延崇高速金家庄特长螺旋隧道智能照明控制系统的设计

于建游，刘志忠，吴建波，李春杰，郝立平，张宏霞，夏明颖，刘 洋

(1.河北省高速公路延崇筹建处，河北 张家口 075400； 2.河北交通规划设计院，河北 石家庄 050000；3.东南大学 江苏 南京 210096； 4.河北三森节能科技有限公司， 河北 石家庄 050200；5.河北立德电子有限公司，河北 石家庄 050200)

引言

根据交通运输部2014年颁布的《公路隧道照明设计细则》[1]，高速公路隧道内部的亮度至少为隧道外部亮度的45%以上，车流量较大的隧道必须达到70%的标准，因此，需要在隧道内部署大量照明设备(灯具)。

国内目前许多隧道照明系统都存在出入口亮度和隧道内亮度分布不够合理的问题。这主要会带来两个负面的影响：一是隧道实际运营中的电能浪费，照明设备如果一直保持恒定的功率输出，会造成大量非必要的电能消耗，也会影响灯具的使用寿命[2]。另一个是隧道出入口附近的亮度梯度会对驾驶员产生影响，不合理的设置可能会影响驾驶员视觉判断能力从而造成严重的交通事故[3]。

1 隧道基本情况

延崇高速金家庄特长螺旋隧道被吉尼斯认证为在建世界最长高速公路螺旋隧道，整个隧道成圆环形，半径860 m左右。左幅长4 288 m，右幅长4 104 m，出入口落差250 m有余。设计为双向4车道，隧道内最大行车速度为 80 km/h。隧道内设计车行横洞750 m左右，人行横洞250 m左右，如图1和图2所示。

图1 金家庄特长螺旋隧道的隧道平面图Fig.1 Tunnel plan of Jinjiazhuang super-long spiral tunnel

图2 金家庄特长螺旋隧道横断面模型Fig.2 Cross-section model of Jinjiazhuang super-long spiral tunnel

由于隧道落差高，转弯半径大，驾驶员可视距离短，有效的灯光布置、控制及引导在这条隧道内显得尤为重要。

1.1 布灯方式

灯具布置为双侧连续性布灯；特殊区段采用多排叠加，中间段采用单排布置。

1.2 照明灯具性能

照明灯具性能如表1所示。

表1 灯具主要性能指标

2 控制需求和控制节点设计

根据行业标准《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)和《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)的要求，金家庄隧道照明功能区段分为入口1、入口2、过渡1、过渡2、中间段、出口1和出口2共7段，每段均规定了相应的路面亮度标准，如图3所示。

图3 公路隧道照明区段划分Fig.3 Division of highway tunnel lighting section

图4 自然光环境跟踪与应急照明区段亮度示意图Fig.4 Luminance sketch of natural light environment tracking and emergency lightingsection

2.1 照明系统需求

按照照明系统设计的目的，金家庄隧道的照明系统应具有基础照明功能、自然光照环境跟踪功能、大气环境跟踪功能、交通量调整适应功能、应急救援状态适应功能、视觉引导加强功能等主要功能[4，5]，如图4所示。

这些功能要求照明控制系统有合理的控制节点，达到控制精度的要求。

2.2 视觉参数的研究

由于金家庄隧道整体呈环状布局，驾驶人员的视距受到结构限制。因而，精确的节点设计应充分考虑视距的影响。

图5 环形隧道视距计算图Fig.5 Calculation diagram of line-of-sight of circular tunnel

经过现场测绘及理论计算，在金家庄特长螺旋隧道，转弯半径为860 m的极限条件下，行车方向可视距离在212 m左右。水平视角呈现非对称性，左右侧分别为53°和67°。

螺旋隧道内除了有效视距外，另外一个重要的参数是可视时间。可视时间决定驾驶人员的视野内光环境变化的时间，对于视觉诱导和目标识别起到重要的作用。

本文的被解释变量是企业劳动生产率。参考以往涉及劳动生产率的研究文献，特别是实证文献，以人均产出来定义企业的劳动生产率，采用人均工业增加值来度量。

固定时间内行车距离公式为

其中：S为固定时间内的行车距离，单位：米(m)；V为设计时速，单位：公里/小时(km/h)；t为固定时间段，单位：秒(s)。

以设计时速80 km/h计算，10s内的行车距离S=222 m。

2.3 控制节点的设计

特殊区段控制节点的设计：接近段、入口1、入口2、过渡1、过渡2、出口1和出口2设计独立的控制节点，满足标准规定的自然光环境跟踪的要求。

根据驾驶人员的视距、可视时间的计算和计算机仿真结果，中间段控制节点的间距设计为200 m。这样可以通过色温变换的方式增强视觉诱导的实现和增强驾驶人员对前车距离判断的准确度。

在应急救援状态下，保证车行横洞之间有三个照明控制段、人行横洞之间有一个照明控制段，可以达到故障区域警示和疏散诱导的目标。整个隧道照明控制系统的控制节点数为：4×27=108 点。

3 调光控制精度设计

路面亮度要求在《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)和《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)标准中有明确细致的规定。其中：接近段路面亮度要求为与车辆时速相关的固定值，入口段路面亮度要求为与洞外亮度、车辆时速相关的函数，过渡段路面亮度要求为与入口段亮度相关的函数，中间段路面亮度为与通行量相关的函数，出口段路面亮度为与中间段路面亮度相关的函数。

3.1 控制精度设计

(2)洞外自然亮度追踪：接近段、入口段、过渡段和出口段的照明策略实施是以洞外自然亮度(L20(S)为追踪目标。回路控制系统一般采用两个加强照明回路和一个基本照明回路进行控制，只有三个阶梯。本设计采用20个阶梯进行追踪也可满足需要。

(3)车流量追踪：在行业标准《公路隧道照明设计细则》(JTGT D70/2-01—2014)中，路面亮度与车流量的关系要求仅分成了三个阶梯，即N≥1200，1200>N≥350,350>N。采用20个阶梯进行追踪可实现优于标准需要。

3.2 环境、运行信息和系统信息采集

(1)环境信息：洞外环境参数，包括洞外亮度、洞外气候等；

(2)运行信息：交通量、洞内亮度、事故信息等；

(3)系统信息：灯具工作状态信息、系统能耗信息等。

4 系统构架

4.1 系统定义

金家庄隧道照明控制系统为准静态、高稳定度智能照明控制系统。系统采集和接收洞外环境信息、交通系统运行信息和照明系统运行信息，通过决策模型确定照明策略，并将控制信息传输到照明灯具，满足一般意义的隧道照明和特殊场景的照明需要。

4.2 系统构架

根据系统的性质和定义，设计了具有边缘计算功能的三级控制系统。控制系统由主控计算机、智能集中控制器、调光控制器及数据采集终端组成，可以完成环境信号的接收、工作信号的采集、控制方案的建立和控制信号发出等全功能[6，7]。控制系统能够实现与智慧交通系统的连接，依据智慧交通系统提供的运行环境数据(包括洞外亮度、洞内车流量、洞外气候条件及意外事故等)控制隧道灯具，实现亮度调整、色温变化、闪烁、引导等功能。图6是控制系统的构架图。

图6 控制系统构架图Fig.6 Control system architecture

5 信号体制与传输媒介设计

根据系统各级的信号传输带宽的需要，设计了异构网络。针对隧道内电磁环境复杂的特点，设计了全有线的信号传输方式。表2给出了不同层级的信号传输方式。

表2 信号传输方式

6 驱动系统设计

隧道照明系统工作环境恶劣、工况复杂，对控制系统可靠性要求高，低故障率和低的故障危害度的设计应贯穿于整个系统设计之中。灯具中的LED驱动装置是控制系统的末端，必须纳入控制系统设计。通过对系统故障的形式、状态和危害度进行分析，灭灯故障为隧道照明系统的致命故障，其原因分析如表3所示。

表3 双色灭灯故障的原因分析表

可见信号故障引起的灭灯故障危害度较大，因而驱动装置应采取针对性设计。通过抗信号故障的LED驱动装置，采用自建调光信号的方法使灯具在无信号状态下保持基本光输出(满负荷工作的80%)，保证了信号故障状态下的照明需要。

7 系统决策机制

隧道照明系统的目的是使驾驶员能够清晰感知环境变化，环境参数(照度)的剧烈变化会对驾驶员产生强烈的刺激，不当的刺激会引起驾驶员的应激反应，降低行驶的安全度。合适的刺激值是系统设计的目的。照明系统的状态随边界因素而变化是智能化控制的典型特征，因而决策机制十分重要。系统的决策受三维因素的影响，分别是环境因素(季节、时间、洞外照度和气候状态等)、隧道运行参数(车流量、车流分布、能耗状态等)和事件因素(计划可控事件和突发事件等)。系统将通过设计建立的三维模型，通过收集和采集的因素参数决定系统的状态，如图7所示。

图7 影响决策机制的因素Fig.7 Factors affecting decision-making mechanisms

8 结语

通过以金家庄特长螺旋隧道为基础模型，设计了一种高速公路螺旋型隧道智能照明控制方法。通过控制系统实现多节点的控制，实现色温和亮度的平缓变化；通过洞外光环境的跟踪，减少了进、出隧道的不适感，营造了一个安全、舒适的隧道行车光环境。通过多阶梯的亮度控制，克服了回路控制的粗放性，满足了节能高效运行的需求；同时通过隧道灯光色温变换起到警示、疏散及引导的作用。系统可纳入隧道智能管理系统，成为智慧化高速的一部分。