延崇高速金家莊特長螺旋隧道智能照明控制系統的設計

于建游，劉志忠，吳建波，李春杰，郝立平，張宏霞，夏明穎，劉 洋

(1.河北省高速公路延崇籌建處，河北 張家口 075400； 2.河北交通規劃設計院，河北 石家莊 050000；3.東南大學 江蘇 南京 210096； 4.河北三森節能科技有限公司， 河北 石家莊 050200；5.河北立德電子有限公司，河北 石家莊 050200)

引言

根據交通運輸部2014年頒布的《公路隧道照明設計細則》[1]，高速公路隧道內部的亮度至少為隧道外部亮度的45%以上，車流量較大的隧道必須達到70%的標準，因此，需要在隧道內部署大量照明設備(燈具)。

國內目前許多隧道照明系統都存在出入口亮度和隧道內亮度分布不夠合理的問題。這主要會帶來兩個負面的影響：一是隧道實際運營中的電能浪費，照明設備如果一直保持恒定的功率輸出，會造成大量非必要的電能消耗，也會影響燈具的使用壽命[2]。另一個是隧道出入口附近的亮度梯度會對駕駛員產生影響，不合理的設置可能會影響駕駛員視覺判斷能力從而造成嚴重的交通事故[3]。

1 隧道基本情況

延崇高速金家莊特長螺旋隧道被吉尼斯認證為在建世界最長高速公路螺旋隧道，整個隧道成圓環形，半徑860 m左右。左幅長4 288 m，右幅長4 104 m，出入口落差250 m有余。設計為雙向4車道，隧道內最大行車速度為 80 km/h。隧道內設計車行橫洞750 m左右，人行橫洞250 m左右，如圖1和圖2所示。

圖1 金家莊特長螺旋隧道的隧道平面圖Fig.1 Tunnel plan of Jinjiazhuang super-long spiral tunnel

圖2 金家莊特長螺旋隧道橫斷面模型Fig.2 Cross-section model of Jinjiazhuang super-long spiral tunnel

由于隧道落差高，轉彎半徑大，駕駛員可視距離短，有效的燈光布置、控制及引導在這條隧道內顯得尤為重要。

1.1 布燈方式

燈具布置為雙側連續性布燈；特殊區段采用多排疊加，中間段采用單排布置。

1.2 照明燈具性能

照明燈具性能如表1所示。

表1 燈具主要性能指標

2 控制需求和控制節點設計

根據行業標準《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ 026.1—1999)和《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)的要求，金家莊隧道照明功能區段分為入口1、入口2、過渡1、過渡2、中間段、出口1和出口2共7段，每段均規定了相應的路面亮度標準，如圖3所示。

圖3 公路隧道照明區段劃分Fig.3 Division of highway tunnel lighting section

圖4 自然光環境跟蹤與應急照明區段亮度示意圖Fig.4 Luminance sketch of natural light environment tracking and emergency lightingsection

2.1 照明系統需求

按照照明系統設計的目的，金家莊隧道的照明系統應具有基礎照明功能、自然光照環境跟蹤功能、大氣環境跟蹤功能、交通量調整適應功能、應急救援狀態適應功能、視覺引導加強功能等主要功能[4，5]，如圖4所示。

這些功能要求照明控制系統有合理的控制節點，達到控制精度的要求。

2.2 視覺參數的研究

由于金家莊隧道整體呈環狀布局，駕駛人員的視距受到結構限制。因而，精確的節點設計應充分考慮視距的影響。

圖5 環形隧道視距計算圖Fig.5 Calculation diagram of line-of-sight of circular tunnel

經過現場測繪及理論計算，在金家莊特長螺旋隧道，轉彎半徑為860 m的極限條件下，行車方向可視距離在212 m左右。水平視角呈現非對稱性，左右側分別為53°和67°。

螺旋隧道內除了有效視距外，另外一個重要的參數是可視時間。可視時間決定駕駛人員的視野內光環境變化的時間，對于視覺誘導和目標識別起到重要的作用。

本文的被解釋變量是企業勞動生產率。參考以往涉及勞動生產率的研究文獻，特別是實證文獻，以人均產出來定義企業的勞動生產率，采用人均工業增加值來度量。

固定時間內行車距離公式為

其中：S為固定時間內的行車距離，單位：米(m)；V為設計時速，單位：公里/小時(km/h)；t為固定時間段，單位：秒(s)。

以設計時速80 km/h計算，10s內的行車距離S=222 m。

2.3 控制節點的設計

特殊區段控制節點的設計：接近段、入口1、入口2、過渡1、過渡2、出口1和出口2設計獨立的控制節點，滿足標準規定的自然光環境跟蹤的要求。

根據駕駛人員的視距、可視時間的計算和計算機仿真結果，中間段控制節點的間距設計為200 m。這樣可以通過色溫變換的方式增強視覺誘導的實現和增強駕駛人員對前車距離判斷的準確度。

在應急救援狀態下，保證車行橫洞之間有三個照明控制段、人行橫洞之間有一個照明控制段，可以達到故障區域警示和疏散誘導的目標。整個隧道照明控制系統的控制節點數為：4×27=108 點。

3 調光控制精度設計

路面亮度要求在《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ 026.1—1999)和《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)標準中有明確細致的規定。其中：接近段路面亮度要求為與車輛時速相關的固定值，入口段路面亮度要求為與洞外亮度、車輛時速相關的函數，過渡段路面亮度要求為與入口段亮度相關的函數，中間段路面亮度為與通行量相關的函數，出口段路面亮度為與中間段路面亮度相關的函數。

3.1 控制精度設計

(2)洞外自然亮度追蹤：接近段、入口段、過渡段和出口段的照明策略實施是以洞外自然亮度(L20(S)為追蹤目標。回路控制系統一般采用兩個加強照明回路和一個基本照明回路進行控制，只有三個階梯。本設計采用20個階梯進行追蹤也可滿足需要。

(3)車流量追蹤：在行業標準《公路隧道照明設計細則》(JTGT D70/2-01—2014)中，路面亮度與車流量的關系要求僅分成了三個階梯，即N≥1200，1200>N≥350,350>N。采用20個階梯進行追蹤可實現優于標準需要。

3.2 環境、運行信息和系統信息采集

(1)環境信息：洞外環境參數，包括洞外亮度、洞外氣候等；

(2)運行信息：交通量、洞內亮度、事故信息等；

(3)系統信息：燈具工作狀態信息、系統能耗信息等。

4 系統構架

4.1 系統定義

金家莊隧道照明控制系統為準靜態、高穩定度智能照明控制系統。系統采集和接收洞外環境信息、交通系統運行信息和照明系統運行信息，通過決策模型確定照明策略，并將控制信息傳輸到照明燈具，滿足一般意義的隧道照明和特殊場景的照明需要。

4.2 系統構架

根據系統的性質和定義，設計了具有邊緣計算功能的三級控制系統。控制系統由主控計算機、智能集中控制器、調光控制器及數據采集終端組成，可以完成環境信號的接收、工作信號的采集、控制方案的建立和控制信號發出等全功能[6，7]。控制系統能夠實現與智慧交通系統的連接，依據智慧交通系統提供的運行環境數據(包括洞外亮度、洞內車流量、洞外氣候條件及意外事故等)控制隧道燈具，實現亮度調整、色溫變化、閃爍、引導等功能。圖6是控制系統的構架圖。

圖6 控制系統構架圖Fig.6 Control system architecture

5 信號體制與傳輸媒介設計

根據系統各級的信號傳輸帶寬的需要，設計了異構網絡。針對隧道內電磁環境復雜的特點，設計了全有線的信號傳輸方式。表2給出了不同層級的信號傳輸方式。

表2 信號傳輸方式

6 驅動系統設計

隧道照明系統工作環境惡劣、工況復雜，對控制系統可靠性要求高，低故障率和低的故障危害度的設計應貫穿于整個系統設計之中。燈具中的LED驅動裝置是控制系統的末端，必須納入控制系統設計。通過對系統故障的形式、狀態和危害度進行分析，滅燈故障為隧道照明系統的致命故障，其原因分析如表3所示。

表3 雙色滅燈故障的原因分析表

可見信號故障引起的滅燈故障危害度較大，因而驅動裝置應采取針對性設計。通過抗信號故障的LED驅動裝置，采用自建調光信號的方法使燈具在無信號狀態下保持基本光輸出(滿負荷工作的80%)，保證了信號故障狀態下的照明需要。

7 系統決策機制

隧道照明系統的目的是使駕駛員能夠清晰感知環境變化，環境參數(照度)的劇烈變化會對駕駛員產生強烈的刺激，不當的刺激會引起駕駛員的應激反應，降低行駛的安全度。合適的刺激值是系統設計的目的。照明系統的狀態隨邊界因素而變化是智能化控制的典型特征，因而決策機制十分重要。系統的決策受三維因素的影響，分別是環境因素(季節、時間、洞外照度和氣候狀態等)、隧道運行參數(車流量、車流分布、能耗狀態等)和事件因素(計劃可控事件和突發事件等)。系統將通過設計建立的三維模型，通過收集和采集的因素參數決定系統的狀態，如圖7所示。

圖7 影響決策機制的因素Fig.7 Factors affecting decision-making mechanisms

8 結語

通過以金家莊特長螺旋隧道為基礎模型，設計了一種高速公路螺旋型隧道智能照明控制方法。通過控制系統實現多節點的控制，實現色溫和亮度的平緩變化；通過洞外光環境的跟蹤，減少了進、出隧道的不適感，營造了一個安全、舒適的隧道行車光環境。通過多階梯的亮度控制，克服了回路控制的粗放性，滿足了節能高效運行的需求；同時通過隧道燈光色溫變換起到警示、疏散及引導的作用。系統可納入隧道智能管理系統，成為智慧化高速的一部分。