高速公路隧道照明智能檢測技術研究

程智清 楊金銓 楊仕強 王立軍

摘要：隧道照明智能檢測系統可通過自動采集照度信息，并進行智能化處理，對隧道照明狀況進行客觀、準確的評價，檢測速度快、數據準確、封道時間短，可以為隧道的運營和維護決策提供準確的數據支持。現闡述了高速公路隧道照明智能檢測系統的軟硬件設計要點，分析了隧道照明智能檢測系統的關鍵技術。

關鍵詞：高速公路;隧道照明;照度;智能檢測系統

0 引言

隧道照明環境的好壞是影響車輛安全行駛的關鍵因素之一，其檢測主要將照度、亮度以及均勻度、縱向均勻度作為指標，而亮度由于受到檢測條件限制難以進行有效檢測，因此，在隧道照明環境檢測時多采用照度作為指標。

1 研究目標及特點

本文所研發的隧道照度快速檢測系統是將照度傳感器安裝在汽車后部，通過該照度傳感器可以自動采集隧道內縱向面的照度數據，并繪制照度曲線。該系統大大提高了檢測效率和準確性，極大地縮短了檢測時的封道時間，減輕了檢測人員的勞動強度，保證了檢測人員的人身安全。

2 隧道照明智能檢測系統設計

2.1? ? 設計原則及原理

2.1.1? ? 設計原則

隧道照明智能檢測系統的設計總體原則為：技術先進、經濟合理、維護方便、設備簡潔緊湊，同時必須符合檢測標準的要求，有利于檢測技術的發展。軟件設計的原則為：標準性、成熟性、實用性、安全性和可擴展性。

系統研究時還要注重需求牽引原則，即以檢測業務和檢測標準的需求為原型，牽引系統研發;還要遵循循序漸進和軟硬件系統兼容協調的原則，在不斷改進的過程中，促進軟硬件協調、兼容和統一。

2.1.2? ? 主要原理

隧道照明快速檢測系統測試原理如圖1所示。通過安裝在車輛后部的照度傳感器、五輪儀、攝像機等設備，將隧道照度值、檢測位置、圖像等數據傳輸至軟件系統，自動計算生成隧道照度數據曲線。

系統軟件采用多線層軟件架構，通過五輪儀或旋轉編碼器輸出的位置信號觸發采集照度數據和圖像數據，并在前面板上顯示回放。

2.2? ? 硬件設計

硬件采用PXI平臺，主要硬件包括車內接線箱、高性能控制器、混合機箱顯示器、同步采樣數據采集卡、交換機/路由器、高清攝像機、照度傳感器、速度傳感器及車載發電機等。其中，車內接線箱要能安裝供電電源，并為每個傳感器設置供電開關，滿足前后面板接插件出線的要求，具有由9個混合插槽、7個混合外設插槽、1個系統插槽和系統定時插槽組成的PXI機箱;高性能控制器采用2.8 GHz雙核處理器，250 GB SSD存儲，具有USB2.0、100/1 000 Mbps以太網接口、RS-232串口、VGA視頻接口、8個工業DIO、4個源/漏輸入DI、4個漏極輸出DO等接口;同步數據采集卡的采集率需達到250 kS/s，具備16通道差分模擬輸入和16位分辨率AD;照度傳感器具備10～2 000 lx、10～4 000 lx、10～10 000 lx 3檔可調，60°視野;車載發電機采用單缸、四沖程79 CC、1.6 kW變頻發電機。硬件設計示意圖如圖2所示。

2.3? ? 軟件設計

系統軟件采用模塊化、多線程結構，以提高代碼執行效率。整個架構分為多個引擎：照度采集引擎、圖像采集引擎、脈沖計數引擎、觸發控制引擎和狀態引擎。

軟件以LabVIEW作為開發平臺，將采集器采集的數據實時顯示到上位監控主機，進行環境照度數據的實時分析和顯示，繪制記錄波形，記錄相應的圖片數據;觸發信號采集和回放坐標信號;自動導出檢測報告和進行數據庫管理[1]。

3 隧道照明智能檢測系統關鍵技術

3.1? ? 可靠的軟硬件平臺

基于PXI總線技術，結合LabVIEW圖形化編程語言，可以快速創建靈活且可擴展的測試，測量和控制應用程序，通過與硬件集成并使用代碼生成工具，可快速獲取、分析和顯示重要數據。

3.2? ? 軟件模塊化多線程結構

軟件編制采用模塊化、多線程結構，以提高代碼執行效率，使得軟件調試和修改過程簡便快捷。

3.3? ? 精確隧道內的定位

隧道內由于沒有GPS信號，結合速度儀，可精確確定當前隧道內測量的位置，使照度數據與位置信息匹配，繪制各監測點位的照度值[2]。

4 隧道照明智能檢測系統研究成果及應用

4.1? ? 研究成果

4.1.1? ? 完成了隧道照度快速檢測系統的搭建和測試

通過研究完成了隧道快速檢測系統的硬件和設備布局，完成了隧道快速檢測系統的軟件研發，通過對各個關鍵設備的技術指標進行分析，以及對檢測標準要求進行相關研究，完成了隧道照明智能檢測系統的搭建和測試。

4.1.2? ? 照度傳感器的優化選擇及其支架的機械設計

通過對隧道照度的現場檢測調查，對照度傳感器的技術參數進行了試驗研究，發現隧道內照度在入口段和出口段的照度值可達到基本段的150余倍，段落間的照度值相差巨大，故在照度傳感器和機械支架設計中有針對性地進行設計，加大了傳感器量程，并提高了精度。

4.1.3? ? 數據采集卡和圖像采集的優化選擇及匹配

在系統架構設計中，采用網絡高清攝像機替代圖像采集卡和標清攝像機采集圖像，并結合同步采集卡采集照度數據（照度計輸出的電壓值），大大減少了占用的系統資源。

4.2? ? 工程應用

高速公路隧道照明智能檢測系統研制完成后，在多個隧道工程中進行了應用，采用7斷面×6測點的方式進行自動采集，系統根據采集數據自動計算平均照度、換算亮度、總均勻度和縱向均勻度，并導出檢測記錄和結果。

通過對比研究，采用隧道照明智能檢測系統測試的平均照度值重復偏差低于5%，檢測時間縮短為15 min以內，極大地提高了檢測精確度，降低了隧道照明檢測對民眾出行的影響，這是隧道照明智能控制技術的顯著特點。

5 結語

隧道照明智能檢測系統的研制在很大程度上減少了封閉隧道的時間，提高了檢測工作和出具報告的效率，填補了國內無隧道照度智能檢測系統的空白，提升了我國公路養護能力，具有良好的經濟及社會效益。隨著國內高速公路的不斷增多，公路管理單位對隧道機電設備養護檢測、管理裝備及技術的需求不斷增多，有必要繼續研發用于快速檢測的相關裝備和技術，不斷提高高速公路隧道管養的智能化水平。

[參考文獻]

[1] 曹佳寶.高速公路隧道照明智能節電技術研究[J].公路與汽運，2019（6）：39-41.

[2] 柴國彥.高速公路隧道照明智能節電技術應用探析[J].工程技術研究，2019，4（2）：30-31.

收稿日期：2020-05-27

作者簡介：程智清（1982—），男，陜西人，碩士研究生，在讀博士，高級工程師，主要從事工程材料、交通工程、智能交通檢測及造價等方面的研究工作。