基于模糊控制决策的隧道照明节能方案研究

黄志伟，彭晓春，莫新强

（广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029）

0 引言

为贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措，响应我国“十一五”规划提出的节能减排号召，各行各业纷纷寻求科学的、可持续发展的方式，以促成这场绿色革命的成功。在交通领域，随着全国高速路网规划的完成和实施，如何采用科学的手段降低运营成本，达到节能减排的目的，成为行业关注的重点。本文将高速公路中耗能较为明显的隧道照明系统作为节能研究对象，从照明设计和运营管理两方面进行考虑，提出较为科学的控制手段和管理理念，以达到节能目的。

1 隧道照明系统的发展史

公路隧道照明系统的研究由来已久，20世纪60年代，意大利和法国交界的Mont－Blanc隧道就已经实现了根据交通量进行照明调光［1］。自20世纪80年代起，为减少交通事故，对照明设计和施工进行规范化管理，世界各国根据各自的标准出台了隧道照明的相关规范。我国隧道照明系统的技术发展起步较晚，直至2000年1月份，我国交通运输部才颁布了《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1－1999）作为较为完善的隧道照明设计规范。目前，公路隧道照明系统设计的规范标准主要有《公路隧道设计规范》（JTG D70／2－2014）、《公路隧道照明设计细则》（JTG／T D70／2－01－2014），规范充分考虑了行车过程中的“黑洞效应”和“白洞效应”，以及交通量、行车速度、洞外亮度、折减系数等因素［3］。

2 隧道照明系统的工程现状

隧道照明系统是隧道机电系统的重要组成部分，是耗能较大的系统之一，直接关系隧道行车安全问题，同时影响着运营、维护的成本开销，在高速公路运营管理中，隧道照明系统的节能效果备受关注。根据相关规范要求，对隧道长度（L）为100m≤L≤200m的高速公路光学长隧道和L＞200m的高速公路隧道均应设置照明［4］。由此可见，隧道照明系统的耗能是巨大的，也是隧道节能最具潜力的领域。

在隧道照明系统设计过程中，根据隧道照明长度指标进行分段，隧道可分为：入口段、过渡段、中间段和出口段；根据隧道照明亮度指标进行分段，隧道分段更为细化，包括：入口段1、入口段2、过渡段1、过渡段2、过渡段3、中间段、出口段1、出口段2。计算隧道各段长度、亮度指标的相关因素包括：设计时速、设计交通量、隧道洞外亮度、折减系数等。设计交通量的取值是根据预测法而得，洞外亮度和折减系数的取值是根据隧道具体情况，结合经验进行计算而得。

隧道照明系统能耗构成除了隧道正常通车时段必备的照明能耗外，还有相当一部分的能耗是由于照明灯具本身的节能效果差，以及运营管理缺乏精细化造成的。近年来随着LED灯具照明技术的蓬勃发展［2］，越来越多的隧道照明系统基本实现了LED灯具的普及，LED灯具的节能效果也得到充分的体现。如何改进运营管理方式，降低能耗，成为隧道节能的突破点。从节能角度出发，隧道照明设计阶段与运营管理阶段的主要矛盾体现为：照明设计的亮度取值是根据设计时速、预测交通量、估算洞外亮度和折减系数计算而得；而在运营管理阶段，因交通量具有不规律性和非连续性，为保证行车安全，运营管理单位不会根据实时洞外亮度和车流量进行照明调光，从而导致隧道处于长时间的过度照明状态，造成能源浪费。因此，如何运用科学的手段，消除隧道过度照明现象，是本文研究的重点。

目前隧道照明系统的照明控制方式主要包括以下几种：

（1）隧道加强照明按晴天、云天、阴天、重阴天四级控制，基本照明按凌晨至夜间（包括白天）和深夜两级控制，共六级控制，夜间指天黑至晚上12：00，深夜指晚上12：00至次日开始天亮。

（2）隧道LED照明采用无级调光方式。

（3）隧道高压钠灯采用分组控制方式。

当前的隧道照明控制采用分时段控制的方式，缺乏对现场照明数据的合理分析，节能控制粗糙，无法体现管理的科学性和效益最大化。

3 隧道照明解决方案

目前的隧道照明控制能够根据不同时段，控制不同组别的照明灯具就行开闭，从而达到节能的目的。然而，这种方式仅根据时段就行照明控制及调光，并未根据现场工况的特征进行区别管理，体现出照明管理的滞后性和松散性，管理方式既简单粗暴，又造成了严重的能源浪费。隧道照明控制管理应当将影响照明指标的几大因素纳入考虑范畴，才能在隧道照明设计、运营阶段做到因地制宜，实现能源的最优化管理。

本文提出了一种基于模糊控制理论的隧道照明节能方案，根据隧道照明的现场工况，充分利用隧道照明系统的能耗数据，将隧道现场数据纳入照明控制系统，优化照明控制方案，采用精细化的管理方式，消除隧道过度照明，实现节能减排，降低运营成本。

3.1 照明方案的选择

目前广西区内高速公路隧道照明所采用的灯具并不完全统一，可供选择的灯具包括：高压钠灯、荧光灯、LED灯等。近年来，由于LED灯在调光、节能等方面的优势越来越明显，而逐渐在隧道照明系统中普及开来，本文亦综合考虑照明的经济性、稳定性、节能环保等因素，确定在南宁外环高速公路的旧村隧道中全部采用LED灯。

南宁外环高速公路旧村隧道总长度为485m，设计时速100km／h，洞外亮度采用3 500cd／m2，计算得到隧道照明相关指标如下页表1所示。

表1 隧道照明指标表

3.2 隧道照明控制方案的设计

模糊控制理论（Fuzzy Control Theory）是指用到了模糊集合的基本概念或连续隶属度函数的理论。模糊控制系统不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，模糊控制器不必对被控制对象建立完整的数学模式。

模糊控制包括五个过程：定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断、反模糊化。

（1）定义变量：定义被控对象变量，以二维模糊控制系统为例，主要变量包括误差（E）、误差变化率（EC）和状态输入（U）。

（2）模糊化：将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程。

（3）知识库：包括与规则库（rule base）和数据库（data base）。规则库根据变量的隶属度判断其对应域，数据库则提供处理模糊数据的相关定义。

（4）逻辑判断：根据模糊化变量的隶属度判断其所属的论域，通过对论域的分析及逻辑规则处理，得到模糊状态下的系统最优解。

（5）解模糊化：将模糊化后的输出量进行反模糊化处理，根据控制规则转换为系统的控制输出解。

根据模糊控制理论的构成要素，结合方案设计的基本思路，可描述隧道照明的模糊控制方案构成图如图1所示。

图1 控制方案构成图

如图1所示，模糊控制器由隧道照明控制系统中的PLC及扩展模块组成，隧道洞外亮度检测器的实测（4～20mA）信号传输至控制器的AD模块，控制器根据洞外亮度值计算得到隧道洞内各照明段对应的亮度指标，将该亮度指标与隧道洞内亮度检测器的实测值做误差和误差变化率分析，输入至模糊控制器中，经过模糊控制信息处理流程，最终输出控制量（电流控制信号）至各照明回路，实现照明无级调光。

根据隧道特征建立隧道模型如图2所示。

图2 隧道模型图

隧道无级调光照明的控制装置设于现场变电站内，既可与中控室实现通讯，也可独立于中控室自行调光工作；其控制亮度等级为100级。

控制装置具有2路DC 0～10V的模拟电压信号输出，其中10V对应灯具的最大输出功率，0V对应灯具的最小输出功率。控制装置能对基本照明和加强照明分别进行控制。

加强照明的总体控制策略为：洞外亮度越亮，洞内照明功率越大，即洞内照明亮度也越亮，反之亦然。基本照明的亮度控制策略为：依据白天和夜晚的不同时段，对基本照明的调光功率百分比进行设定后自动调光。

控制装置接受4～20mA的洞外亮度信号，并根据洞外亮度的高低进行自动调光，即使与中控室通讯中断也不受影响。控制装置具有掉电检测和应急响应功能，当电源掉电后，控制基本兼应急照明灯具工作在应急照明状态。

4 效果分析

本方案采用LED灯具作为基本应急照明和加强照明，首先在灯具效果方面起到了节能作用；其次，根据实时洞外亮度值，整定各照明段的亮度指标，通过照明控制系统实现照明调光功能，消除了过度照明的现象，实现了照明控制管理的优化，降低了运营成本。

5 结语

本文通过分析当前隧道照明设计、运营管理方面存在的不合理现象，提出一种基于模糊控制的隧道照明节能方案。运用科学的手段消除了隧道照明中的过度照明现象，提供精细化的隧道照明管理方法，实现了隧道照明节能，对隧道照明技术的发展具有积极意义。综合考虑到实际运营中交通量的不确定性和多样性等因素，本方案暂未将其纳入考虑范围，如何科学合理地将交通量纳入隧道照明控制方案中，是下一步研究的重点和难点所在。

［1］叶 颖，王宝林，汤 斌，等.隧道照明节能技术方案设计及应用效益评价研究［J］.公路交通科技，2013（9）：246－248，285.

［2］钟 标，杨 雪.高速公路隧道LED照明智能调光系统［J］.中国交通信息化，2013（8）：106－109.

［3］田 昱，孙巧燕，代 明.广西高速公路隧道照明系统节能技术应用研究［J］.公路交通科技（应用技术版），2013，6（15）：122－125.

［4］JTG／T D70／2－01－2014，公路隧道照明设计细则［S］.