基于隧道交通安全系統(tǒng)的電路優(yōu)化

侯俊濤，楊艷

（攀枝花學院智能制造學院，四川攀枝花，617000）

0 引言

我國中西部地區(qū)因為地理條件的緣故，隧道在基礎(chǔ)公路運輸中過程中起著至關(guān)緊要的作用。但同時因為中西部偏遠地區(qū)經(jīng)濟條件不優(yōu)渥，因此導致了基本交通照明設(shè)施的落后，甚至有的地區(qū)隧道控制電路仍然采用老式的傳統(tǒng)閘刀電路，存在無車狀態(tài)下開啟隧道燈光、隧道口處燈光亮度不足等交通安全和資源浪費問題，這不僅導致交通事故的頻發(fā)，同時也增加了經(jīng)濟負擔，與現(xiàn)代智能交通安全、節(jié)能、減排的基本理念是背道而馳的。

1 隧道照明要求和控制原理

1.1 隧道照明要求

此次設(shè)計要求主要采用led隧道燈，由于隧道特有的封閉結(jié)構(gòu)，駕駛員在進入和駛出隧道時因為“黑洞”、“白洞”效應帶來了短暫的失明。因此為了減緩甚至避免這種效應帶來的道路安全隱患，本文將針對整個隧道的燈光設(shè)計進行一些科學、合理的優(yōu)化，給隧道交通安全和社會帶來一定的收益和保障。

最主要的目的就是解決“黑洞”和“白洞”效應帶給駕駛員的影響，“黑洞”和白洞效應的產(chǎn)生主要來自于外界光線強度的急劇變化，隧道具有獨特的封閉結(jié)構(gòu)，導致了隧道內(nèi)外的亮度差，駕駛員在短時間內(nèi)遭遇外界光線強度的急劇變化導致了“黑洞”和“白洞”效應的產(chǎn)生，在這種環(huán)境下，駕駛員由于看不清前方的道路狀況，對于本身來說，這無疑時致命的，為此我們將整個隧道分為三個部分，一個內(nèi)室，以及兩個監(jiān)控區(qū)域，（如圖1）監(jiān)控區(qū)域存在線圈，當監(jiān)控區(qū)域存在車輛，則系統(tǒng)通過交通指示燈進行反饋，用于提醒駕駛員前方的道路狀況。

圖1 隧道縱向剖面圖

在中長型隧道中，內(nèi)室的長度更長，若將整個隧道的led燈全部統(tǒng)一功率規(guī)格，使得整個隧道處于一個高亮度的狀態(tài)中，相對應的維護和運行成本隨之升高，同時也不符合系統(tǒng)的節(jié)能主旨，因此本文將靠近隧道出入口處的隧道燈安裝改造為功率高且密集，隧道內(nèi)室則功率低且稀疏，使得隧道整體亮度變化如圖2所示，給駕駛員一個緩慢變化的視線適應過程，減少由于亮度、氣溫等外部因素給駕駛員帶來的影響，從而降低隧道口處的事故發(fā)生率。

圖2 隧道照明亮度曲線取自（交通隧道LED照明智能控制系統(tǒng)研究張德錢）

1.2 控制原理

相比于傳統(tǒng)的開關(guān)控制電路，本文探討的是一種新型智能化自動控制開關(guān)，原理為兩個計數(shù)器進行數(shù)據(jù)比對，當二者數(shù)值相等時控制隧道燈光電路處于關(guān)閉狀態(tài)，同時將數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫，得到即時的道路車輛通行數(shù)據(jù)。圖5為計數(shù)器的原理構(gòu)造，為了讓計數(shù)器能夠達到準確計數(shù)的目的，此外本文將鋪設(shè)線圈作為計數(shù)器1的觸發(fā)器，將觸電產(chǎn)生的電流與計數(shù)器連通，從而達到每經(jīng)過一輛車，計數(shù)器1產(chǎn)生增值的效果，并與計數(shù)器2進行比對，最終達到車輛數(shù)據(jù)對比來控制隧道燈光電路的效果，以此來解決在無車條件下燈光資源浪費的問題。

圖3 單片機內(nèi)部計數(shù)器原理構(gòu)造圖

傳統(tǒng)的隧道電路采用閘刀等開關(guān)方法來控制燈光，過于死板和固定，即使在無車輛的狀態(tài)下也無法關(guān)閉燈光電路，浪費了大量的電力資源，因此本文針對此類現(xiàn)象使用雙計數(shù)器控制電路，極大的減少電力資源的支出和浪費。

1.3 針對數(shù)據(jù)對比延誤的問題的措施

本文采用的控制電路主體由邏輯門電路和穩(wěn)壓電源電路組成，由于系統(tǒng)采用雙計數(shù)器對比數(shù)據(jù)控制電路的結(jié)構(gòu)，故而存在著一定的時間延誤，可能導致系統(tǒng)工作緩慢等情況的出現(xiàn)，增大車輛駛?cè)胨淼赖陌踩L險因此本文在電路中加入一個超前進位加法器，以此來減少系統(tǒng)的工作反應時間。使用超前進位加法器來減少整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比和運作的時間，使得隧道燈光燈光能夠在車輛進入入口之前的安全距離就能正常打開，從而使車輛能夠安全進入隧道。

2 數(shù)據(jù)控制和電路布局

2.1 數(shù)據(jù)對比控制電路

本文針對電路的具體控制采用PLC可編程控制技術(shù)，將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)以及通信技術(shù)實現(xiàn)融合一體化，最終來控制整個燈光電路。

當車輛經(jīng)過感應線圈后，計數(shù)1器發(fā)生增值，將數(shù)據(jù)傳至計數(shù)器2處進行比對，輸入兩個計數(shù)器的數(shù)據(jù)至邏輯電路中，最終將結(jié)果輸出復制為兩份，一份保存至寄存器用于上傳數(shù)據(jù)庫，使得整個交通系統(tǒng)達到實時的數(shù)據(jù)，另一份則轉(zhuǎn)換至控制電路，通過PLC可編成控制技術(shù)來控制系統(tǒng)燈光的開啟；同理，若計數(shù)器2發(fā)生增值，則判定為是否關(guān)閉燈光，若計數(shù)器1、2在一定時間內(nèi)并未相等且長時間無變化，此時將判定為意外狀態(tài)，根據(jù)實際情況來進行電路的控制。

將計數(shù)器1、2的數(shù)據(jù)輸入數(shù)值比較器中，進行邏輯門“與或非”的對比，采用的數(shù)值比較器的基本組成為74LS85邏輯板塊，當數(shù)據(jù)經(jīng)過74LS85邏輯電路模塊的輸出后，將此信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，進行下一步處理，以此來控制整個隧道電路的運轉(zhuǎn)，達到自動控制燈光和智能交通的目的。

2.2 意外情況的判定和電路布局

當長時間內(nèi)計數(shù)器1和計數(shù)器2數(shù)據(jù)不等且無變化時，則說明隧道內(nèi)部此時出現(xiàn)了意外情況，隧道內(nèi)存在車輛長時間未離開車輛，此時應當繼續(xù)打開燈光，控制交通指示燈變?yōu)榫渖?，提示駕駛員隧道道路狀況存在意外情況，同時將此信息上傳至數(shù)據(jù)庫，再由數(shù)據(jù)庫反饋給汽車，使得駕駛員得到前方隧道道路的大致情況，并通過隧道口的信號指示燈來進行預防。若長時間內(nèi)一直為此情況，此時系統(tǒng)開啟自我檢測模式，檢查系統(tǒng)自身的運轉(zhuǎn)情況，檢測是否為系統(tǒng)故障，最終將系統(tǒng)自我檢測數(shù)據(jù)和道路數(shù)據(jù)一同上傳，使得數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)異常狀況，并作出相應的措施（派出維修人員前去檢測維修等）。

例如，隧道路段的最低限速為60碼，全長12公里，則正常狀況下12分鐘即可從出口處離開隧道，計數(shù)器2的數(shù)值也會產(chǎn)生增值狀況。當數(shù)據(jù)不等且無變化狀態(tài)超過總時長的20%不超過30%時將隧道內(nèi)的道路狀況判定為“前方道路狀況不明，可能存在意外情況”，當超過30%時將判定為“前方道路出現(xiàn)意外事故”。以上兩種情況都將通過改變交通信號的的顏色來對司機進行警示，并將其上傳數(shù)據(jù)庫，更新實時數(shù)據(jù)，以此統(tǒng)計各階段的情況占總交通量的百分比，可作為科研調(diào)查的數(shù)據(jù)。

由圖4可知，優(yōu)化前的隧道電路運轉(zhuǎn)模式趨于手動化，同時還要根據(jù)不同的時間段，人為去控制電路燈光的模式，過于浪費資源，受外部影響較大，因此圖5在圖4的基礎(chǔ)上對運轉(zhuǎn)模式進行了數(shù)據(jù)集中化和減少電力能源支出的優(yōu)化，使得隧道電路在原先安全的基礎(chǔ)之上增加了節(jié)能和自動化的特點。

圖4 優(yōu)化前的隧道電路運轉(zhuǎn)模式

圖5 優(yōu)化后的隧道電路運行模式

3 與無人駕駛技術(shù)的聯(lián)絡(luò)

目前在無人駕駛技術(shù)研發(fā)階段，采用的技術(shù)尚未成熟，但隨著科技和現(xiàn)代化智能交通的不斷發(fā)展，無人駕駛技術(shù)必然會是大勢所趨。在未來，隨著汽車無人駕駛技術(shù)的不斷成熟，交通道路實時數(shù)據(jù)和無人行駛一體化時必然的，在交通道路行駛的過程中，無人駕駛系統(tǒng)得到有數(shù)據(jù)庫發(fā)來的信息，能夠準確高效的得到前方的道路狀況，從而規(guī)劃出最佳路線和最保險的措施，使得駕駛員免于遭受人身財產(chǎn)安全的同時，提高道路的出行效率，真正意義上達到智能交通出行的目的。

就目前看來，無人駕駛技術(shù)實行之后采取的道路狀況識別方法是通過紅外感應或者視頻圖像來反饋給數(shù)據(jù)處理中心，再將駕駛指令反饋給行駛車輛。那么在進出隧道的一時刻，由于亮度、隧道內(nèi)外紫外線、氣溫等多方面的急劇變化，必然也會出現(xiàn)許多的問題，例如傳感器失靈、無人駕駛系統(tǒng)無法識別前方道路狀況等等，勢必會對正常行駛的無人駕駛汽車的行進和判斷造成極大的干擾，甚至出現(xiàn)交通流滯停、交通事故的情況，這些與無人駕駛技術(shù)及智能化交通的初心都是不符合的，為此我們應當減少此類情況的發(fā)生。

故而，我們將整個系統(tǒng)得到的道路實時數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)包括監(jiān)控區(qū)域的狀況、隧道內(nèi)的車輛數(shù)量等等。在無人駕駛汽車靠近隧道入口時，將會與數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生數(shù)據(jù)共享鏈接，汽車的智能控制系統(tǒng)將從數(shù)據(jù)庫中得到前方隧道的所有道路數(shù)據(jù)，再由智能控制系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)后做出相對應的指令來控制汽車的行進狀態(tài)，減少不必要的交通滯留問題。當無人駕駛汽車出現(xiàn)意外情況時，將把滯留的位置、狀況反饋給數(shù)據(jù)庫，將整個意外情況的信息公開，使得后面行駛的無人駕駛汽車得到準確的位置信息，做出及時、合理的選擇和命令，最大限度上減少因為意外事故給道路交通帶來的不良影響，同時如果意外狀況過于嚴重，通過汽車系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳，數(shù)據(jù)庫可以及時的啟動報警指令，在第一時間搶救駕駛員的生命和財產(chǎn)安全，使得道路交通智能交通發(fā)展在無人駕駛技術(shù)時代在安全和事故處理方面得到充分的保障，為日后無人駕駛技術(shù)在各方面的應用提供一個后勤和安全模板，減少無人駕駛技術(shù)在未來的信息化時代的難題。

4 結(jié)束語

使用計數(shù)器、數(shù)值比較器、以及PLC控制技術(shù)對整個隧道電路進行改造，達到安全、節(jié)能、收集實時交通數(shù)據(jù)和實現(xiàn)自動、智能化交通的目的，有效改善了老式隧道電路浪費高、節(jié)能低，隧道安全性差的現(xiàn)象，同時實現(xiàn)了對整個隧道電路的集中控制和數(shù)據(jù)采集上傳，并對未來的交通出行模式和交通基礎(chǔ)設(shè)施進行模擬和期望，對無人駕駛技術(shù)在隧道方面的可能出現(xiàn)的交通問題提出有效的解決方案，為交通智能現(xiàn)代化獻出綿薄之力。