基于LoRa 无线技术的隧道智能照明控制系统

林华彬

（福建省高速公路集团有限公司宁德管理分公司，宁德 352100）

1 引言

当前大多数的隧道照明控制系统采用时序分级控制方式进行调光， 还不能根据隧道洞内外实时环境自动调节灯具照明亮度和灯具的开启数量[1]，且现有的智能控制方式大多数没有进行洞内亮度的闭环反馈控制， 无法实现按需照明，资源浪费较大。 另一方面，公路隧道一般位于丘陵山区或城市过江地段，具有数量多、分布广、隧道长、远离城市中心且穿越崇山峻岭的特点，使得工作人员和管理人员对隧道照明、 风机等用电设备的有效控制和维护极为不便，每年产生巨大的人力资源、电能损耗[3]。此外，由于设备故障检查与维护不及时，更是给行车安全带来了极大的危险[6]。 因此，如何根据隧道环境，如天气状态、时间、车流量等实时信息，自适应地完成隧道照明控制，在保障安全行车的同时，又能最大可能的节约电能，成为了交通行业节能技术研究的重点方向[7]。基于智能化和节能的设计目标，本文提出一种基于LoRa 无线技术的隧道照明智能控制系统， 在实现照明节能和智能控制的同时，还能实时返回隧道照明灯具故障状态，极大地提高了照明维护效率。

2 系统总体方案

2.1 系统总体结构

图1 基于LoRa 无线技术的隧道智能照明控制系统总体结构图

基于LoRa 无线技术的隧道智能照明控制系统总体结构如图1 所示， 系统主要由智慧隧道监控与运营服务平台、 系统主控制器、LoRa 无线协调器、LoRa 无线单灯控制器和LED 照明灯具组成，图中n 表示主控制器控制的无线网络个数、L1表示第一个LoRa 无线网络的大小、Ln 表示第n 个LoRa 无线网络的大小。 系统主控制器采用工业控制计算机或者PLC 控制器，通过RS485 总线与n 台无线协调器连接，构成隧道管理所级别的LoRa 无线隧道智能照明控制系统。

2.2 LoRa 无线网络拓扑

LoRa 无线网络技术是系统的关键技术之一，无线协调器通过组建LoRa 无线网络， 可实现与同一网络内所有无线单灯控制器的数据通信， 实现对现场设备的状态采集、灯具0～10V 智能调光和单灯电源开关控制。 整个无线网络具备通信距离远和抗干扰能力强的优点，增加了隧道智能照明系统的可靠性。 LoRa 无线网络的组网结构拓扑如图2 所示，采用星型网络结构。 整个无线网络由无线协调器和各个无线单灯控制器组成，协调器作为网络的中心节点， 各个无线单灯控制器直接与之进行无线通信，不需要路由转接。 星型网络拓扑具有以下优点[10]：

（1）结构简单，容易管理维护；

（2）重新配置灵活；

（3）方便故障检测与隔离；

（4）控制简单，便于建网；

（5）网络延迟时间较小，传输误差较低。

图2 LoRa 无线星型网络拓扑结构

无线协调器向每个无线单灯控制器发送控制命令时，采用广播方式进行数据发送，同一网络内的所有无线单灯控制器均接收该命令，并予以解析。若收到的命令中地址域的ID 为本无线单灯控制器ID， 则无线单灯控制器对命令进行校验。 若校验正确，则根据命令中功能码、数据执行相应动作， 否则， 单灯控制器对该命令不予理睬。当命令是采集灯具故障信息时，无线协调器采用轮询的方式访问每个无线单灯控制器， 可有效地防止数据传输的拥堵，提高了通信效率。

3 系统各部分的功能

（1）智慧隧道监控与运营服务平台：由多个隧道控制系统通过专网组成， 平台可以实现对区域所管辖隧道运行状态的全局监管，完成隧道能耗分析、机电设备故障报警统计分析、 隧道机电设备资产管理和隧道机电设备健康状态评估预测。还可形成隧道营运与调度策略，减少或不需要隧道人工排查， 有利于及时地维护与检修灯具和风机等设备， 有效减少因照明设备故障维护不及时对交通运行安全的影响。 智慧隧道监控与运营服务平台的首页效果如图3 所示。

图3 智慧隧道监控与运营服务平台首页

（2）系统主控制器：主控制器可以实时采集隧道环境信息，如实时车流量、车速、洞外亮度、气候和时间等参数，其调光控制策略有四种运行模式：手动模式、智能模式（默认模式）、时序模式和故障应急模式，各模式的功能如下：

①手动模式： 主要在隧道现场设备调试或检修时使用。 手动模式下可以对软件界面各参数（包括时间参数、亮度参数回路开关等）进行设置，其他模式切换至手动模式可以实现无缝切换， 使隧道内照明亮度在保持之前照明状态的情况下进行手动设置。

②智能模式：主控制器运行日出日落时间算法，早上当洞外亮度高于一定阀值时自动开启所有的加强照明回路， 晚上当洞外亮度低于一定阀值时自动关闭所有的加强照明回路。 此外， 主控制器根据隧道环境信息和LED灯具的衰减特性设计一种自适应调光算法─变步长增量式调光算法， 当车检器在一定时间内未检测到有车辆进入隧道时自动将亮度调至最暗， 当检测到有车辆进入时则快速采用自适应调光算法将洞内亮度调到需求值。 当洞外亮度仪发生故障或出现其他异常情况导致洞外亮度信号值有异常时，系统会自动切换到时序模式。

③时序模式： 系统会按照预设的时间段和亮度级别调节加强照明亮度，在智能模式不能正常工作的情况下，各控制器将按照时序模式运行。 时序运行模式根据历史车辆量信息和白昼规律事先进行设置。

④故障应急模式： 所有的加强照明回路和基本照明回路全部开启， 加强照明灯具和基本照明灯具都按最大功率输出。 同时在软件界面上能手动开启和关闭各照明回路，该模式用于检修或其他紧急情况下使用。

另一方面， 主控制器通过RS485 串口通信向LoRa无线协调器发送隧道灯具调光、 电源控制和故障检测命令， 并由无线协调器无线转发相应的命令给各个无线单灯控制器， 对灯具进行控制和采集各灯具运行状态与故障信息。 同时，主控制器与隧道配电系统通信，采集配电参数，完成相应功能。主控制器还可通过互联网与智慧隧道监控与运营服务平台通信，组成高级监管平台与系统，实现隧道远程监管。

（3）LoRa 无线协调器。 LoRa 无线协调器具备三大功能：通过RS485 总线接收上位机发来的命令或者返回灯具和无线单灯控制器的故障状态信息；创建LoRa 无线网络，在网络内自动修改无线单灯控制器的ID 号、组号和网络号等组网参数； 与所在网络中的每个无线单灯控制器进行无线通信，发布单灯或者群灯的调光命令、电源控制命令、灯具故障检测命令，获取灯具运行状态和故障信息。

（4）LoRa 无线单灯控制器：通过LoRa 无线通信方式与无线协调器进行通信， 解析并处理无线协调器发来的控制命令， 根据命令解析结果， 相应地完成对所连LED灯具的调光控制、电源开关控制，或者返回灯具故障状态值与定位数据。

4 系统应用分析

自2019 年元月20 日至2019 年3 月31 日， 宁德沈海线吴楼隧道使用基于LoRa 无线技术的隧道智能照明控制系统进行改造试点， 隧道由隧道照明智能控制柜和隧道LoRa 无线协调器、无线单灯控制器组网构成独立的隧道照明智能控制系统， 实现了隧道的单灯无级调光控制、开关控制和灯具故障智能巡检功能，实现了受洞内外照度变化、车流量变化控制的隧道加强照明智能调光；且以隧道管理所为单元， 部署了智慧隧道照明监控与运营服务平台。 该平台通过光纤互联隧道管理所下辖的所有隧道照明智能控制系统， 构建了隧道管理所隧道照明局域网，实现了固定资产、能耗、隧道运行信息的统一管理、实时监控，产生了显著的节能效果。

4.1 应用效果

吴楼采用双向四车道高速公路标准建设。 本次改造采用可以进行无级调光的LED 照明灯具， 调光范围宽，可较好地进行智能控制。照明效果如图4 所示，其显示的是对灯具进行单灯控制后的效果，采用LoRa 无线单灯调光控制， 加强灯从洞口经过渡段到基本段所产生的洞内亮度可呈现非常舒适柔和的由亮到暗的变化。 当隧道内所有的加强照明灯具均调至最暗仍不能使亮度降低到要求时， 本系统通过单灯控制可实现加强照明灯具间隔开灯调光运行，如图5 所示吴楼隧道照明效果。相比于传统的关断一半加强照明回路方式， 单灯控制的加强照明灯具间隔开灯调光运行在节能的同时， 能保证道路表面的亮度均匀度，给驾驶员提供一个舒适的行车环境。

图4 吴楼隧道LoRa 无线单灯调光控制照明效果

图5 吴楼隧道加强照明灯具间隔开灯调光运行照明效果

4.2 节能分析

2019 年10 月10 日， 为了分析LoRa 无线隧道智能照明控制系统运行的节能效果， 由宁德高速公路管理处提供了隧道总长度、 灯具安装数量相近的吴楼高速公路隧道和使用高压钠灯具的徐江、 马头岗高速公路隧道照明系统2019 年4～9 月份电费对比，如表1 所示。

表1 三个隧道照明系统电费对比

由表1 可以看出，吴楼隧道基于LoRa 无线技术的隧道智能照明控制系统的节能效益显著。

5 总结

本文基于LoRa 无线技术研究设计了隧道智能照明控制系统，根据隧道特点及其实际的功能需求，设计开发了智慧隧道监控与运营服务平台、 智能控制柜、LoRa 无线协调器和无线单灯控制器， 实现了隧道按需照明和实时获取隧道交通及机电设备的运行状态， 既保障了隧道行车安全，又降低了隧道电能消耗；同时还实现了对区域所辖隧道运行状态的全局监管， 完成了隧道能耗分析和机电设备的故障报警统计分析、 资产管理及健康状态评估预测，形成了隧道营运与调度策略，可减少或不需要隧道人工排查，有利于及时地维护与检修灯具，有效减少因照明设备故障维护不及时对交通运行安全的影响。 系统在多条隧道中的实际运行效果验证了系统的有效性和可靠性，该系统具有实际工程应用价值。

隧道照明是隧道设计及道路设计中的一个重要组成部分，对安全行车及降低能耗有着至关重要的作用，而照明控制系统的好坏直接影响到隧道照明效果及节能效果。传统的采用钠灯灯具的路灯照明项目中，一般都依靠开关加强照明灯具进行调光，如通过时钟控制、光敏开关或者手动控制来开关加强照明灯具来调整照度， 即使有些工程采用了调光控制， 但也仅限于有限的几级调光控制，如变功率镇流器或者整体调压；这些调光控制方式不仅无法满足照度的调整控制要求 （入口段等路段照度无法与外界实际照度相匹配），而且节能效果也无法满足要求，存在大量的能源浪费。 随着LED 照明技术的不断发展成熟， 智能化控制系统及设备不停的更新换代， 给照明、调光、控制等提供了越来越多的可能性，相应地，隧道照明的控制系统也有了巨大的改变， 不再局限于过去简单而低效的控制方式。 相信不久的将来会有更先进完善的控制及照明方式出现，点亮我们的生活，让我们的世界更加璀璨。