基于多参量检测的隧道无级调光系统的设计与实现

2017-10-29王晓龙

山西交通科技 2017年4期

王晓龙

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

LED光源作为一种新型的照明光源，以其节能环保、寿命长、开关响应快等特点，近年来已在高速公路隧道机电系统中广泛应用。在隧道运营过程中，隧道的维护费用和耗电费用很高，其中照明系统占隧道机电耗电的绝大部分，另外照明节能和隧道安全运营的矛盾也越来越突出[1-3]。通过先进的技术以及管理手段，改变传统的隧道照明方式，在保障行车安全的条件下，实现按需照明的目的，可以节约大量的能耗，实现降低高速公路运营费用的目的，对高速公路运营管理部分来说具有很大的吸引力。

1 隧道传统照明方式存在问题

《公路隧道照明设计细则》已明确要求，应根据洞内外亮度及交通量变化对公路隧道照明系统进行控制。实际情况隧道洞外亮度受当地气候、季节时间影响变化很大，隧道传统照明方式存在如下问题：

a）照明按照季节时间控制，按固定时间控制灯具。当入口段照明亮度低于洞外亮度时，司机进入隧道会出现“黑洞效应”；当洞内照明亮度高于洞外亮度时，隧道照明存在“过度照明”。

b）照明系统按洞外亮度分级控制，由于现有的分级控制调节亮度时间较长，亮度跳变情况比较明显，当亮度由亮变暗跳变时，出现人眼不适应的“盲视效应”。

c）照明控制系统未考虑无车行驶情况，均存在“过度照明”浪费情况。

目前国内多数所使用的照明系统都是依据洞外亮度进行调光，将有无车辆行驶的参量纳入隧道照明系统的控制方式，目前国内外还处在研究层面。

另外，目前隧道无级调光系统一直以单独的系统进行研究，然而隧道照明系统作为整个隧道机电系统的一部分，应综合考虑与监控系统的联动性，出现事件情况下执行预案。

2 行车安全产生的原因分析[1]

图1 理想洞外亮度曲线

图1为一天内天空万里无云，洞外亮度不受云雾的影响，测得的理想洞外亮度曲线。在该天气情况下，采用传统的分级调光或其他的多级调光，在满足行车安全的前提下，均能很好地适应洞外亮度变化。

图2为实际一天中，洞外亮度受云雾的影响，测得的洞外亮度曲线。从图中可以看出，洞外亮度受天空云雾的影响非常大，采用传统的分级调光或其他的多级调光，如果要满足标准要求、保证行车安全，必须满功率照明。

图2 实际洞外亮度曲线

图3 每隔10 min调节亮度的变化曲线

图3为分级调光照明曲线图，图中曲线为理论调光曲线，直线为实际调光曲线。由于调光的时间间隔较长的原因，实际调光曲线不能很好地跟踪理论曲线，滞后性比较大。

调光曲线值低于理论曲线值时会产生“黑洞效应”，路面亮度低于标准要求，行车安全得不到保证；调光曲线值高于理论曲线值时会产生“过度照明”，浪费巨大的电能；当亮度由高到低跳变时会产生“盲视效应”，造成行车安全隐患。

图4 无级调光曲线

图4为无级调光照明曲线图，图中曲线为理论调光曲线，直线为实际调光曲线。调光的间隔时间短、调光的实时性好，实际调光曲线较好地跟踪理论调光曲线，在满足路面亮度标准要求，并保证行车安全前提下，最大程度地节能。

根据上面的分析可知，照明调光的精细化和实时性是公路隧道行车安全的必要保障。调光的精细化和实时性缺少一项，公路隧道的行车安全就难以保障。在《公路隧道LED照明灯具第5部分照明控制器》中，推荐采用无级调光[4]，即是基于这一安全考虑。

3 多参量检测的隧道无级调光系统设计与实现

3.1 系统组成及工作原理

图5 多参量检测系统原理图

信号采集层由洞外微波车检器、光电车辆检测器、洞外亮度仪、入口段亮度仪、中间段亮度仪等组成。微波车检器和光电车辆检测器组成车辆检测系统，可以准确判断是否有车辆行驶、车流量等信息；洞外亮度仪、入口段亮度仪、中间段亮度仪组成照度检测系统，综合季节时间因素进行按需照明。

隧道中间段的亮度比较低，低的像夜间的道路照明一样，LED隧道灯具随着使用年限的增加，光衰越明显，中间段的亮度越低，严重时影响车辆的安全行驶，基于上述原因，在增加中间段亮度仪检测中间段的亮度进行调光显得更加重要。

系统的车流量检测系统将检测到的隧道外部车流量信息通过RS-485信号传送至隧道智能照明系统控制器，照度检测系统将检测到的隧道内外的光亮度信号转换为标准4～20 mA电信号传送至隧道智能照明系统控制器。

智能照明系统控制器根据采集到的信息进行智能分析及模糊运算后，对LED照明灯具进行智能控制，并经通信系统将采集信息与监控中心上位机进行通信，并接收上位机的控制命令。

监控中心上位机安装有专用的监控管理软件，实时显示当前灯具照明状态，并控制智能照明控制器；同时监控管理软件与隧道监控系统进行通信，接收监控系统的状态信息，当出现事故等紧急情况时，与隧道监控系统联动，按预案进行照明。

3.2 光强检测及照明控制

目前，高速公路隧道照明系统根据洞内外亮度和交通量变化，进行入口段、过渡段和出口段的方案设计，可分白天（夏季晴天、其他季节晴天/夏季云天、其他季节云天/夏季阴天、其他季节阴天/重阴天）、晚上、夜间六级调光分级组合进行[4-5]。

本系统在洞口、隧道照明引入段、隧道内均设一台亮度检测仪，按需进行无级调光照明。当用于测量洞外亮度的检测器失效或者因检修无法使用，用户可以根据当地天气气候设置预案，根据季节时间进行控制。当亮度检测器恢复时，根据检测数据进行按需无级调光控制。

3.3 车辆检测及照明控制

车辆检测系统由洞外微波车检器和光电车辆检测器组成，用于精确检测是否有车辆进入隧道，并将采集信息提供给隧道智能照明系统控制器。

如图6所示，本系统除利用微波车检外，在离隧道口300～500 m的位置、隧道内每隔500 m安装光电车辆检测器，用于检测车辆通行状况。微波车检检测车流量、车速、车道占有率等信息来判断车辆是否拥堵，光电车辆检测其检测隧道内有无车辆信息。

图6 车辆检测系统原理图（单位：m）

当微波车检检测到车辆已经拥堵时，系统按照拥堵预案对照明系统进行控制。

当车辆没有拥堵时，隧道外光电车辆检测器检测到有车到来时，系统将前方500～1000 m左右的灯具打开，控制的距离大于500 m，小于1000 m；当车进入隧道后，隧道内的光电车辆检测器检测到车辆到来，相继把前方500～1000 m的灯具打开，依次类推，直至车辆驶出隧道。当车辆驶离后，系统在延迟一段时间且无车辆继续到来后，把相应的照明灯具关闭。

系统控制灯具完全是自动控制，最大程度地减少人工手动操作，与光强检测系统进行信息融合，消除“黑洞效应”，提高行驶安全性，减少事故发生。

3.4 与监控系统联动进行照明控制

在隧道运营过程中，安全始终是重中之重。隧道监控系统在隧道内每间隔约150 m设一台固定摄像机，采用高清采集传输一体化智能枪机，用于监控隧道内交通运行情况，实现视频监控的同时，可以实现隧道内交通参数的统计及各种交通事件、事故的自动检测；隧道横洞/停车带监控：采用高清采集传输一体化云台/球机，用于全方位监控横洞/停车带交通运行情况。

监控中心上位机安装有专用的监控管理软件，实时显示当前灯具照明状态，并与隧道监控系统进行通信，接收监控系统的状态信息，当出现事故等紧急情况时，与隧道监控系统联动，按预案对照明系统自动控制。

如图7所示，在正常情况下系统根据光强检测系统、车辆检测系统的综合信息进行自动智能控制，消除“黑洞效应”，无需人工手动操作，提高行驶安全性，减少事故发生；光强检测系统、车辆检测系统出现故障时，自动转换成时序控制；当监控系统检测到视频事件时，上位机软件与监控系统进行交互，并根据预先制定的预案分为拥堵、行人、火灾等事件，作为整个隧道监控系统预案的一部分对隧道照明系统进行实时控制。