高速公路隧道照明智能检测技术研究

程智清 杨金铨 杨仕强 王立军

摘要：隧道照明智能检测系统可通过自动采集照度信息，并进行智能化处理，对隧道照明状况进行客观、准确的评价，检测速度快、数据准确、封道时间短，可以为隧道的运营和维护决策提供准确的数据支持。现阐述了高速公路隧道照明智能检测系统的软硬件设计要点，分析了隧道照明智能检测系统的关键技术。

关键词：高速公路;隧道照明;照度;智能检测系统

0 引言

隧道照明环境的好坏是影响车辆安全行驶的关键因素之一，其检测主要将照度、亮度以及均匀度、纵向均匀度作为指标，而亮度由于受到检测条件限制难以进行有效检测，因此，在隧道照明环境检测时多采用照度作为指标。

1 研究目标及特点

本文所研发的隧道照度快速检测系统是将照度传感器安装在汽车后部，通过该照度传感器可以自动采集隧道内纵向面的照度数据，并绘制照度曲线。该系统大大提高了检测效率和准确性，极大地缩短了检测时的封道时间，减轻了检测人员的劳动强度，保证了检测人员的人身安全。

2 隧道照明智能检测系统设计

2.1    设计原则及原理

2.1.1    设计原则

隧道照明智能检测系统的设计总体原则为：技术先进、经济合理、维护方便、设备简洁紧凑，同时必须符合检测标准的要求，有利于检测技术的发展。软件设计的原则为：标准性、成熟性、实用性、安全性和可扩展性。

系统研究时还要注重需求牵引原则，即以检测业务和检测标准的需求为原型，牵引系统研发;还要遵循循序渐进和软硬件系统兼容协调的原则，在不断改进的过程中，促进软硬件协调、兼容和统一。

2.1.2    主要原理

隧道照明快速检测系统测试原理如图1所示。通过安装在车辆后部的照度传感器、五轮仪、摄像机等设备，将隧道照度值、检测位置、图像等数据传输至软件系统，自动计算生成隧道照度数据曲线。

系统软件采用多线层软件架构，通过五轮仪或旋转编码器输出的位置信号触发采集照度数据和图像数据，并在前面板上显示回放。

2.2    硬件设计

硬件采用PXI平台，主要硬件包括车内接线箱、高性能控制器、混合机箱显示器、同步采样数据采集卡、交换机/路由器、高清摄像机、照度传感器、速度传感器及车载发电机等。其中，车内接线箱要能安装供电电源，并为每个传感器设置供电开关，满足前后面板接插件出线的要求，具有由9个混合插槽、7个混合外设插槽、1个系统插槽和系统定时插槽组成的PXI机箱;高性能控制器采用2.8 GHz双核处理器，250 GB SSD存储，具有USB2.0、100/1 000 Mbps以太网接口、RS-232串口、VGA视频接口、8个工业DIO、4个源/漏输入DI、4个漏极输出DO等接口;同步数据采集卡的采集率需达到250 kS/s，具备16通道差分模拟输入和16位分辨率AD;照度传感器具备10～2 000 lx、10～4 000 lx、10～10 000 lx 3档可调，60°视野;车载发电机采用单缸、四冲程79 CC、1.6 kW变频发电机。硬件设计示意图如图2所示。

2.3    软件设计

系统软件采用模块化、多线程结构，以提高代码执行效率。整个架构分为多个引擎：照度采集引擎、图像采集引擎、脉冲计数引擎、触发控制引擎和状态引擎。

软件以LabVIEW作为开发平台，将采集器采集的数据实时显示到上位监控主机，进行环境照度数据的实时分析和显示，绘制记录波形，记录相应的图片数据;触发信号采集和回放坐标信号;自动导出检测报告和进行数据库管理[1]。

3 隧道照明智能检测系统关键技术

3.1    可靠的软硬件平台

基于PXI总线技术，结合LabVIEW图形化编程语言，可以快速创建灵活且可扩展的测试，测量和控制应用程序，通过与硬件集成并使用代码生成工具，可快速获取、分析和显示重要数据。

3.2    软件模块化多线程结构

软件编制采用模块化、多线程结构，以提高代码执行效率，使得软件调试和修改过程简便快捷。

3.3    精确隧道内的定位

隧道内由于没有GPS信号，结合速度仪，可精确确定当前隧道内测量的位置，使照度数据与位置信息匹配，绘制各监测点位的照度值[2]。

4 隧道照明智能检测系统研究成果及应用

4.1    研究成果

4.1.1    完成了隧道照度快速检测系统的搭建和测试

通过研究完成了隧道快速检测系统的硬件和设备布局，完成了隧道快速检测系统的软件研发，通过对各个关键设备的技术指标进行分析，以及对检测标准要求进行相关研究，完成了隧道照明智能检测系统的搭建和测试。

4.1.2    照度传感器的优化选择及其支架的机械设计

通过对隧道照度的现场检测调查，对照度传感器的技术参数进行了试验研究，发现隧道内照度在入口段和出口段的照度值可达到基本段的150余倍，段落间的照度值相差巨大，故在照度传感器和机械支架设计中有针对性地进行设计，加大了传感器量程，并提高了精度。

4.1.3    数据采集卡和图像采集的优化选择及匹配

在系统架构设计中，采用网络高清摄像机替代图像采集卡和标清摄像机采集图像，并结合同步采集卡采集照度数据（照度计输出的电压值），大大减少了占用的系统资源。

4.2    工程应用

高速公路隧道照明智能检测系统研制完成后，在多个隧道工程中进行了应用，采用7断面×6测点的方式进行自动采集，系统根据采集数据自动计算平均照度、换算亮度、总均匀度和纵向均匀度，并导出检测记录和结果。

通过对比研究，采用隧道照明智能检测系统测试的平均照度值重复偏差低于5%，检测时间缩短为15 min以内，极大地提高了检测精确度，降低了隧道照明检测对民众出行的影响，这是隧道照明智能控制技术的显著特点。

5 结语

隧道照明智能检测系统的研制在很大程度上减少了封闭隧道的时间，提高了检测工作和出具报告的效率，填补了国内无隧道照度智能检测系统的空白，提升了我国公路养护能力，具有良好的经济及社会效益。随着国内高速公路的不断增多，公路管理单位对隧道机电设备养护检测、管理装备及技术的需求不断增多，有必要继续研发用于快速检测的相关装备和技术，不断提高高速公路隧道管养的智能化水平。

[参考文献]

[1] 曹佳宝.高速公路隧道照明智能节电技术研究[J].公路与汽运，2019（6）：39-41.

[2] 柴国彦.高速公路隧道照明智能节电技术应用探析[J].工程技术研究，2019，4（2）：30-31.

收稿日期：2020-05-27

作者簡介：程智清（1982—），男，陕西人，硕士研究生，在读博士，高级工程师，主要从事工程材料、交通工程、智能交通检测及造价等方面的研究工作。