隧道智能照明遠程監控系統的設計和驗證

管大亮

浙江工業大學工程設計集團有限公司，浙江 杭州 310000

0 引言

隨著市政道路基礎建設的不斷發展，公路隧道內的行車安全逐漸成為工程施工過程中首要關注的問題。由于自然光線條件的限制，公路隧道為了保證照明效果，通常會保持照明設施的24 h開啟，但此種照明方式不利于節能減排政策的落實，還會造成能源浪費[1]。為此，需要研究公路隧道智能照明遠程監控系統，在確保行車安全的同時，減少照明能耗，提高公路隧道的整體通行效果。

1 隧道智能照明遠程監控系統概述

基于物聯網技術的發展，智能照明遠程監控系統的實現成為可能。物聯網中的無線通信技術包括ZigBee、Wi-Fi、藍牙、Z-Wave等。其中，ZigBee技術具有低復雜度、低功耗、低速率、短延遲、低成本、大容量的特點，完全滿足隧道照明系統組網的需求。因此，文章提出了一種基于ZigBee的隧道智能照明遠程監控系統。與早期的傳統智能隧道照明控制系統相比，該系統無須鋪設控制線，通信速率更高，可達250 kbps，區域控制器可安裝在任意指定位置，所需數量更少。該系統既能滿足隧道照明要求，保證行車安全，又能實現節能降耗，有效滿足隧道安全、高效、綠色運營的要求。

2 隧道智能照明遠程監控系統的功能需求

（1）無線通信。隧道智能照明遠程監控系統可利用以無線通信接收下位機發送的指令和信號，并利用無線通信向調光控制器和照度采集裝置發送調光指令[2]。

（2）數據處理。根據洞內亮度、車速、車流量等數據的分析處理結果，ZigBee通信模塊可以向照明監控終端發送控制命令，遠程智能控制照明系統[3]。

（3）人機交互。隧道智能照明遠程監控系統可實時顯示隧道各段環境參數，提供數據查詢、存儲和圖表輸出功能，輔助管理者決策[4]。

（4）運行模式的選擇。隧道智能照明遠程監控系統需要具備自動控制、手動控制和定時控制三種運行模式，以應對不同的隧道運行情況。

3 隧道智能照明遠程監控系統的設計

3.1 系統的工作過程

先由環境信息感知子系統通過傳感器監測隧道內外的光線變化及相關的環境數據，再由車輛行為感知設備子系統采集車輛運行狀態及交通量等基本信息，并將信息傳送到隧道變電所的服務器；通過變電所端的軟件進行綜合分析處理，結合具體數值分析得到調光范圍，發出調光指令，調節隧道內的照明設備。

隧道管理人員可以登錄相關軟件，并通過客戶終端與隧道洞口變電所的軟件建立連接，在客戶端查看隧道具體路段的照明狀態，并判斷是否需要調整。

3.2 系統的組成

3.2.1 車輛行為感知子系統

結合環境信息感知技術的車輛行為感知子系統的功能是根據車輛的運行現狀和周圍環境的光線調節照明設施。應用車輛行為感知子系統可以監測隧道內的車流信息，保證車輛駛入隧道時，照明設施及時打開；環境信息感知子系統可以通過傳感器檢測隧道內的能見度，并結合隧道外的光線條件及變化情況得到隧道內外光線條件的數值，進而將數據信息代入系統算法得出隧道照明設備的合適亮度。

需要建立專門的智能子系統收集交通量和車輛所處位置的具體信息。系統中的紅外探測器可以檢測車輛位置信息，確認隧道內有無車輛駛入；監測設備都需要安裝在洞外，以便洞內照明系統提前調節燈光；本地PLC控制器可以將收集到的車輛信息和詳細數據傳輸到隧道變電所的服務器；隧道洞口的檢測終端需要分析采集到的車輛信息和隧道內的照明亮度，完成照明亮度的操作指令，并由隧道照明及調光子系統執行具體的調光操作；數字微波車輛檢測器可以根據車輛的速度和隧道內交通量的多少確認不同路段需要的照明條件。

3.2.2 環境信息感知子系統

隧道照明系統的智能運行不僅需要監控、分析車輛信息，還需要及時獲取隧道內外的實時光線信息，并形成可以進入系統運算的具體參數，通過智能技術的分析計算最終確定照明設施亮度的具體范圍。光強檢測器和能見度儀器可以采集隧道外和隧道內的光源條件，以及不同路段的照明亮度數值，并統一上傳至終端；洞內的CO/VI檢測器可以獲得隧道內視線能見度的具體數值。這些環境信息的數值都可以為照明設施的調節和改進提供有力參考。

3.2.3 隧道照明及調光子系統

隧道照明及調光子系統可以輔助隧道照明設備的亮度調節，是系統終端發出的亮度調節指令后的執行系統，可以提升隧道分段照明的效率。

照明監控系統設計需要為隧道具體照明設施的進行配合調光，整個智能系統的運行需要使用局端和遠端的調光控制器設備。隧道照明智能控制系統的最終使用目的是在保證行車安全的前提下，減少不必要的電能消耗，同時確保整個隧道的照明條件。駕駛員進入隧道的行車過程主要分為進入隧道前、在隧道中和即將出隧道三個階段，在此過程中，駕駛員要不斷適應光線變化產生的不適。新型隧道照明及調光系統可以幫助車輛駕駛員緩解通過隧道時的視覺影響和不良反應，有利于隧道行車安全。

3.2.4 攝像機監控子系統

攝像機監控子系統的主要作用是實時抓拍隧道內的實況照片，并結合圖像處理技術檢查隧道內的車輛信息。如果車輛已經離開隧道，可以熄滅或者調暗照明設備。

攝像機監控子系統所需的運行設備主要是網絡IP攝像機，攝像機通常安裝在隧道內壁，從而保證攝像機的攝像范圍可以包括整個隧道，同時可以完成對隧道內車輛及車流信息的實時拍攝。隧道內IP攝像機拍攝的實時照片會傳送到洞口變電所的終端軟件上，軟件通過提前輸入的算法分析處理圖片信息。使用攝像機監控子系統可以更好地把握隧道不同路段的車流狀況，進而調節隧道的照明燈光。

3.2.5 隧道照明通信子系統

為了保證監控及照明設備的穩定運行，針對隧道照明的通信環節設置了子系統。這一系統可以應用光纖通信技術提升感知設備和監控設備傳遞數據的安全性。

隧道照明通信子系統由以太網交換機和多種遠端光端機、局端光端機組成，可以利用環網組網的通信方式進行更加高效的數據傳輸。要通過環網型遠端光端機連接控制器，并通過遠端光端機和控制器構成光纖環網。建立遠端光端機和洞口變電所終端的連接時，可以用局部光端機與遠端光端機相連，再在變電所內設置局端光端機，并連接傳感器和本地控制器，以便通過以太網交換機將傳感器收集的光線參數輸送至變電所的服務終端。此外，要統籌監控攝像機和節點遠端光端機的連接，通過光纖電纜和局端光端機完成圖像信息的傳送。

3.2.6 隧道照明遠程監控軟件

隧道照明遠程監控軟件需要設置在隧道洞口的變電所，照明設備的燈光調節建立在監控設施對隧道各項信息的收集處理的基礎上，而監控所和中心端軟件都需要結合PC機運行。軟件的運行質量決定了各監控系統和照明設備使用智能技術的效率和效果，而變電所的基礎設施可以為整個系統提供保障，這也是設置變電所端軟件的必要性所在。

作為收集信息圖像和采集光線數據的最終處理終端，隧道照明遠程監控軟件是技術處理的核心，由隧道洞口變電所端軟件、監控所端軟件以及監控中心端軟件三部分構成。隧道變電所的服務器承載著隧道洞口變電所端軟件的運行，它負責綜合分析環境信息和車輛行為感知子系統收集的數據，依據設置好的算法確定最佳亮度，并給下級系統下達調光指令；監控所端軟件和監控中心端軟件的運行都依賴于隧道監控所的PC機，二者的唯一區別在于中心端軟件只能監測信息，無法進行具體操作控制。

4 隧道智能照明遠程監控系統的設計實踐

4.1 工程概況

某隧道智能照明遠程監控系統采用ZigBee無線通信技術對公路隧道照明進行分區控制、場景控制和自動化控制，并實現遠程實時監控和故障自動報警功能。該工程的照明效果如圖1所示。在確保行車安全的前提下，通過智能照明控制系統進行自動調節，可以降低照明能耗，延長燈具使用壽命，減少維護費用。針對該隧道的特殊情況和要求，采用分區過渡調光的方式使駕駛員適應隧道出入口的明暗變化，并確保隧道的行車安全。同時，預設了多種燈光場景并可以自動切換，使隧道照明滿足相關的亮度需求。系統可以根據采集的環境光照度值和交通量信息，自動調節燈光亮度，以適應環境明暗變化和交通量變化，在保證行車安全的同時，實現最大限度的節能。

圖1 工程照明效果示意圖

4.2 設計的隧道智能照明遠程監控系統

設計的隧道照明系統主要包括中段照明、入口段照明、過渡段照明和出口段照明，不同路段的亮度、車速、車流量不一樣。為了兼顧行車安全和節能，有必要分段調節LED燈具的亮度，并監控每個區段照明設備的運行情況。

設計的智能隧道照明遠程監控系統主要分為四個模塊。（1）環境參數檢測模塊：具體檢測參數包括隧道內外亮度、隧道內外煙霧濃度、車流量和平均車速；（2）ZigBee無線通信模塊：用于上傳環境數據；（3）LED照明監控終端：根據控制系統的指令調整LED燈具的運行狀態；（4）LED隧道燈服務器控制系統：接收并處理各路段的環境參數，向照明監控終端發送命令，實時調控LED燈具的亮度。

由于隧道是線性工程，無線網絡節點較多，該系統的ZigBee組網采用簇樹拓撲，在無線模塊中包括三類設備。（1）中心節點：負責網絡創建、數據傳輸和控制；（2）路由節點：負責數據轉發，可以延長無線通信距離；（3）終端設備：負責上傳環境參數和接受訂單。在無線通信模塊中，當終端節點通過路由節點組網失敗時，會自動尋找其他路由節點組網，從而實現大區域通信，后期維護也更加方便。

4.3 系統實現與驗證

為了驗證設計的隧道智能照明遠程監控系統的節能效果，根據上述框架搭建了測試平臺。分別采用40 W、100 W、180 W的LED燈具和600 W的高壓鈉燈作為隧道照明燈，通過程序切換依次進行隧道照明。假設隧道在運行，隧道外白天和晚上的亮度為300～3 000 cd/m2，交通量N（單位：pcu/d）在N=0、0＜N≤180、180＜N＜650、N≥650四種狀態中隨機變化，車速在40 km/h、60 km/h、80 km/h三個值中隨機變化。三種隧道照明控制方案如下。

（1）方案一：傳統照明控制模式。隧道各段照明功率不變，按隧道外亮度為3 000 cd/m2、車流量N≥650、車輛通過速度為80 km/h配置功率。

（2）方案二：隧道智能照明遠程監控系統控制模式（自動控制模塊型）。隧道各段照明功率根據隧道外亮度、車流量、車輛通過速度實時變化。

（3）方案三：隧道智能照明遠程監控系統夜間控制模式（定時控制模式）。夜間隧道外亮度恒定，可直接使用定時控制模式。

使用以上三種方案模擬8 h，耗電量分別為618 kW·h、383 kW·h、165 kW·h。方案二和方案三分別節電38%和73%，節能效果顯著。

5 結論

綜上所述，為解決公路隧道傳統照明方式造成的能源浪費問題，需要探討隧道智能照明遠程監控系統的設計方法，在確保行車安全的同時減少照明能耗。