(diào)光時容易造成調(diào)光曲線的調(diào)光異常概率增高，加劇“黑洞效應(yīng)”與亮度跳變頻率等安全隱患。

4 結(jié)論

該文通過智能控制技術(shù)對高速公路隧道照明系統(tǒng)進行了研究。通過智能感知和自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，可以實現(xiàn)隧道照明系統(tǒng)的智能控制和節(jié)能優(yōu)化，提高照明系統(tǒng)的靈活性和可靠性。結(jié)果表明，該智能控制系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)照明系統(tǒng)存在的問題，并具有在實際應(yīng)用中推廣的潛力，為隧道照明系統(tǒng)的改進提供了有效參考，在實際應(yīng)用中具有重要的實際意義。

參考文獻

[1]《中國公路學報》編輯部. 中國交通隧道工程學術(shù)研究綜述·2022[J]. 中國公路學報， 2022（4）： 1-40.

[2]錢登朝， 康誠， 童孟勝， 等. 浙東地區(qū)公路隧道調(diào)光參數(shù)影響因素實測分析與調(diào)光控制探討[J]. 隧道建設(shè)（中英文）， 2018（4）： 558-563.

[3]肖青山. 基于視頻流的隧道洞外亮度測量與車輛檢測及其應(yīng)用[D]. 桂林：桂林電子科技大學， 2018.

[4]馬東強. 高速公路隧道照明研究[J]. 山西交通科技， 2017（2）： 78-83.

[5]劉默晗， 許仁杰， 陶雨棚， 等. 基于人眼視覺的隧道照明控制系統(tǒng)[J]. 上海電機學院學報， 2020（5）： 297-302.

[6]楊才. 高速公路隧道照明能耗監(jiān)測及節(jié)能算法研究[D]. 北京：北京交通大學， 2019.