基于多參量檢測的隧道無級調光系統的設計與實現

王曉龍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

LED光源作為一種新型的照明光源，以其節能環保、壽命長、開關響應快等特點，近年來已在高速公路隧道機電系統中廣泛應用。在隧道運營過程中，隧道的維護費用和耗電費用很高，其中照明系統占隧道機電耗電的絕大部分，另外照明節能和隧道安全運營的矛盾也越來越突出[1-3]。通過先進的技術以及管理手段，改變傳統的隧道照明方式，在保障行車安全的條件下，實現按需照明的目的，可以節約大量的能耗，實現降低高速公路運營費用的目的，對高速公路運營管理部分來說具有很大的吸引力。

1 隧道傳統照明方式存在問題

《公路隧道照明設計細則》已明確要求，應根據洞內外亮度及交通量變化對公路隧道照明系統進行控制。實際情況隧道洞外亮度受當地氣候、季節時間影響變化很大，隧道傳統照明方式存在如下問題：

a）照明按照季節時間控制，按固定時間控制燈具。當入口段照明亮度低于洞外亮度時，司機進入隧道會出現“黑洞效應”；當洞內照明亮度高于洞外亮度時，隧道照明存在“過度照明”。

b）照明系統按洞外亮度分級控制，由于現有的分級控制調節亮度時間較長，亮度跳變情況比較明顯，當亮度由亮變暗跳變時，出現人眼不適應的“盲視效應”。

c）照明控制系統未考慮無車行駛情況，均存在“過度照明”浪費情況。

目前國內多數所使用的照明系統都是依據洞外亮度進行調光，將有無車輛行駛的參量納入隧道照明系統的控制方式，目前國內外還處在研究層面。

另外，目前隧道無級調光系統一直以單獨的系統進行研究，然而隧道照明系統作為整個隧道機電系統的一部分，應綜合考慮與監控系統的聯動性，出現事件情況下執行預案。

2 行車安全產生的原因分析[1]

圖1 理想洞外亮度曲線

圖1為一天內天空萬里無云，洞外亮度不受云霧的影響，測得的理想洞外亮度曲線。在該天氣情況下，采用傳統的分級調光或其他的多級調光，在滿足行車安全的前提下，均能很好地適應洞外亮度變化。

圖2為實際一天中，洞外亮度受云霧的影響，測得的洞外亮度曲線。從圖中可以看出，洞外亮度受天空云霧的影響非常大，采用傳統的分級調光或其他的多級調光，如果要滿足標準要求、保證行車安全，必須滿功率照明。

圖2 實際洞外亮度曲線

圖3 每隔10 min調節亮度的變化曲線

圖3為分級調光照明曲線圖，圖中曲線為理論調光曲線，直線為實際調光曲線。由于調光的時間間隔較長的原因，實際調光曲線不能很好地跟蹤理論曲線，滯后性比較大。

調光曲線值低于理論曲線值時會產生“黑洞效應”，路面亮度低于標準要求，行車安全得不到保證；調光曲線值高于理論曲線值時會產生“過度照明”，浪費巨大的電能；當亮度由高到低跳變時會產生“盲視效應”，造成行車安全隱患。

圖4 無級調光曲線

圖4為無級調光照明曲線圖，圖中曲線為理論調光曲線，直線為實際調光曲線。調光的間隔時間短、調光的實時性好，實際調光曲線較好地跟蹤理論調光曲線，在滿足路面亮度標準要求，并保證行車安全前提下，最大程度地節能。

根據上面的分析可知，照明調光的精細化和實時性是公路隧道行車安全的必要保障。調光的精細化和實時性缺少一項，公路隧道的行車安全就難以保障。在《公路隧道LED照明燈具第5部分照明控制器》中，推薦采用無級調光[4]，即是基于這一安全考慮。

3 多參量檢測的隧道無級調光系統設計與實現

3.1 系統組成及工作原理

圖5 多參量檢測系統原理圖

信號采集層由洞外微波車檢器、光電車輛檢測器、洞外亮度儀、入口段亮度儀、中間段亮度儀等組成。微波車檢器和光電車輛檢測器組成車輛檢測系統，可以準確判斷是否有車輛行駛、車流量等信息；洞外亮度儀、入口段亮度儀、中間段亮度儀組成照度檢測系統，綜合季節時間因素進行按需照明。

隧道中間段的亮度比較低，低的像夜間的道路照明一樣，LED隧道燈具隨著使用年限的增加，光衰越明顯，中間段的亮度越低，嚴重時影響車輛的安全行駛，基于上述原因，在增加中間段亮度儀檢測中間段的亮度進行調光顯得更加重要。

系統的車流量檢測系統將檢測到的隧道外部車流量信息通過RS-485信號傳送至隧道智能照明系統控制器，照度檢測系統將檢測到的隧道內外的光亮度信號轉換為標準4～20 mA電信號傳送至隧道智能照明系統控制器。

智能照明系統控制器根據采集到的信息進行智能分析及模糊運算后，對LED照明燈具進行智能控制，并經通信系統將采集信息與監控中心上位機進行通信，并接收上位機的控制命令。

監控中心上位機安裝有專用的監控管理軟件，實時顯示當前燈具照明狀態，并控制智能照明控制器；同時監控管理軟件與隧道監控系統進行通信，接收監控系統的狀態信息，當出現事故等緊急情況時，與隧道監控系統聯動，按預案進行照明。

3.2 光強檢測及照明控制

目前，高速公路隧道照明系統根據洞內外亮度和交通量變化，進行入口段、過渡段和出口段的方案設計，可分白天（夏季晴天、其他季節晴天/夏季云天、其他季節云天/夏季陰天、其他季節陰天/重陰天）、晚上、夜間六級調光分級組合進行[4-5]。

本系統在洞口、隧道照明引入段、隧道內均設一臺亮度檢測儀，按需進行無級調光照明。當用于測量洞外亮度的檢測器失效或者因檢修無法使用，用戶可以根據當地天氣氣候設置預案，根據季節時間進行控制。當亮度檢測器恢復時，根據檢測數據進行按需無級調光控制。

3.3 車輛檢測及照明控制

車輛檢測系統由洞外微波車檢器和光電車輛檢測器組成，用于精確檢測是否有車輛進入隧道，并將采集信息提供給隧道智能照明系統控制器。

如圖6所示，本系統除利用微波車檢外，在離隧道口300～500 m的位置、隧道內每隔500 m安裝光電車輛檢測器，用于檢測車輛通行狀況。微波車檢檢測車流量、車速、車道占有率等信息來判斷車輛是否擁堵，光電車輛檢測其檢測隧道內有無車輛信息。

圖6 車輛檢測系統原理圖（單位：m）

當微波車檢檢測到車輛已經擁堵時，系統按照擁堵預案對照明系統進行控制。

當車輛沒有擁堵時，隧道外光電車輛檢測器檢測到有車到來時，系統將前方500～1000 m左右的燈具打開，控制的距離大于500 m，小于1000 m；當車進入隧道后，隧道內的光電車輛檢測器檢測到車輛到來，相繼把前方500～1000 m的燈具打開，依次類推，直至車輛駛出隧道。當車輛駛離后，系統在延遲一段時間且無車輛繼續到來后，把相應的照明燈具關閉。

系統控制燈具完全是自動控制，最大程度地減少人工手動操作，與光強檢測系統進行信息融合，消除“黑洞效應”，提高行駛安全性，減少事故發生。

3.4 與監控系統聯動進行照明控制

在隧道運營過程中，安全始終是重中之重。隧道監控系統在隧道內每間隔約150 m設一臺固定攝像機，采用高清采集傳輸一體化智能槍機，用于監控隧道內交通運行情況，實現視頻監控的同時，可以實現隧道內交通參數的統計及各種交通事件、事故的自動檢測；隧道橫洞/停車帶監控：采用高清采集傳輸一體化云臺/球機，用于全方位監控橫洞/停車帶交通運行情況。

監控中心上位機安裝有專用的監控管理軟件，實時顯示當前燈具照明狀態，并與隧道監控系統進行通信，接收監控系統的狀態信息，當出現事故等緊急情況時，與隧道監控系統聯動，按預案對照明系統自動控制。

如圖7所示，在正常情況下系統根據光強檢測系統、車輛檢測系統的綜合信息進行自動智能控制，消除“黑洞效應”，無需人工手動操作，提高行駛安全性，減少事故發生；光強檢測系統、車輛檢測系統出現故障時，自動轉換成時序控制；當監控系統檢測到視頻事件時，上位機軟件與監控系統進行交互，并根據預先制定的預案分為擁堵、行人、火災等事件，作為整個隧道監控系統預案的一部分對隧道照明系統進行實時控制。

圖7 照明聯動系統

4 效益分析

4.1 經濟效益

用多參量檢測的隧道無級調光系統替代傳統分級調光型LED隧道燈，將可實現50%以上的節能目標，系統的投入使用，可延長燈具使用壽命，減少維護和更換次數，同時還可降低管理費用，節約運營管理成本，投資回收期1～2年。

4.2 管理效益

智能照明系統減少了“過渡照明”或“無效照明”現象，減少了人工管理成本及人工操作失誤帶來的不利影響，與隧道監控系統聯動能夠實時將運行情況向管理人員匯報，不僅實現了節能、隧道照明的規范化管理，并提高了行車的安全性。