隧道照明“两光源互补”智能控制系统设计

苏明虎

广东新粤交通投资有限公司，广东 广州 510000

0 引言

隧道行车具有较大的安全隐患，因此打造智能化的照明系统已经成为当前多方关注的重点。利用信息技术构建自动化的照明体系，不仅能够结合隧道实际运营情况提供不同的照明服务，也可以结合具体的地理位置及环境因素打造能源节约体系[1]。“两光源互补”主要是建立在智能光源及自然光源的基础上构建的互补方案，可以有效实现区域资源的再利用。基于此，文章以案例分析法及文献研究法作为主要方式，综合隧道“两光源互补”的智能控制体系展开探讨，能够为当前的能源节约及隧道安全照明体系建立奠定基础。

1 基础技术背景分析及案例概况

1.1 “两光源互补”照明体系的研究背景

发展至今，我国当前的交通体系已经较为成熟，尤其是在隧道工程领域。随着我国交通系统覆盖范围的不断扩大，在部分环境及地形地貌较为独特的区域，隧道成为联通交通网络的重要节点。这就要求隧道内部为行车提供有针对性的服务体系，其中照明系统是最关键的内容。当前，绝大部分的隧道以穿山隧道为主，周边环境较为复杂，同时光照极为不良，利用人工照明的方式来营造完善的出行环境至关重要。目前，隧道照明体系的研发呈现多样化特点，尤其是在绿色环保理念的推行下，结合隧道出行的实际特点打造智能化的联动系统，能够为能源节约提供有效保障[2]。

综合隧道行车的具体规律，在常规条件下，白天的车流量较大，具有极强的连续性，而夜晚车流量会逐步减少。因此在晚间会存在部分时间段隧道内部无车辆通行，这种情况下长时间进行光照会浪费较多的能源。当前，照明体系趋于智慧化发展，各种检测技术越来越智能，应用智能照明系统，可以结合隧道内部具体的行车情况，及时调控隧道照明的亮度及模式。除此之外，引入自然光源实现太阳光的二次利用，也可以为能源节约提供有效保障。

1.2 工程概况

某工程段全程长409.2 km，设置了多条隧道，为了进一步节约电能，同时提供高效的照明服务体系，必须进行智能化照明系统的整改和创新。该工程由于地理环境较为独特，已建成的高速公路中涉及大量的隧道，而且受到地理环境及独特条件的影响，人们的出行习惯与其他区域有着一定的差异性，白天的车流量各时段分布不够均匀，且晚间的车流量相对较少，因此无间断的照明方式会导致资源浪费。

综合我国当前的智能化照明系统发展情况来看，以可持续及人性化作为主要原则，部分地区已经通过逆光证明及二次配光技术构建了新型的感应系统，如电磁感应无极灯、光纤维隧道灯、Kz系列光源、飞利浦Coamo照明系统等，而节能的主要策略往往以光电控制和智能调控为主，结合新形式的铺装材料来实现能源节约。综合以上既有的技术体系，在物联网物物联动原则的基础上，以满足该区域交通需求为主要内容，介入外界光照来自动调节隧道内部的光照强度，结合隧道的入口段、过渡段、中间段、出口段打造不同光照强度的智能化控制系统，能够有效实现能源节约，并提供有效的光照服务。

2 基于物联网的“两光源互补”隧道照明智能控制系统设计

2.1 硬件系统的设计及结构

（1）系统硬件的整体结构。建立在以上运行需求及既有技术体系的基础上，以物联网为依据，强化各个环节之间的关联。从整体设计角度看，主要的关联包括外部自然光照环境与内部隧道智能控制体系之间的关联、车流量与智能遥感系统的关联、光照强度与不同隧道段的关联、自然资源与电能资源的关联等，以此为依据构建硬件总体结构。该区域具有较为丰富的太阳能资源，因此整体的智能控制系统以人工供电及太阳能供电方式为主。人工供电主要提供最基础的供电保障，以维持整体系统的正常运行；而太阳能供电系统主要涉及光伏阵列、蓄电池组、充放电控制器、逆变器等结构，智能化控制器以PLC自动控制器为主，该种类型的控制器在当前多个领域都有应用，尤其是在工业生产领域，大部分的智能机器人及自动化控制系统都是以其为依据，同时借助了物联网物物关联的特点，构建了针对性的系统结构。在PLC自动控制器的基础上，又配备了光纤云台控制器，其能够提供多种信息的遥感和检测。其中，具体检测模块涉及雷达测速仪、光照度传感器、光电传感器。这些传感器模块是直接打造物与物关联网络的重要节点。物联网模块则可以将采集到的相关数据结合隧道内部各段的具体光照需求传送到中心云平台上，有助于系统及人员快速地监测隧道内部的整体运行状态，从而提升行车的安全性[3]。

（2）太阳光输送模块。所谓“两光源互补”，主要是指将自然光源传输到隧道内部，从而实现电能的节约。综合太阳光输送模块具体涉及云台、云台支架、透镜组、控制器、限位开关、光纤束、驱动电机等结构。云台的具体设计涉及两个层次，上层需要固定10组透光镜来实现太阳光的聚光，在与其相距5 cm的位置设置下层，以阳光收集器为主。在阳光收集器的下方设置收集光纤，云台支架可以自由转动，实现单轴+60°～-60°的太阳光跟踪。同时，在收集器中设置了自动启动装置，在每日的清晨7点该装置会自动启动，云台处于上限位置进行太阳光追踪，此时云台的平面和太阳光的入射呈现垂直状态，确保能够最大限度地利用太阳光源，而光纤导入隧道内的太阳光会直接通过散光装置进行均匀分布和散射，确保实现隧道内部照明。在傍晚19点，云台处于下限位置，会通过翻转的方式回归到上限位置，并自动停止转动。

（3）光照智能控制系统。光照智能控制系统主要涉及光照传感器、PLC电源模块、中心处理器模块、Modbos总线、LED灯组及固态继电器（SSR）等。在白天有自然光线时，阳光输送器会将收集到的光源分散到隧道内部，若光照强度能够满足实际的隧道内部车辆通行需求，以及不同隧道段的照明需求，整体系统处于关闭状态。若自然光照经过输送和散射之后，难以满足区域的光照强度，这种情况下系统会自动启动并且调节内部的照明系统，直至满足实际的光照标准。在夜晚，隧道内部所有的照明灯都将处于低功耗模式，结合LED灯自身的不同亮度实现能源节约。

（4）智能检测模块。智能检测模块的主要功能是统计隧道内部的车辆运行情况，结合具体的时间、车辆数量、隧道内部车辆的超速情况进行判断，同时可以实现隧道内部堵车情况及隧道外部光照强度的检测，最重要的是可以结合不同区段的光照强度进行测定，从而联动PLC自动控制系统实现智能调节。分析其具体的工作原理，需要检测隧道内外的实际光照强度，综合隧道内部的温度及隧道两端的车辆进出情况进行计算，分析车辆超速情况及行驶速度，这样能够有效把控当前该路段的车流量及具体的行车概况，并有效实现周边区域的交通疏导。最终采集到的信息都可以通过物联网传输到手机终端及监测网站，从而实现宏观调控[4]。

（5）物联网模块。我国当前以物联网技术为基准打造的智能模块存在多样化特点，项目工程中选用的是西门子工业物联网结构，具体使用时，需要在前期在平台上设置相关通信参数，控制好变量，并且结合变量的类型及特点进行编译，然后将保存好的参数下载到云盒子中再上传到云平台。物联网云盒子监控平台示意图如图1所示。

图1 物联网云盒子监控平台

2.2 软件系统的核心设计

（1）自然光跟踪软件。自然光跟踪方式具有多样化特点，但在原理上具备一定的统一性，主要包括开环控制和闭环控制两种模式。目前的应用以闭环控制为主，开环控制的精准度没有闭环控制高，但是其结构简单，在部分系统中也有应用。开环控制主要是建立在匀速运动追踪的基础上，实现的主要原理是结合太阳在不同季节的东升西落规律进行精准分析。通常，太阳方位角以每小时15°的规律运动，每24 h移动一周，以此方法进行累计计算，但是误差较大。另外，也可以基于视日运动跟踪，通过分析不同时间、经纬度、季节等因素了解太阳的具体运动轨迹，然后将所有的相关数据输入控制器中，结合时间和空间同步的原则进行太阳轨迹计算，但是该种方式也存在一定的不足，若太阳轨迹出现变化，所有的变量数据都需要调整。闭环控制主要是利用传感器检测光线的具体入射角度，然后调整接收器的表面位置，以弥补二者之间的偏差。在当前的部分智能光照系统中，利用闭环控制来实现智能自然光的检测是较为常见的方式[5]。

（2）光控系统。光控系统主要是结合不同隧道区段的运行需求，进行光照亮度及时间的调节。通常隧道涵盖了入口段、过渡段、中间段、出口段等区段，在我国的相关条例中也指出了不同区段具体的规范亮度，因此综合不同区段的实际亮度需求，可以进行隧道内部光照亮度及空间的调整。常规的调整曲线如图2所示。这其中涉及对隧道不同时间使用情况的分析，白昼的交通量和晚上的运行状态有一定的差异性，因此在交通量较大的环境下，会适当调整隧道内的光照强度。案例工程中某段隧道内的日交通量进行统计之后，呈现出的数据如图3所示。

图2 隧道照明亮度曲线

图3 某交通隧道日交通量统计

由于光照的亮度与空间及时间之间有着决定性关系，因此需要及时地调整LED输出功率。同时，还需要考虑“两光源互补”的实际原理，光伏需要转化成具体的电能，然后再将其转化成人造光，太阳光的输送系统直接通过光纤进行补光，二者的相互配合才能够达到具体的工作需求。在计算光照参数时，可以综合具体的时间段及隧道内部车流量进行分析。若是在晚上，时间参数应控制在20：00～23：00、0：00～7：00这两个时间段内，这时外界的自然光已经消失，隧道内的主要照明体系为蓄电池储存电能及光纤补光。这期间隧道内的交通量较少，因此LED灯将转化为低功耗模式，同时配合PLC自动控制系统，及时监测隧道出入口的车辆行驶情况，实时性地调整不同区段的光照强度。

在时间参数11：00～14：00、18：00～20：00这两个区间时，由于交通量正处于高峰期，因此隧道内的整体光照强度应该要高于设定值。在这个过程中，整体智能化系统会直接通过既有的参数及模糊算法进行带入，展开计算。结合计算出来的实际结果，再联动自动控制系统及调光系统，能够及时地控制隧道内的具体光照情况。这种方式具有较强的时效性，同时通过远程的中心控制站及监测体系进行远程监督，也可以利用人工的方式，配合人机交互界面实现人工调控，进而有效解决隧道内部突发情况下的光照问题。

3 结束语

在当前节能环保的社会发展理念下，通过自然补光转化来打造“两光源互补”的智能化隧道照明体系，对于有效节省能源有一定的促进作用，并进一步强化我国道路交通管控的智能化及自动化特点。文章建立在某隧道工程智能化照明系统设计的基础上，凭借其典型性及代表性优势，论述了具体的硬件系统及软件体系，由此可以证明“两光源互补”技术的应用具有可行性，能够有效实现隧道内部不同区间光照情况的调节，也可以综合多种变量及时地提供高效的光照服务。在不断推广和应用的过程中，也需要不断创新，这样才可以进一步提升隧道行驶的安全性，并打造绿色节能的交通系统。