隧道照明智能控制技术及其应用研究

李嘉麟， 李嘉麒

（1. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司；2. 中国葛洲坝集团第三工程有限公司）

1 引言

隧道照明对隧道内行车安全以及绿色交通建设具有重大影响，在隧道内外环境变化过程中，人眼视觉需要一定的适应时间，这个过程也是交通事故发生的高发期，而传统的照明控制方式对人工操作过于依赖，自动化控制水平不高。因此，加强隧道照明智能控制技术应用，对于提高经济效益、社会效益、环保效益都具有积极的现实意义。

2 隧道照明智能控制相关问题分析

2.1 影响因素

研究隧道照明工程首先要分析隧道照明光环境特性，明确主要影响因素，然后才能采用相关控制理论和控制方法进行针对性设计。隧道是一个特殊的流动空间，内部光环境主要通过人工照明创建，解决隧道光线昏暗的缺陷，由于隧道内外部存在亮度差异，当人们进入隧道时，会形成视觉延迟，产生黑洞效应，在靠近隧道出口时，同样会因视觉延迟，无法看清路面，这时会产生炫光效应，因光环境变化产生的视觉效应是隧道照明控制设计的理论基础。除此之外，隧道照明光环境还受天气变化、墙体光反射、车流状况等方面的影响，车流速度、车流量、车流密度、尾气浓度都具有不确定性，对光线的影响是随机的，隧道工程中的照明环境是隧道环境与照明控制相互作用的结果，影响因素信息的特点是多样性、时效性、离散性、大量性、相关性和特异性。满足行车需要应要求照明控制系统能够及时检测隧道照明环境的变化，采取相应的控制措施，调节照明亮度。

2.2 控制理论

隧道照明控制系统设计需要在信息采集分析的基础上，自动控制照明灯具亮度调整，以提供实时状况下的最优隧道光环境，如何判断光环境的优劣，需要遵循一定的理论规范准则，以此作为控制系统智能调整的依据。在入口段亮度控制上，需要遵循隧道照明规范，将入口段划分为两个照明段，根据洞外亮度、折减系数计算对应照明段亮度，至于入口段的长度，要综合考虑隧道坡度、净空高度、行车速度等综合因素，运用入口段长度公式计算获得。在过渡段照明控制上，过渡段设计的主要目的是为人们提供过渡缓冲区域，能够适应从强亮度到暗亮度的基本变化，根据标准规定的适应曲线，将过渡段分为三个照明段，根据公式计算不同过渡段的亮度值，从标准规范中得到过渡段的长度。在基本断面照明控制中，保证停车视野距离是基本要求，照明水平与交通量、驾驶速度等因素密切相关。根据基本段照明亮度表取值，隧道总长度之和减去其他路段长度就是基本段的长度，在出口段的照明控制中，如果是双向交通隧道，出口段也是入口段，照明控制设计的基本策略是相同的，在单向隧道的情况下，出口段按照相关规范分为两个30米长的照明段，各段亮度根据基本段照明亮度计算获得[1]。

2.3 控制方式

每个路段的照明控制都对隧道光环境起着重要作用，直接影响到行车安全和驾驶舒适度，良好的照明控制模式可以创造更好的照明环境，消除隧道驾驶的负面影响。传统的照明控制方式以手动控制为主，过分依赖人工操作，而且控制相对分散，无法实现集约化、自动化、实时性管理。分时段照明控制方式解决了照明控制分散管理的问题，可以根据不同时段和车流量需求，调整照明设备开启数量，从而达到隧道光环境控制的目的，虽然具有一定程度的自动化，但是无法根据隧道环境变化调节照明亮度，可能会因突发天气情况和尾气污染问题导致照明控制效果较差。因此，十分必要发展智能照明控制方式，集合信息采集、现代化数字、网络通讯、多种照明控制等技术，可以有效减少对人工操作的依赖，运用各种传感器，遵循多样性、可靠性、直观性、实时性的基本原则，充分考虑了突发动态因素的影响，采集隧道光环境影响数据，根据相关控制理论和标准规范，自动调整灯具开启和光源亮度，实现了照明控制系统的独立运行。

3 隧道照明智能控制技术应用研究

3.1 车辆行为感知技术

3.1.1 基于图像的车辆检测

隧道内车辆行为的准确检测是照明智能控制的关键所在，基于图像的车辆检测技术能够发挥重要作用，车辆属于视频图像序列的运动目标，车辆检测的目的是从序列图像中提取变化区域。常用的方法包括背景差分法、帧间差分法、光流法，其中，背景差分法非常有效，能够保证移动目标提取的准确性和完整性，能够检测静止和低速车辆，更适合安装在监控摄像头中。用于固定场景检测，但对外界光照变化相对敏感，隧道内部环境基本不会受到外界光照的影响，所以采用背景差分法比较合理。在此基础上，结合车载检测、图像分割、阈值识别、感兴趣区域提取等技术，可以提高车辆检测的精度和稳定性。工作过程中，隧道内灯具的照明亮度发生变化时，监视摄像机会连续拍摄多帧的图像，并保存获取到的背景图像。当车辆经过时，监控摄像头获取实时图像，利用差分图像的二值化和分块处理以及阈值判断，做出有车或无车的判别，如果判断为无车，那么就会将实时采集图像替换为背景图像，作为下一帧图像检测的依据。背景图像的准确提取和实时更新是基于图像车辆检测技术应用的核心，必须有效规避不利因素的影响，降低误检率和漏检率，然后才能根据隧道内车辆运行情况调整照明系统。

3.1.2 基于传感器的车辆感知

基于视频图像的车辆检测主要是针对隧道内部情况，而利用传感器进行车辆感知主要是对隧道入口段和出口段的车辆行为检测，实时获取信息，并通过光纤传输到照明监控系统，该系统计算亮度，从而智能控制隧道部分的照明，如果没有车辆进入隧道，照明控制系统会将灯具亮度降低，如果检测到车辆信息，会通过传感器技术统计判断车流数据，结合隧道内监控摄像头的图像信息，给出进一步的提示和报警。传感器的选择至关重要，主要包括红外探测器和线圈车检器，红外探测器的主要作用是采集车辆有无信息，由于红外探测器安装在隧道入口处，可能会受到护栏的影响，因此对射光束必须根据实际情况进行屏蔽，红外探测器的光束响应时间必须要低于车辆遮挡光速时间，以免出现漏检情况，线圈车检器的主要作用是检测车速，同样要保证检测的准确率。基于传感器的车辆感知技术应用一般要设置三组传感器设备，一组包括红外探测器和线圈车检器，安装在隧道入口处，根据车速和照明系统的调光时间决定距离，使调光控制系统有充分的工作时间，另外两组只需要红外线探测仪，其中一组安装在隧道中间位置，用来判断车辆是否驶过前半程，如果已经驶离前半程，而且没有新车辆进入，那么前半程的照明可以调整到低能耗状态，另一组设置在隧道出口，以判断所有车辆是否离开。安装位置应该根据现场环境确定[2]。

3.2 环境信息感知技术

除了车辆信息，隧道环境信息监测对于光环境控制也十分重要，环境信息感知技术的应用也主要依赖于各种传感器。光强度传感器可用于检测隧道入口内外的亮度，而收集的数据是控制算法的重要输入参数。为洞口调光提供主要依据，计算隧道洞口内外光强差值，结合车流量等相关参数，确定入口部分的照明亮度调整值，然后确定其他部分的照明强度。隧道外的能见度仪可用于监测隧道入口处的大气能见度并根据气象条件不同获得能见度，隧道内的CO/Ⅵ探测器可用于监测隧道内的能见度。相同的亮度和照明对比度在不同的能见度条件下也会产生不同的视觉识别效果。通过采集能见度数据，能够对常规状态下计算的照度设定值进行校正。气体浓度传感器可以有效监测汽车在隧道中的尾气排放，包括烟尘浓度、尾气浓度等相关数据，为照明控制提供更全面的参考信息。严格控制传感器的选择，不但要满足功能性需求，保证使用寿命和工作稳定性，而且要重视产品的经济性和售后服务。合理调整各种传感器的安装位置，设备安装在隧道入口应避免隧道外光线的干扰，能够准确监测入口段照明参数，隧道洞口外设备应该根据标准规范，结合隧道坡度、设计速度等相关参数，计算距离洞口的长度，能够充分发挥相应检测功能[3]。

3.3 照度实时监测技术

照度实时监测技术的应用有利于实时掌握隧道内照明情况，提高隧道照明控制的精确度。照度实时监测系统主要由工控机、光强检测器、网络摄像机等部分组成，其中，光强检测器用来检测隧道内路面照度，可以通过网络摄像头获取隧道内的图像，工控机上的实时监控软件可以提取和分析的图像，根据数据的照度传感器检测到的数值，将隧道里路面图像的灰色值转换成光照度，得到光照度均匀度值。将这两个数据传递给中心服务器，从而实现照明控制的闭环管理。为了保证图像获取质量，网络摄像机的选取要满足镜头、最低照度、快门、图像设置、通讯接口、支持协议等相关参数要求，同时，保证了工控机的处理速度，存储图像的容量较大。隧道里多个位置安装网络摄像头来监测隧道内状况及道路照明、确保路面拍摄的连续性并根据现场实际情况合理调整摄像头的安装角度，洞内光强检测器的安装则要紧邻网络摄像机，工控机应该与局端光端机设置在一处，这样有利于缩短传输距离，提高图片传输的稳定性，更好地进行图片处理工作[4]。

3.4 实时自适应调光技术

实时自适应调光技术是实现隧道照明智能控制的核心，主要通过LED 隧道灯和调光控制器实现。采用LED节能灯具进行隧道照明，能够实现多级调光的目的，满足不同亮度需求，提高照明控制的精确度和可靠性。局端调光控制器必须具有远程交换功能，可以接收监控中心的调光命令并将指定地址发送到远程调光控制器。一般安装在隧道变电所内，方便与照明控制软件进行通信，远端调光控制器应该具备多个端口，能够及时响应局端调光控制器信号指令，对单个灯具进行多级调光，一般安装在LED隧道灯的附近，这样能够保证各分段灯具调光的及时响应，同时，结合布线要求、安装难度、经济成本等综合因素进行考虑，科学计算LED灯布设间距，各段灯具产生的亮度应该满足照明标准和调光需求。

4 结语

综上所述，基于隧道工程的结构特点，结合人的视觉特性，在驾车穿越隧道过程中会产生诸多视觉问题，容易引发安全隐患，出于驾驶安全的考虑，传统的隧道设计通常会优先保证照明充足，这样会产生能源浪费。基于智能控制技术的隧道照明系统应用能够实时采集环境变化信息，根据相关规范标准和理论研究，自动调整隧道内光环境，满足节能环保的要求，同时保证安全舒适地驾驶。