高速公路隧道照明节能控制系统的设计*

许伦辉 钟海兴



高速公路隧道照明节能控制系统的设计*

许伦辉 钟海兴

（华南理工大学土木与交通学院）

针对传统隧道照明系统存在的环境适应性差、电能浪费大、智能化水平低等问题，提出在高速公路隧道照明领域“按需照明”的理念，以隧道照明曲线模型为依据，设计一种新型隧道照明节能系统。简述了检测交通流参数和隧道环境亮度的方法。系统算法方面，在保证隧道照明曲线模型正常运行的情况下加入PID算法进行调节。在Microsoft Visual Studio 2015平台上用C#语言对系统进行开发，并且在广东潮惠高速的银山隧道对该系统进行测试，验证了系统的正确性和有效性。

高速公路隧道照明；按需照明；C#

0　前言

近几年，我国高速公路隧道蓬勃发展，高速公路从城市延伸到山区，公路隧道也越来越多，同时，给高速公路营运单位带来了营运安全和经营成本的巨大压力。

隧道照明系统在高速公路运营中能耗较大，由于需要全天候开启，其产生的运营电费和维护成本巨大。例如，广东省汕西高速后门隧道长2.4 km，每月的电费开支近25万元；陕西省终南山公路隧道全长36 km，每月照明费用高达200万元以上。因此，既安全又经济节能的隧道照明节能系统是隧道照明技术的重点发展方向[1]。国内很多隧道采用传统PLC回路控制，照明亮度分级控制，不能达到现场的最优照明；部分隧道采用LED照明，亮度可调可控。

本系统从LED灯具的优势和特性出发，根据隧道洞内外环境、交通流等实际情况，设计可靠、高效的照明节能控制系统。

1　系统整体方案设计

隧道照明节能控制系统主要包括：监控中心计算机、服务器、隧道管理工作站、高清摄像枪、调光主控制器、隧道LED照明灯具、洞内亮度检测仪、通信传输设备。系统构架框图如图1所示。

图1　系统构架框图

系统工作流程如下：高清摄像枪把图像传输到隧道管理工作站，对图像进行处理后得到洞外亮度、车速、车流量信息；同时洞内亮度检测仪采集洞内亮度信息，隧道管理工作站把隧道参数信息上传到监控中心，并存储在服务器中；隧道管理工作站根据洞内外亮度、车流量、车速等参数，通过上位机照明监控软件处理后生成照明控制指令，通过RS-485总线下发到调光主控制器中，由调光主控制器对隧道内每个LED灯具进行调光；当洞内亮度检测仪采集的实际亮度值与调光亮度值大于限定阀值时，启动PID算法对达不到实际亮度值的LED灯具进行调节，从而达到标准所需亮度[2]。

2　系统设计依据

公路隧道照明的关键设计参数和指标没有统一的标准和法规。国外机构，包括国际照明协会（CIE）和欧洲标准化委员会（CEN）也在不断研究、修订和改进，以便更好地把隧道照明要求与特定环境结合[3]。我国交通部在2000年颁布实施的《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1-1999对隧道的照明参数设计做出如图2所示的规定。

图2　隧道照明参数设计

图2中，为洞口（或棚口）；为接近段起点；为适用点；为适用距离；为洞外亮度；为适用点亮度；为入口段亮度；、、为过渡段1、2、3分段亮度；为中间段亮度；、、为过渡段1、2、3分段长度。

2.1三元参数曲线模型

中间段模型：中间段亮度为基本照明亮度，本文基于现有标准，利用某一时间段内或历史数据的车辆平均车速和交通量对标准中的模型进行线性插值，从而得到中间段亮度。

出口段模型：依照《公路隧道通风照明设计规范》的设计标准，出口段亮度为中间段亮度的5倍，即：，这样设计会使中间段和出口段的衔接之间出现阶跃性变化，不利于驾驶的舒适和安全。所以出口段模型仿照入口段模型，出口段长度取一个照明停车视距，在前中，亮度从线性变化为，后中，亮度保持不变[12-13]。

2.2隧道照明曲线模型汇总

通过整合隧道的入口段、过渡段、中间段、出口段模型，可以用一个分段函数来表示三元参数隧道曲线模型。

其中：为距隧道入口的距离（m）；为光照强度（）；为车流平均速度（m/s）；为隧道总长度（m）；为入口段亮度()；，为入口段所折减系数；为洞外亮度()；为照明停车视距（m）；为入口段长度（m）；为中间段亮度（）。

上述相关参数中，入口段所折减系数、照明停车视距D、中间段亮度L、入口段长度D可以根据隧道照明设计标准及平均车流速度和平均交通流量进行取值；隧道总长度根据隧道属性取值，所以本模型需要外部检测的参数只有隧道洞外亮度20()、平均交通流量和平均车流速度[4-5]。

3　交通流参数和环境照度的检测

按系统整体方案设计，各现场检测器检测到的洞内外亮度、车流量、速度和LED状态结果，按系统设置的周期送到本地计算机和监控中心计算机，存储在服务器。系统关键参数检测包括：洞内外亮度20()、车流量和平均车速[6]。

3.1交通流参数的检测

交通流参数，即车流量、平均车速等参数，通过对比环形线圈检测、微波雷达检测等技术获取。这些传统的检测方法存在检测范围较小、安装维护不便、维护费用高等缺点，因此本系统选择视频交通流检测技术。基于视频的交通流检测技术包含图像采集、图像处理、交通信息提取模块和客户端显示4部分。基于图像识别的交通流参数检测流程如图3所示。

图3　基于图像识别的交通流参数检测流程

图像采集部分采集图像并进行处理，处理后对视频进行解码；图像处理部分把视频进行图像处理如背景建模、背景灰度化、提取前景等；交通流信息提取模块根据参数提取算法进行交通流参数的提取；最后交通流参数在客户端显示部分实时显示。

3.2隧道环境照度检测

采用数码相机成像法检测隧道洞外的环境亮度。

隧道洞外环境亮度检测系统包括图像采集器、图像处理器、中央处理器和隧道照明控制器。环境变量检测流程如图4所示。

图4　环境变量检测流程

图像采集器通过RGB通道采集隧道洞口照片，并将照片同步传输至图像处理器；图像处理器将采集的彩色照片转换成灰度值在0~255之间的灰度图像，并将处理好的灰度图像传输至中央处理器；中央处理器由灰度图像的灰度值计算RGB通道照片的亮度值。

4　隧道照明的PID调节

在实际应用中，由于天气和环境的变化、个别灯具的损坏以及灯具光衰等外界因素，使实际亮度值很难等于设定亮度值，这会对隧道中的行车安全造成严重威胁。通过采用PID闭环反馈调光算法可解决实际亮度值达不到设定亮度值的问题[7-8]。PID自适应算法结构框图如图5所示。

图5　PID自适应算法结构框图

隧道照明节能控制系统主要由车辆信息采集单元、照度实时监测单元、PID调节控制单元、监控中心计算机和调光控制器构成。

PID调节控制单元运行于上位计算机，该单元根据上位机计算出的各段所需要的设定亮度值和根据亮度实时监测单元计算出的实际亮度值进行PID闭环反馈调节[9]。

在实际使用中，PID设定一个控制阀值，当检测的实际亮度与上位机根据传感器采集到的信息和隧道照明规范所计算的设定亮度值的差值大于控制阀值时，对亮度进行调节，相反则保持设定亮度值。确定、、3个参数后，利用式(1)进行亮度调节。

其中，为新的控制亮度值；为通过照度测量系统计算的实际亮度值；[]为此时的设定亮度值与实际亮度值的差；[-1]为上一次的设定亮度值与实际亮度值的差；[-2]为上上一次的设定亮度值与实际亮度值的差[11]。

5　隧道调控软件的设计

5.1软件功能结构设计

高速公路隧道照明节能系统主要包括系统管理、系统方案管理、用户管理、灯具管理和信息管理5个功能模块，软件功能结构设计图如图6所示。

图6　软件功能结构设计图

5.2软件主要功能实现

照明节能控制软件系统采用C#语言编写，开发环境采用Microsoft Visual Studio 2015。主要分为系统设置、用户登录及管理、系统自动运行和手动运行4部分。

系统设置主要针对照明相关参数设置，这些参数为隧道照明系统必备参数，参数设置不完整则系统无法正常运行。设置的参数有隧道名称、隧道总长度、洞内净空高度、高速公路路面坡度、灯总数、是否为双车道、串口波特率和串口号等。系统参数设置界面如图7所示。

图7　系统参数设置界面

用户登录及管理主要包括用户登录、添加与设置用户的功能。

系统自动运行是照明节能控制系统的主要功能，设置一个主界面，监控人员可以看到实时的隧道照明亮度的曲线模型，简单直观地了解现场隧道照明的情况，以及更改控制模式[4]。系统自动运行界面如图8所示。

图8　系统自动运行界面

在主界面打开自动模式，即开启了系统自动运行功能，系统每隔一个周期根据实时采集的交通流数据和洞外环境亮度为隧道照明曲线设计的依据，计算出隧道内各个位置灯具所需的亮度，并在主界面中把隧道内的实时亮度通过曲线图表示出来；然后利用PID把不符合照明亮度的灯具进行亮度调整；最后把调光命令下发至调光控制器，等待下一个周期。

系统手动运行即系统采用人工控制的方式对灯具进行控制。

6　验证

本文以广东潮惠高速公路路段中的银山隧道检验系统的控制效果和稳定性。

潮惠高速公路县县通路段总长63公里，地处山区且位于全线中间路段，2016年通车后单向交通车流量远低于380辆/小时，折减系数取最小值。

银山隧道属端墙式洞门，主线为沥青路面，洞口树木植被较多。银山隧道左洞593 m，右洞530 m，共有LED灯具1238套（85 W 246套，185 W 992套）。银山隧道入口段1和入口段2都为81 m，灯间距为1.125 m；过渡段1为108 m，灯间距为3 m；过渡段2为117 m，灯间距为4.5 m；中间段89 m，灯间距为9 m；出口段72 m，灯间距为3 m。灯具采用相对布置方式。

安装在洞口外场的高清摄像枪对洞外亮度进行实时检测，利用隧道管理工作站和通信系统上传至监控中心照明控制系统软件。从上传至监控中心的数据可知，由于银山隧道大致呈东西走向且地处山区，受白天不同时刻的阳光和天气影响导致隧道东西两侧洞口的洞外亮度起伏较大，银山隧道洞口某日白天的亮度值曲线图如图9所示。

根据银山隧道自开通以来光强检测器的统计数据可知，晴天亮度通常在3000 cd/m2。而施工图设计中洞外亮度3750 cd/m2，取值明显偏大。在实际运营过程中发现，如采用回路控制模式灯具全开情况下，银山隧道入口段和过渡段出现过度照明现象。

时序和分级自动调光控制方式是传统的调光控制方式，其根据季节、时间和洞外环境变化实现了自动或半自动控制，但对比节能照明调光控制系统仍较为简单粗放。例如在重阴天时，其控制流程是由系统判断洞外亮度值低于1000 cd/m2时，启动报警功能，由监控员通过摄像枪图像人工确认后，实行关闭预先制定策略即远程控制关闭全隧道两洞的加强一、加强三回路。

而节能照明调光系统的控制方式更为智能精细，入口段、过渡段照明效果更平滑舒适，系统可根据洞外实际亮度和车流量情况，自动调整各灯具亮度，在既能满足照明亮度需要情况下，又达到了非常好的节能效果[10]。

通过实际测试对比，银山隧道原本采用的时序和分级控制方式，一个月电费约2万6千元，控制方式换成照明节能控制系统后，一个月电费则约2万1千元。因此，本系统与时序和分级控制方式相比节省电费约20%，节能效益明显。

[1] 肖前红.高速公路隧道照明节能控制系统研究[D].广州:华南理工大学,2011.

[2] 李霞.高速公路隧道照明节能控制系统研究[J].中国高新技术企业,2016(2):87-88.

[3] 刘宇红,李乐乐,付建国.基于模糊逻辑的智能照明控制系统[J].电子技术与软件工程, 2014(2):89-91.

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[5] 马建州.高速公路隧道照明测控技术的研究[D].天津:天津大学,2006.

[6] 杨超,王志伟.公路隧道照明节能技术[J].现代隧道技术,2010,47(2):102-108.

[7] 肖华,黎福海,程栋,等.基于模糊神经网络的无线隧道照明节能控制系统[J].电子技术应用,2009(7):128-131,135.

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[10] 陈哲利,曾小战.隧道照明智能调光系统的研究[J].科技创新与应用,2016(26):261.

[11] SONG H. HU C, WANG L, et al. Design of a new high accuracy incremental PID controller with dual temperature sensors[C].Chinese Control and Decision Conference(CCDC), IEEE, 2012:712-715.

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[13] Zeng Hong, Qiu Jian, Shen Xingfa, et al. Fuzzy control of LED tunnel lighting and energy conservation[J].Tsinghua Science and Technology, 2011,16(6):576-582.

Design of Lighting Energy Saving Control System for Expressway Tunnel

Xu Lunhui Zhong Haixing

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology)

Aiming at the problems of poor adaptability, high energy wastage and low intelligence level in the traditional tunnel lighting system, a new type of tunnel lighting energy saving system was proposed in the tunnel lighting field with "on-demand lighting" . The method of detecting the parameters of traffic flow and the brightness of tunnel environment is described. System algorithm, in the normal operation of the tunnel lighting curve model to join the PID algorithm to adjust. The system is developed in C # language on the platform of Microsoft Visual Studio 2015, and the tunnel energy saving control system of highway tunnel is tested in Yinshan Tunnel of ChaoHui highway in Guangdong Province, which verifies the correctness and validity of the energy saving control system of highway tunnel lighting.

Highway Tunnel Lighting; On-Demand Lighting; C #

广东省交通运输厅科技项目（科技-2015-02-066）

许伦辉，男，1965年生，教授，主要研究方向：智能交通系统理论及应用、搬运机器人控制与调度、物流园区交通组织与仓储自动化等。E-mail: lhxu@scut.edu.cn

钟海兴，男，1994年生，硕士研究生，主要研究方向：智能交通系统理论及应用。