隧道照明設備系統(tǒng)的設計與實現

趙冬冬

摘 要：隧道照明系統(tǒng)的安全運行是高速公路安全運營的重要保證，為了提高高速公路隧道照明系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及節(jié)能性，該文設計了一套基于ZigBee網絡的LED隧道照明系統(tǒng)。利用ZigBee無限網絡構建可動態(tài)調節(jié)LED亮度的智能控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)的控制方面采用模糊控制算法，依據隧道內亮度及車流量等變量值，動態(tài)調整隧道內LED照明燈的亮度。同時開發(fā)上位機的監(jiān)控，對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，保證系統(tǒng)安全運行。

關鍵詞：模糊控制 ZigBee 隧道 照明

中圖分類號：U453 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0053-02

近年來，隨著高速公路車流量的不斷增加，對高速公路交通工程及沿線設施提出了越來越高的要求。在高速公路路段中，隧道是一種特殊路段，特殊的結構決定了照明系統(tǒng)是不可或缺的一部分，照明系統(tǒng)是保障高速公路隧道行車安全的核心部分，因此，研究隧道照明系統(tǒng)對于提高高速安全運行具有重要意義。截止目前高速公路隧道每公里照明率達到87%，然而照明控制系統(tǒng)的管理還是比較落后，自動化程度不高。在國外，隧道照明控制系統(tǒng)的研究比較早，技術也比較成熟，早在20世紀60年代，就已經將自動控制技術應用到了照明系統(tǒng)，原理是根據對隧道內外參數變化實時調節(jié)隧道照明強度，并制定了相關的規(guī)范。隨后研究者又發(fā)現使用LED燈具進行照明每年可以節(jié)省大量的電費，且可以降低排放，使用LED燈具，不僅展現了隧道照明的安全性和穩(wěn)定性，同時在節(jié)能方面也發(fā)揮了突出作用。在我國目前的隧道照明系統(tǒng)中，不能根據環(huán)境實時調節(jié)控制依舊占主體，該方式雖然控制簡單，但隨著隧道數量的增加，將會帶來巨大的能源浪費。因此，研究一套安全節(jié)能的隧道照明系統(tǒng)對于促進隧道照明系統(tǒng)的發(fā)展，降低能源的消耗具有重要意義。

1 ZigBee技術及網絡構架設計

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種無線傳感器網絡技術，具有低功耗、結構簡單及低成本等特點，具有獨立的網絡結構和通信協議。該設計無線通信的硬件和軟件設計都是以ZigBee協議棧為基礎，ZigBee協議棧由IEEE802.15.4標準的媒體訪問控制層（Medium Access Layer）、物理層（Physical Layer）、網絡層（Network Layer）及應用支持層（Application Support）4層構成[3]。

ZigBee網絡結構可以分為星型網絡、樹狀網絡及網狀網絡。在星型網絡結構中，有一個協調設備和各終端節(jié)點設備構成，各終端節(jié)點設備都可以協調設備通信，但各個節(jié)點之間無法通信。樹狀網絡中比星型網絡多了一個路由節(jié)點，可以實現更多的終端節(jié)點與協調器之間的通信。網狀網絡與前兩種結構不同的是，在網狀結構的網絡中任何節(jié)點之間均可以通信，功能更加強大，網絡覆蓋面積較前兩種更大。根據該設計的功能特點，選用星型網絡拓撲結構最為合適。

1.2 隧道照明系統(tǒng)構架設計

該次照明系統(tǒng)主要分為兩個模塊：（1）終端無線通訊子模塊，該模塊負責采集LED燈及傳感器運行時的實時參數，同時負責終端節(jié)點進行無線組網通訊。（2）分段控制箱子模塊，該子模塊負責與所在分段所有終端無線模塊進行數據傳輸，并收集燈具的傳感器采集的參數，同時接受來自后臺服務器的控制指令。具體的系統(tǒng)構架如圖1所示。

2 基于模糊神經網絡的隧道照明控制算法

2.1 模糊控制原理

模糊控制算法是一種非線性的模仿人類思維活動的一種智能控制算法，對被控對象無需建立數學模型，根據人在生產中的經驗進行控制，具有良好的魯棒性和適應性，非常適合具有非線性的復雜系統(tǒng)控制。模糊控制器的模型并不是由簡單的數學模型，而是由一些模糊的條件語句構成的語言形式，因為模糊控制就是要模擬人的控制經驗，以模糊集合、模糊語言及模糊邏輯為控制算法的數學工具，由計算機來實現的智能控制。

模糊控制系統(tǒng)與一般的數字控制系統(tǒng)相類似，只不過控制器采用模糊控制器。在計算機與模擬環(huán)節(jié)采用AD、DA模塊進行轉化實現，通過檢測裝置實現閉環(huán)的反饋控制。系統(tǒng)主要分為模糊控制器、輸入輸出接口、檢測裝置、執(zhí)行機構及被控對象。

2.2 模糊規(guī)則庫的建立

根據公路照明細則，可得隧道照明的亮度取決于洞外亮度及車速、流量等參數。以隧道照明單向交通為例，將車速分為40、80 、100 、120 km/h，將車流量分為350、650、950、1 200 veh/（h.ln）這4類，將洞外照明分為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 cd/m2這5類，將各個輸入進行模糊子集劃分，建立知識庫。

2.3 確定輸入量與論域

此次設計采用兩輸入一輸出的控制器進行模擬控制，e，ec為輸入，△u為輸出量，將基本論域區(qū)間設定為[-E，E]，[-C，C]，[-U，U]。模糊子集論域為[-n，-n+1，-n+2，…，0，…，n-1，n]，一般的選擇誤差論域值n1>5，誤差變化率論域值n2>5，控制量論域值n3>5，n為的值越大，系統(tǒng)精度越高，計算量越大，系統(tǒng)就越復雜。

將3個空間分割為5個，NB負大，NS負小，ZE零，PS正小，PB正大，則輸入量與輸出量的模糊子集均為{NB，NS，ZE，PS，PB}。然后用描述方法對隸屬度進行描述，選取普通的三角形隸屬度函數，則誤差值e的隸屬函數圖如圖2所示。

2.4 模糊算法仿真

該次采用的模糊控制算法以車流量、車速、洞外亮度作為輸入信號，照明亮度為輸出。通過Matlab軟件對算法進行模擬仿真，通過不斷地調整訓練次數和步長，其訓練樣本擬合圖如圖3所示。

3 隧道照明系統(tǒng)的系統(tǒng)設計

3.1 基于ZigBee隧道照明系統(tǒng)的硬件設計

由于LED燈具需要直流電供電，因此，需要將220 V的電壓經過EMI濾波電路和整流電路轉換成直流電，然后通過矯正電路來提高電源功率因數。每一組LED燈具組成一個無限網絡，都可以完成控制信號的接受，將指令通過PWM模塊實現燈光亮度的調節(jié)。

3.2 基于ZigBee隧道照明系統(tǒng)的軟件設計

該文設計中，在底層安裝傳感器將隧道外的照明亮度、車流量以及車速等信息通過RF射頻模塊轉發(fā)至整個無線網絡的協調器和中控機中，中控機通過計算將光亮度的指令發(fā)到信號接收模塊，輸入到PWM模塊，驅動LED的驅動電路，改變LED燈具的亮度，實現實時的調節(jié)。

4 結語

該文通過利用ZigBee無線網絡完成控制信號的實時傳輸，在LED燈具的亮度控制上采用模糊控制算法，以隧道外的亮度、車速及車流量為信號輸入，以LED燈具亮度為輸出，動態(tài)的調節(jié)隧道照明。該系統(tǒng)對于隧道照系統(tǒng)的發(fā)展，具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 許景峰，翁季，胡英奎.基于采光光纖照明系統(tǒng)的隧道照明設計理論研究思路[J].燈與照明，2012（4）：21-24.

[2] 田軍.公路隧道照明智能節(jié)能系統(tǒng)設計與研究[D].長安大學， 2015.

[3] 王少飛，涂耘，張琦，等.“低碳經濟”背景下公路隧道照明節(jié)能策略[J].公路，2011（9）：226-233.