隧道自動調光平臺設計與研究

劉琦

摘要：隧道洞內亮度是影響公路安全運行因素之一，針對目前隧道洞內調光模式，設計了一種智能隧道模型。對比了目前存在的照明模式和控制策略，最終選則LED燈和自動控制模式。根據監測到的洞外亮度，通過反饋調節改變PLC的產生的PWM占空比，使LED燈兩端電壓改變，從而實現對隧道的自動調光。

關鍵詞：隧道照明；自動控制模式；LED燈；PWM

引言

隧道是埋置于地層內的工程建筑物，公路隧道是隧道的一種，是修筑在地下供汽車行駛的通道，駕駛員在白天駕車駛入或者駛出隧道時，在視覺上通常會產生“黑洞效應”或者“白洞效應”，極易發生交通事故[1-3]。因此，為保障隧道內的行車安全，如何在隧道內各段采用不同強度的照明來改善隧道內的照度，創造洞內良好的視覺環境，確保車輛以安全地速度通過隧道，就是隧道照明系統需要解決的問題。國內目前對隧道照明設備的控制方式主要有3種：手動控制模式、時序控制模式、自動控制模式[4-6]。手動控制模式及時序控制模式不能根據隧道洞外亮度變化適時改變隧道內亮度，造成能源浪費；自動調光模式是根據洞外亮度變化，亮度儀檢測到洞外亮度，將信號反饋給中央處理器，然后中央處理器通過反饋控制，調節洞內亮度。目前公路隧道燈具選用的光源大致有3種：高壓鈉燈、無極熒光燈、LED燈等，綜合考慮到使用壽命、經濟節能等因素，目前應用較多的是LED燈[7]。綜合考慮，最終基于自動控制模式，選用LED燈設計了一款隧道智能調光平臺。

1.隧道調光平臺構成

隧道智能調光模型結構如圖1所示，實物如圖2所示。圖1中1為控制器，包含ARM模塊、PLC模塊；2為隧道洞外亮度儀；3為控制總線；4為LED燈（安裝在基本段、加強段等）；5為隧道壁。

亮度監測模塊通過改變補光燈的亮度，模擬洞外亮度變化，亮度儀2監測到洞外亮度變化，通過控制總線將亮度信號反饋給控制器1。控制器1發出控制信號，控制PLC模塊工作，PLC通過產生不同占空比的PWM波，不同占空比下的PWM波控制開關的通斷，改變了LED燈4兩端的電壓，從而改變LED燈的發光強度。

自動調光系統在金麗溫高速公路進行了試點應用，施工調研過程如圖2所示。

調光系統控制原理框圖如圖3所示，通過亮度儀檢測隧道洞外的亮度，反饋給控制器，控制器控制LED的發光強度。

照明系統通過系統軟件編寫程序來控制PLC的PWM輸出占空比，從而實現對LED的調光，控制原理圖如圖7所示。

2.隧道照明自動控制模式

隧道照明的自動控制模式是根據隧道設計時的亮度值和洞內外的實際亮度值情況來判斷的。控制模塊CPU控制各個回路的通斷，然后根據洞外亮度的變化，亮度儀將亮度信號反饋給控制系統，控制系統改變PLC輸出PWM波形的占空比，從而改變LED兩端的電壓，改變LED燈的發光強度，從而改變隧道洞內亮度，消除“黑洞效應”或者“白洞效應”對隧道安全帶來的隱患。

隧道調光模型在上行線入口處安裝了亮度儀與補光燈，改變補光燈兩端的電壓，使補光燈亮度變化，模擬隧道外自然光強的變化；亮度儀將補光燈亮度變化信號反饋給控制系統CPU，然后控制洞內LED燈亮度。

單個LED燈在路面計算點產生的亮度為：

式中：為燈具i在P點產生亮度（cd/m2）；

為燈具在P點的光強度（）；為簡化亮度系數；為燈具光源離路面的高度（）；為觀察面與光入射面之間的角度（°）；為P點對應燈具光線入射角（°）。

n個LED燈在計算點P產生的亮度：

計算區域內路面的平均亮度：

式中：m為計算區域內計算點的數量；

設L0分別為亮度儀采集到的洞內光照強度，入口段的亮度為Lth，則有[8]：

式中為亮度折減系數；

根據公路隧道通風照明設計規范，隧道內亮度設計標準值只和車速、車流量有關，和洞外亮度無關。當隧道內的回路開啟時各區間的平均亮度為，設為亮度標準值與當前亮度采集之間允許最大誤差，自動控制模型算法流程如圖4所示。

3.結束語

本文主要介紹隧道照明控制策略，主要研究成果有：

對隧道洞內亮度進行分析計算，得到了不同點的亮度值計算模型；

提出給予洞外亮度變化的隧道照明自動控制模型，基于PLC的PWM控制改變隧道照明LED燈兩端電壓，改變隧道亮度。

參考文獻：

[1]張劍莉. 基于PV-LED的隧道直接照明系統的研究[D]. 陜西科技大學，2013.

[2]肖堯，杜志剛，陶鵬鵬，等. 公路隧道出口“白洞”效應改善方法研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2015（3）：573-576.

[3]付慧慧，龔兆崗，張小花，等. 隧道照明設計[J]. 中國智能交通，2009.

[4]楊天沖，秦大為，張蘇東. 新型隧道LED燈照明系統無級調光控制方式[J]. 燈與照明，2012，36（4）：48-51.

基金項目：

浙江省科技項目，項目編號2016F50050。