基于优化布灯参数模型和CAN的隧道照明系统研究

摘要：众所周知，中国的隧道数量庞大，有效的隧道照明是保证行车安全的关键。而在目前的隧道照明系统中，存在很多的问题，如技术单一，耗能高，造成环境压力加大，高昂的造价也浪费了国家的财政资源，另外，由于人类视觉适应的滞后现象等因素的影响，隧道安全也成为人们及其重视的问题。在此背景下，研究出一套节能环保，安全又经济的照明系统对于整个社会的意义而言是及其重要的。本文笔者将依托相关技术模型分析新型的隧道布灯及智能控制系统。

关键词：布灯参数优化模型;CAN总线;无极调光控制系统

1 隧道照明智能控制系统的必要性

1.1 背景概述

随着我国城市化进程的迅速发展，在西部多山地区连接农村与城镇的隧道成为人们主要的交通方式。然而我国目前隧道交通安全事故频发，经分析发现，其主要原因在于隧道照明布置不合理及在较大的节能驱动下隧道控制单位减半开灯。目前，我国高速公路隧道照明系统普遍采用以车速、车流量最大值来确定隧道亮度的模式，这种照明方式电能消耗大，如全国第一长的高速公路隧道—西康高速公路秦岭终南山隧道（双洞）总长 18020m，每年的电费在 1800 万元左右。隧道用电成为高速公路运营管理部门的一笔沉重的负担，同时也对“国家节能减排战略”的实施带来不积极的影响。所以如何在确保行车安全的同时降低隧道照明能耗，已成为隧道科研设计、建设和运营单位亟需解决的问题。为解决这一问题，我们可以研究基于优化的布灯参数和 CAN 总线的智能控制技术，在优化布灯参数模型的基础上，优化行车照明条件，实现隧道照明的自动控制，达到隧道节能最大化的目的。

1.2 国家战略分析

国家《节能减排“十二五”规划》中指出，要突出抓好工业、建筑、交通、公共机构等重点领域和重点用能单位节能，大幅提高能源利用效率，有效减少主要污染物排放总量。在建设资源节约型、环境友好型社会的背景下，高速公路隧道建设部门作为重要的交通通道和公共服务设施应当做好相应的节能减排工作。

2隧道照明控制系统的研究

2.1研究方向的确定

随着自动控制技术的快速发展以及推广，国内外在隧道照明控制方面的研究也随之发展。隧道照明节能光源的研究主要在两方面：其一是通过对比不同光源性能来选择合适的照明灯具;其二是对隧道照明灯源的配光曲线进行研究实验或设计。

依据配光曲线设计的 LED 比传统的 LED 节能 12%，因此我们将LED灯作为我们的照明灯具。另外，在隧道建设中，隧道通信方式的选择对隧道的建设成本具有一定的影响，同时还将影响隧道的智能化程度。电力线不仅可以为照明系统提供电源 ，同时也可作为通信网络的传输介质，目前国内外的隧道照明通信网络主要有 LonWorks 总线、传统的 RS485 总线、高效的 CAN 总线以及无线或者物联网等。 CAN 总线具有传输距离远、通信速度快以及网络节点数多等特点，利用CAN总线实现了隧道照明的全线智能通信控制。随着 CAN 总线的应用及开发，CAN 总线目前尚未形成统一的高层协议，而对于不同的高层协议，其通信能力各不一样。 因此，随着 CAN 总线的发展，CAN 高层协议是未来隧道通信协议研究的重点方向。

2.2 技术核心

该系统基于绿色、节能、环保等出发点，在现有布灯方式及布灯参数模型的基础上，进行布灯参数的优化，通过计算建立优化布灯参数模型，并在此基础上设计基于CAN总线的无极调光控制系统，采用一种基于布灯参数优化模型和CAN总线的照明控制系统来实现隧道照明的节能控制需求。

2.2.1布灯参数优化模型

在规范要求的基础上，通过研究布灯方式、布灯间距等可能影响节能照明的因素，建立一种布灯参数优化模型，并通过DIAlux进行3D建模，模拟现实隧道环境的照明节能效果。经过建模计算，我们发现当采用中央布置方式时，隧道路面照度、亮度及亮度均匀度最高，照明效果最好，交错布置方式照明效果次之、对称布置照明效果最差，考虑节能要求，可以采用中央布置方式，并对其进行优化。

2.2.2 CAN总线控制系统

在布灯参数优化模型的基础上，基于隧道布灯参数优化的节能技术，加入了CAN总线控制照明模块，使该系统能够根据运营中实测路面最小照度值，调整灯具输出功率，使隧道内照度始终可以满足照明需求。选用 CAN 总线构建隧道照明通信网络，实现隧道各段不同照明的目标。 经隧道布灯参数优化后可得隧道各区段需求亮度模型，而该模型依据传感器测量的车速、车流量以及洞外亮度值，通过照明控制计算机计算出隧道内各区段所需照明亮度。结合隧道 LED 灯光衰曲线，对隧道各段 LED 灯实际照明功率进行调整。 照明控制计算机通过 CAN 总线将照明控制指令传输至照明系统的各个灯具节点，各节点依据 CAN 控制器节点编码判断该指令是否符合接收要求，CAN 控制器将接收的照明控制指令传输至灯具节点对应的调光控制器， 调光控制器根据照明控制指令控制 LED 驱动器，从而实现对 LED 灯的无极调光控制。

这样，布灯参数优化与智能控制相结合，就能在布灯参数优化带来 1 次节能的基础上，再通过智能控制实现第 2 次节能，从而实现节能的最大化。

3 结语

总之，本系统目前通过提供一种新型的隧道照明装置系统，一方面使隧道布灯科学化，合理化，使隧道驾驶过程更为安全，另一方面绿色节能环保，符合国家“可持续发展”战略要求，投入市场使用后预计会带来极大的经济效益和社会效益，这对于经济社会发展和隧道照明领域的进一步研发也具有重大意义。

参考文献

[1] 钱卫建. 高速公路隧道照明节能减排对策研究[J]. 中国交通信息化， 2016（4）： 127-129.

[2] 白欣欣. 高速公路長大隧道照明系统改进研究[D]. 硕士论文. 西安： 长安大学， 2013.

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

作者简介：岳铭慧（1999-），女，籍贯：河南省安阳市，本科，研究方向：国际经济与贸易