基于智能感知技術(shù)的隧道照明按需控制系統(tǒng)設(shè)計

羅澤裕 劉書陶

摘要：車子進(jìn)入隧道后，司機(jī)視野中的強(qiáng)光會產(chǎn)生較大的視覺沖擊，存在較大的安全隱患，但若長時間固定亮度照明必然造成大量能源浪費(fèi)。為解決這一問題，文章設(shè)計了一套基于智能感知技術(shù)的隧道智慧照明按需控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)為嵌入式架構(gòu)，基于模糊控制算法和分級控制思想，選取了亮度間距可調(diào)節(jié)的LED隧道照明燈具，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三級實(shí)時控制，大大降低隧道照明耗電，并有效提升隧道行車安全。

關(guān)鍵詞：公路隧道；按需照明系統(tǒng)；節(jié)能控制；智能感知技術(shù)

中圖分類號：U453.7? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0183-03

0 引言

與一般道路燈光要求不同，高速公路隧道內(nèi)白天燈光的問題比較復(fù)雜?？茖W(xué)設(shè)置公路隧道照明，并調(diào)整其亮度模式和分配方式，可在保障隧道內(nèi)安全、舒適行駛的前提下，實(shí)現(xiàn)高速公路隧道控制的智能化、節(jié)能化［1］。

荔玉高速公路管轄路段地形非常特殊，隧道非常多，照明系統(tǒng)在工程初期設(shè)計時，沒有利用自然采光，在車流量較小的情況下，采用隧道出入口“長明燈”模式，未對照明亮度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，造成大量能源浪費(fèi)；且一般都是人工定時排查，在這種分布范圍非常廣的照明設(shè)備上，管理難度較大，常規(guī)維護(hù)成本較高。

道路智能感知技術(shù)是指利用雷達(dá)、攝像頭、亮度儀、能見度儀等各種傳感器和智能算法對道路周邊的交通環(huán)境進(jìn)行實(shí)時感知和分析的技術(shù)。通過感知車輛、行人、交通標(biāo)志、信號燈等道路要素等信息，提取車流量、車輛駕駛行為、路況信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為智能交通系統(tǒng)提供可靠的技術(shù)信息保障。

隧道照明系統(tǒng)基于道路智能感知技術(shù)的應(yīng)用，可以很好地解決以上問題。為此，本文開展荔玉高速公路隧道照明節(jié)能方法研究，先采集隧道外亮度傳感數(shù)據(jù)、隧道內(nèi)車速傳感數(shù)據(jù)，通過光纖以太網(wǎng)與控制中心由控制中心計算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理和科學(xué)建模，得到最優(yōu)的燈光配置，并在符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行車安全的前提下，進(jìn)行智能遠(yuǎn)程調(diào)控，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計方案

該系統(tǒng)在滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，合理制定隧道照明運(yùn)營管理標(biāo)準(zhǔn)，確保隧道安全。其系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

由圖1可知，該系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心電腦和各隧道智能控制系統(tǒng)組成，通過通信系統(tǒng)工業(yè)光纖交換機(jī)和監(jiān)控中心電腦交互數(shù)據(jù)。其中，作為系統(tǒng)控制中心的電腦，可以通過相應(yīng)的監(jiān)控軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控各個控制器智能控制調(diào)光的情況，負(fù)責(zé)執(zhí)行隧道LED智能調(diào)光的所有功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計概述

2.1 洞內(nèi)外光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)采集包括洞內(nèi)外光照度和車流量數(shù)據(jù)。光照度的采集又分為兩部分：隧道外數(shù)據(jù)和隧道內(nèi)數(shù)據(jù)。均采用高精度亮度儀采集，亮度儀的光敏感應(yīng)器安裝在高速公路隧道入口段以及入口出口附近的隧道外路段，通過4～20 mA模擬量信號接入嵌入式主板或就近的區(qū)域控制器，從而實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)外光照度的采集［2］?；赟TM32的亮度儀數(shù)據(jù)硬件采集部分主要涉及電源模組設(shè)計和資料收集模組設(shè)計兩個方面。以最大光照度10 000 cd/m2為例，光強(qiáng)計算公式如下：

LUX=（I-4）（20-4）×10 000 cd/m2（1）

式中：LUX——光照度（cd/m2）；

I——電流值（mA）。

2.2 車流量數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)的車流量數(shù)據(jù)是通過激光式車輛檢測傳感器采集的［2］，不需要破壞路面，減少了施工成本，還可實(shí)現(xiàn)多車道的交通流量探測。車輛通過激光幕時，采集控部件可將通過時間、車輛寬度高度、車速等信息記錄下來，從而實(shí)現(xiàn)車輛流量的數(shù)據(jù)采集。如圖2所示。

2.3 嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)基于嵌入式架構(gòu)開發(fā)，采用Cortex-M4嵌入式處理器，它具有高效的運(yùn)算能力、低功耗特性和豐富的外設(shè)接口。并結(jié)合傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過通信模塊與外部交互。設(shè)計控制算法實(shí)現(xiàn)精確控制，編寫軟件程序?qū)崿F(xiàn)功能，進(jìn)行硬件電路設(shè)計與調(diào)試，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足控制需求。并結(jié)合洞內(nèi)外亮度和車流量等參數(shù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器，通過本地+遠(yuǎn)程智能算法綜合分析參考，以模糊控制算法和分級控制思想，選取了亮度間距可調(diào)節(jié)LED的隧道照明燈具，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三級實(shí)時控制，嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖3所示。

一個隧道分為左右洞，每個洞的燈具分為三個控制回路，分別為入口加強(qiáng)回路（包含入口加強(qiáng)、過度加強(qiáng)），基本應(yīng)急回路（包含基本回路和應(yīng)急回路），出口加強(qiáng)回路。如圖4所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在道路智能感知技術(shù)中，智能算法起著至關(guān)重要的作用。通過深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺和模式識別，可以高效、準(zhǔn)確地處理和分析感知的數(shù)據(jù)。例如，可以利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）對攝像頭獲取的圖像中的物體進(jìn)行檢測和識別，從而實(shí)現(xiàn)對車輛和行人的自動識別和跟蹤，以便更好地調(diào)整智能照明控制策略，在確保安全通行的前提下，達(dá)到最佳節(jié)能效果。

系統(tǒng)設(shè)計方案參考荔玉高速公路實(shí)際情況，在符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，優(yōu)化隧道照明設(shè)計，在確保安全的前提下，合理制定隧道照明運(yùn)營管理標(biāo)準(zhǔn)，為公路運(yùn)營降低經(jīng)濟(jì)成本?；谏鲜鲈O(shè)計理念，在控制策略運(yùn)用了如下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 基于模糊控制算法進(jìn)行動態(tài)亮度調(diào)節(jié)

先收集洞外的亮度和車流量信息，通過調(diào)光控制器，將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)管理平臺，與實(shí)時采集到的洞內(nèi)亮度信息進(jìn)行比對，根據(jù)模糊控制的輸出結(jié)果［3］，調(diào)整燈的電流大小，計算出隧道內(nèi)的亮度，以滿足洞內(nèi)的亮度需求，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。如圖5所示。

3.2 多傳感器環(huán)境和車輛信息感知相融合的閉環(huán)反饋控制

系統(tǒng)將整合處理后的多源信息，如車速、車流量、洞外的亮度等，在有車輛準(zhǔn)備進(jìn)入隧道的情況下，測算隧道所需亮度［5］。如圖6所示。

同時，對隧道內(nèi)的實(shí)際照明亮度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整，照明燈具采用“分段暗燈”的辦法。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將隧道流量的時間序列進(jìn)行劃分，實(shí)時適應(yīng)性調(diào)光［5］。如下頁圖7所示。

3.3 基于堆疊自編碼器模型的車流量預(yù)測算法

該系統(tǒng)的控制思路是基于隧道外部的自然光強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)以及實(shí)時交通流量并結(jié)合交通流量預(yù)測來控制隧道照明系統(tǒng)。而對于交通流量預(yù)測，目前已經(jīng)有許多精度很高的算法，可以準(zhǔn)確預(yù)測工作日和節(jié)假日隧道中的交通流量和不同的天氣流量。利用優(yōu)化的堆疊自編碼器模型預(yù)測高速公路隧道內(nèi)的交通流量，并利用預(yù)測的交通流量信息對隧道照明進(jìn)行智能控制。

基于堆疊自編碼器模型的交通流量預(yù)測的算法為：準(zhǔn)備交通流量的歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集；每個樣本包含一段時間內(nèi)的輸入特征和相應(yīng)的輸出交通流量；輸入特征可以包括時間、日期、天氣狀況等；輸出變量是要預(yù)測的交通量。

堆疊式自編碼器通過逐層預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)來構(gòu)造。假設(shè)有一個L層編碼器，其中L層的輸入是X（l），輸出是Y（l），隱含層是H（l）。那么計算過程可以表示為：

H（l）=f（W（l）×X（l）+b（l））X（l+1）=H（l）（2）

式中：f——激活函數(shù)；

W（l）、b（l）——第1層的權(quán)重和偏置項(xiàng)。

在訓(xùn)練階段，對每個自編碼器進(jìn)行逐層訓(xùn)練，逐步生成更好的特征表示。這些要素表示捕捉輸入要素和交通量之間的關(guān)系，從而提取有用的信息。

在預(yù)測階段，使用經(jīng)過訓(xùn)練的堆疊自編碼器，以當(dāng)前輸入特征作為輸入，通過前向傳播獲得最后一個隱藏層的特征表示。然后，將該特征傳輸?shù)阶詈笠粚拥慕獯a器，通過反向傳播重構(gòu)輸出，即預(yù)測交通量。

3.4 采用無極調(diào)光技術(shù)優(yōu)化照明調(diào)光算法

LED燈具照度根據(jù)洞外實(shí)時亮度和車流情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并結(jié)合以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對調(diào)光算法模型進(jìn)行優(yōu)化，使隧道照明實(shí)時照度變化受到更細(xì)化分級的照明系統(tǒng)的智能控制，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與安全性的平衡。

此外，系統(tǒng)還通過多種方式實(shí)時檢測隧道供電設(shè)施、照明燈具等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過系統(tǒng)平臺發(fā)出設(shè)備故障的告警，告知檢修人員及時處理，提高了隧道設(shè)施故障響應(yīng)的速度和設(shè)施完好率，通過技術(shù)手段變被動為主動，減少了檢修、巡查工作量，減少了檢修費(fèi)用支出。

總之，道路智能感知技術(shù)通過傳感器和智能算法的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對道路交通環(huán)境的實(shí)時感知和分析，為智能交通系統(tǒng)提供重要支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 應(yīng)用案例及預(yù)期成果

隧道照明控制主機(jī)實(shí)時采集洞外亮度和車流數(shù)據(jù)，并內(nèi)置國家相關(guān)隧道照明標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化的控制算法，通過調(diào)光控制設(shè)備自動進(jìn)行LED隧道燈的調(diào)光和開關(guān)控制操作，使隧道內(nèi)照明滿足交通安全需求，同時又不會造成照明過度，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化［8］。如表1所示。

通過這個系統(tǒng)的開展和實(shí)施，可以帶來節(jié)能減排的直觀效益，在滿足隧道照明國家標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，通過技術(shù)創(chuàng)新，使隧道照明用電降低30%以上。如表2所示。

以黃京山一號隧道為應(yīng)用試點(diǎn)對隧道進(jìn)行了照明方面的優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)隧道交通對照明亮度的要求，對LED燈進(jìn)行動態(tài)調(diào)光，既滿足交通安全需求，又實(shí)現(xiàn)了隧道照明能耗的節(jié)約，通過測試數(shù)據(jù)分析，綜合節(jié)電率達(dá)到40%，且車輛通過黃京山一號隧道時駕駛員視覺舒適度明顯提高。

5 結(jié)語

本文針對荔玉高速公路智能隧道照明調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行了研究，運(yùn)用當(dāng)前先進(jìn)的智能感知等創(chuàng)新技術(shù)定時收集并儲存洞外亮度和車流數(shù)據(jù)等信息，并通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)上傳至遠(yuǎn)端服務(wù)器，通過本地+遠(yuǎn)程智能算法綜合分析參考，實(shí)時智能控制公路隧道內(nèi)各路段的照明。通過實(shí)際應(yīng)用案例證明，該系統(tǒng)可以有效地按需控制隧道內(nèi)各路段的照明，大大提高了隧道通行的安全性，并較大程度實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：羅澤裕（1985—），工程師，主要從事高速公路機(jī)電工程管理，收費(fèi)三大系統(tǒng)和隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)維、管理工作。