基于模糊控制決策的隧道照明節(jié)能方案研究

黃志偉，彭曉春，莫新強(qiáng)

（廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029）

0 引言

為貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措，響應(yīng)我國(guó)“十一五”規(guī)劃提出的節(jié)能減排號(hào)召，各行各業(yè)紛紛尋求科學(xué)的、可持續(xù)發(fā)展的方式，以促成這場(chǎng)綠色革命的成功。在交通領(lǐng)域，隨著全國(guó)高速路網(wǎng)規(guī)劃的完成和實(shí)施，如何采用科學(xué)的手段降低運(yùn)營(yíng)成本，達(dá)到節(jié)能減排的目的，成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。本文將高速公路中耗能較為明顯的隧道照明系統(tǒng)作為節(jié)能研究對(duì)象，從照明設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理兩方面進(jìn)行考慮，提出較為科學(xué)的控制手段和管理理念，以達(dá)到節(jié)能目的。

1 隧道照明系統(tǒng)的發(fā)展史

公路隧道照明系統(tǒng)的研究由來(lái)已久，20世紀(jì)60年代，意大利和法國(guó)交界的Mont－Blanc隧道就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)交通量進(jìn)行照明調(diào)光［1］。自20世紀(jì)80年代起，為減少交通事故，對(duì)照明設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行規(guī)范化管理，世界各國(guó)根據(jù)各自的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)了隧道照明的相關(guān)規(guī)范。我國(guó)隧道照明系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展起步較晚，直至2000年1月份，我國(guó)交通運(yùn)輸部才頒布了《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026.1－1999）作為較為完善的隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范。目前，公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要有《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70／2－2014）、《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG／T D70／2－01－2014），規(guī)范充分考慮了行車(chē)過(guò)程中的“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，以及交通量、行車(chē)速度、洞外亮度、折減系數(shù)等因素［3］。

2 隧道照明系統(tǒng)的工程現(xiàn)狀

隧道照明系統(tǒng)是隧道機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，是耗能較大的系統(tǒng)之一，直接關(guān)系隧道行車(chē)安全問(wèn)題，同時(shí)影響著運(yùn)營(yíng)、維護(hù)的成本開(kāi)銷(xiāo)，在高速公路運(yùn)營(yíng)管理中，隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能效果備受關(guān)注。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)隧道長(zhǎng)度（L）為100m≤L≤200m的高速公路光學(xué)長(zhǎng)隧道和L＞200m的高速公路隧道均應(yīng)設(shè)置照明［4］。由此可見(jiàn)，隧道照明系統(tǒng)的耗能是巨大的，也是隧道節(jié)能最具潛力的領(lǐng)域。

在隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)隧道照明長(zhǎng)度指標(biāo)進(jìn)行分段，隧道可分為：入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段；根據(jù)隧道照明亮度指標(biāo)進(jìn)行分段，隧道分段更為細(xì)化，包括：入口段1、入口段2、過(guò)渡段1、過(guò)渡段2、過(guò)渡段3、中間段、出口段1、出口段2。計(jì)算隧道各段長(zhǎng)度、亮度指標(biāo)的相關(guān)因素包括：設(shè)計(jì)時(shí)速、設(shè)計(jì)交通量、隧道洞外亮度、折減系數(shù)等。設(shè)計(jì)交通量的取值是根據(jù)預(yù)測(cè)法而得，洞外亮度和折減系數(shù)的取值是根據(jù)隧道具體情況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算而得。

隧道照明系統(tǒng)能耗構(gòu)成除了隧道正常通車(chē)時(shí)段必備的照明能耗外，還有相當(dāng)一部分的能耗是由于照明燈具本身的節(jié)能效果差，以及運(yùn)營(yíng)管理缺乏精細(xì)化造成的。近年來(lái)隨著LED燈具照明技術(shù)的蓬勃發(fā)展［2］，越來(lái)越多的隧道照明系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了LED燈具的普及，LED燈具的節(jié)能效果也得到充分的體現(xiàn)。如何改進(jìn)運(yùn)營(yíng)管理方式，降低能耗，成為隧道節(jié)能的突破點(diǎn)。從節(jié)能角度出發(fā)，隧道照明設(shè)計(jì)階段與運(yùn)營(yíng)管理階段的主要矛盾體現(xiàn)為：照明設(shè)計(jì)的亮度取值是根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)速、預(yù)測(cè)交通量、估算洞外亮度和折減系數(shù)計(jì)算而得；而在運(yùn)營(yíng)管理階段，因交通量具有不規(guī)律性和非連續(xù)性，為保證行車(chē)安全，運(yùn)營(yíng)管理單位不會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)洞外亮度和車(chē)流量進(jìn)行照明調(diào)光，從而導(dǎo)致隧道處于長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)度照明狀態(tài)，造成能源浪費(fèi)。因此，如何運(yùn)用科學(xué)的手段，消除隧道過(guò)度照明現(xiàn)象，是本文研究的重點(diǎn)。

目前隧道照明系統(tǒng)的照明控制方式主要包括以下幾種：

（1）隧道加強(qiáng)照明按晴天、云天、陰天、重陰天四級(jí)控制，基本照明按凌晨至夜間（包括白天）和深夜兩級(jí)控制，共六級(jí)控制，夜間指天黑至晚上12：00，深夜指晚上12：00至次日開(kāi)始天亮。

（2）隧道LED照明采用無(wú)級(jí)調(diào)光方式。

（3）隧道高壓鈉燈采用分組控制方式。

當(dāng)前的隧道照明控制采用分時(shí)段控制的方式，缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照明數(shù)據(jù)的合理分析，節(jié)能控制粗糙，無(wú)法體現(xiàn)管理的科學(xué)性和效益最大化。

3 隧道照明解決方案

目前的隧道照明控制能夠根據(jù)不同時(shí)段，控制不同組別的照明燈具就行開(kāi)閉，從而達(dá)到節(jié)能的目的。然而，這種方式僅根據(jù)時(shí)段就行照明控制及調(diào)光，并未根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況的特征進(jìn)行區(qū)別管理，體現(xiàn)出照明管理的滯后性和松散性，管理方式既簡(jiǎn)單粗暴，又造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。隧道照明控制管理應(yīng)當(dāng)將影響照明指標(biāo)的幾大因素納入考慮范疇，才能在隧道照明設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)階段做到因地制宜，實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)化管理。

本文提出了一種基于模糊控制理論的隧道照明節(jié)能方案，根據(jù)隧道照明的現(xiàn)場(chǎng)工況，充分利用隧道照明系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)，將隧道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)納入照明控制系統(tǒng)，優(yōu)化照明控制方案，采用精細(xì)化的管理方式，消除隧道過(guò)度照明，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低運(yùn)營(yíng)成本。

3.1 照明方案的選擇

目前廣西區(qū)內(nèi)高速公路隧道照明所采用的燈具并不完全統(tǒng)一，可供選擇的燈具包括：高壓鈉燈、熒光燈、LED燈等。近年來(lái)，由于LED燈在調(diào)光、節(jié)能等方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，而逐漸在隧道照明系統(tǒng)中普及開(kāi)來(lái)，本文亦綜合考慮照明的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、節(jié)能環(huán)保等因素，確定在南寧外環(huán)高速公路的舊村隧道中全部采用LED燈。

南寧外環(huán)高速公路舊村隧道總長(zhǎng)度為485m，設(shè)計(jì)時(shí)速100km／h，洞外亮度采用3 500cd／m2，計(jì)算得到隧道照明相關(guān)指標(biāo)如下頁(yè)表1所示。

表1 隧道照明指標(biāo)表

3.2 隧道照明控制方案的設(shè)計(jì)

模糊控制理論（Fuzzy Control Theory）是指用到了模糊集合的基本概念或連續(xù)隸屬度函數(shù)的理論。模糊控制系統(tǒng)不用數(shù)值而用語(yǔ)言式的模糊變量來(lái)描述系統(tǒng)，模糊控制器不必對(duì)被控制對(duì)象建立完整的數(shù)學(xué)模式。

模糊控制包括五個(gè)過(guò)程：定義變量、模糊化、知識(shí)庫(kù)、邏輯判斷、反模糊化。

（1）定義變量：定義被控對(duì)象變量，以二維模糊控制系統(tǒng)為例，主要變量包括誤差（E）、誤差變化率（EC）和狀態(tài)輸入（U）。

（2）模糊化：將輸入值以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值，利用口語(yǔ)化變量來(lái)描述測(cè)量物理量的過(guò)程。

（3）知識(shí)庫(kù)：包括與規(guī)則庫(kù)（rule base）和數(shù)據(jù)庫(kù)（data base）。規(guī)則庫(kù)根據(jù)變量的隸屬度判斷其對(duì)應(yīng)域，數(shù)據(jù)庫(kù)則提供處理模糊數(shù)據(jù)的相關(guān)定義。

（4）邏輯判斷：根據(jù)模糊化變量的隸屬度判斷其所屬的論域，通過(guò)對(duì)論域的分析及邏輯規(guī)則處理，得到模糊狀態(tài)下的系統(tǒng)最優(yōu)解。

（5）解模糊化：將模糊化后的輸出量進(jìn)行反模糊化處理，根據(jù)控制規(guī)則轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的控制輸出解。

根據(jù)模糊控制理論的構(gòu)成要素，結(jié)合方案設(shè)計(jì)的基本思路，可描述隧道照明的模糊控制方案構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1 控制方案構(gòu)成圖

如圖1所示，模糊控制器由隧道照明控制系統(tǒng)中的PLC及擴(kuò)展模塊組成，隧道洞外亮度檢測(cè)器的實(shí)測(cè)（4～20mA）信號(hào)傳輸至控制器的AD模塊，控制器根據(jù)洞外亮度值計(jì)算得到隧道洞內(nèi)各照明段對(duì)應(yīng)的亮度指標(biāo)，將該亮度指標(biāo)與隧道洞內(nèi)亮度檢測(cè)器的實(shí)測(cè)值做誤差和誤差變化率分析，輸入至模糊控制器中，經(jīng)過(guò)模糊控制信息處理流程，最終輸出控制量（電流控制信號(hào)）至各照明回路，實(shí)現(xiàn)照明無(wú)級(jí)調(diào)光。

根據(jù)隧道特征建立隧道模型如圖2所示。

圖2 隧道模型圖

隧道無(wú)級(jí)調(diào)光照明的控制裝置設(shè)于現(xiàn)場(chǎng)變電站內(nèi)，既可與中控室實(shí)現(xiàn)通訊，也可獨(dú)立于中控室自行調(diào)光工作；其控制亮度等級(jí)為100級(jí)。

控制裝置具有2路DC 0～10V的模擬電壓信號(hào)輸出，其中10V對(duì)應(yīng)燈具的最大輸出功率，0V對(duì)應(yīng)燈具的最小輸出功率。控制裝置能對(duì)基本照明和加強(qiáng)照明分別進(jìn)行控制。

加強(qiáng)照明的總體控制策略為：洞外亮度越亮，洞內(nèi)照明功率越大，即洞內(nèi)照明亮度也越亮，反之亦然。基本照明的亮度控制策略為：依據(jù)白天和夜晚的不同時(shí)段，對(duì)基本照明的調(diào)光功率百分比進(jìn)行設(shè)定后自動(dòng)調(diào)光。

控制裝置接受4～20mA的洞外亮度信號(hào)，并根據(jù)洞外亮度的高低進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，即使與中控室通訊中斷也不受影響。控制裝置具有掉電檢測(cè)和應(yīng)急響應(yīng)功能，當(dāng)電源掉電后，控制基本兼應(yīng)急照明燈具工作在應(yīng)急照明狀態(tài)。

4 效果分析

本方案采用LED燈具作為基本應(yīng)急照明和加強(qiáng)照明，首先在燈具效果方面起到了節(jié)能作用；其次，根據(jù)實(shí)時(shí)洞外亮度值，整定各照明段的亮度指標(biāo)，通過(guò)照明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)照明調(diào)光功能，消除了過(guò)度照明的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了照明控制管理的優(yōu)化，降低了運(yùn)營(yíng)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析當(dāng)前隧道照明設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理方面存在的不合理現(xiàn)象，提出一種基于模糊控制的隧道照明節(jié)能方案。運(yùn)用科學(xué)的手段消除了隧道照明中的過(guò)度照明現(xiàn)象，提供精細(xì)化的隧道照明管理方法，實(shí)現(xiàn)了隧道照明節(jié)能，對(duì)隧道照明技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。綜合考慮到實(shí)際運(yùn)營(yíng)中交通量的不確定性和多樣性等因素，本方案暫未將其納入考慮范圍，如何科學(xué)合理地將交通量納入隧道照明控制方案中，是下一步研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。

［1］葉 穎，王寶林，湯 斌，等.隧道照明節(jié)能技術(shù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用效益評(píng)價(jià)研究［J］.公路交通科技，2013（9）：246－248，285.

［2］鐘 標(biāo)，楊 雪.高速公路隧道LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)［J］.中國(guó)交通信息化，2013（8）：106－109.

［3］田 昱，孫巧燕，代 明.廣西高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2013，6（15）：122－125.

［4］JTG／T D70／2－01－2014，公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.