基于單燈智能控制的高速公路隧道照明管理系統(tǒng)研究

胡 濤，蔣澎濤，呂 江

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

目前我國(guó)高速公路隧道工程建設(shè)過程中，照明系統(tǒng)建設(shè)是重要組成部分，對(duì)車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，為此需要進(jìn)一步重視高速公路隧道照明系統(tǒng)的優(yōu)化。單燈智能控制技術(shù)作為一種新型節(jié)能控制技術(shù)，對(duì)照明燈進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，在照明燈內(nèi)設(shè)置編碼地址，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)連接，通過系統(tǒng)指令輸入完成對(duì)照明燈的控制，不僅具有良好的照明效果，同時(shí)可對(duì)照明系統(tǒng)精細(xì)化控制，在保證經(jīng)濟(jì)效益基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)良好的社會(huì)效益和環(huán)保效益。

1 單燈智能控制下高速公路隧道照明管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

受高速公路隧道工程特點(diǎn)影響，其照明管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則需要充分考慮人為因素，重視行駛安全，為駕駛員創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，從而保證交通安全，防止出現(xiàn)安全事故，同時(shí)也減少對(duì)當(dāng)?shù)馗咚俟氛彰飨到y(tǒng)的影響，保障照明的安全性、誘導(dǎo)性、舒適性、智慧性以及經(jīng)濟(jì)性。安全性方面要求照明系統(tǒng)照明效果良好，能夠準(zhǔn)確看出車輛距離和各種障礙物等。誘導(dǎo)性通常是在視覺方面，不僅對(duì)隧道內(nèi)道路寬度進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)于隧道路口及岔口等距離進(jìn)行把控，引導(dǎo)車輛的安全行駛。舒適性一般指車輛行駛中駕駛員能辨認(rèn)前方車輛的情況，包括前方車輛寬度和運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)道路進(jìn)行辨認(rèn)。智慧性指的是人工智能方面，結(jié)合周圍環(huán)境情況，利用智能設(shè)備控制效果，自主確定照明開關(guān)和照明強(qiáng)度，為駕駛員提供個(gè)性化服務(wù)，提供豐富的擴(kuò)展功能和增值服務(wù)。在保證安全性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步保證節(jié)能性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)分析

以高速公路隧道工程為例，高速公路隧道在實(shí)際建設(shè)過程中，為保證良好的建設(shè)效果，對(duì)于單燈智能控制進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)合不同時(shí)段隧道環(huán)境與道路照明使用情況，通過遠(yuǎn)程控制手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明亮度的調(diào)節(jié)。在遠(yuǎn)程管理過程中，可綜合利用PLC電力載波技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及平臺(tái)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可隨時(shí)對(duì)隧道內(nèi)光亮度進(jìn)行采集，以此判斷車輛流動(dòng)速度，通過行車數(shù)量對(duì)隧道內(nèi)燈具進(jìn)行控制。具體系統(tǒng)組織流程如圖1所示。

圖1 高速公路隧道單燈控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

目前，單燈智能控制下的高速公路隧道照明系統(tǒng)包括多個(gè)方面，且內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常包含管理操作軟件、管理操作平臺(tái)和單燈控制器等，管理操作軟件一般指的是手機(jī)APP軟件，可通過軟件完成指令的輸入。而單燈控制器一般安裝在隧道照明控制柜處，與終端控制器的連接，組成隧道內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)主站提供的服務(wù)器進(jìn)行控制。為體現(xiàn)系統(tǒng)的智能效果，該工程項(xiàng)目的高速公路隧道單燈控制照明系統(tǒng)對(duì)于亮度進(jìn)行了加強(qiáng)控制，尤其是中間段亮度，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 高速公路隧道單燈控制系統(tǒng)中間亮度設(shè)置表

該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，將電力載波通信技術(shù)應(yīng)用到單燈控制器后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效控制，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)每個(gè)照明燈的控制效果。在安裝單燈控制器時(shí)，需要對(duì)整個(gè)隧道內(nèi)線路加強(qiáng)控制，通過與隧道照明等接線盒的連接，對(duì)智能控制管理系統(tǒng)執(zhí)行效果進(jìn)行加強(qiáng)[1]。同時(shí)加強(qiáng)與系統(tǒng)之間的距離控制，具體計(jì)算過程如下：

式中：S表示燈具亮度控制距離，km；N表示燈具數(shù)量；Ic表示輸入端的控制電流，A；R表示一段區(qū)域內(nèi)的線阻；V表示控制線最大承受電壓。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 單燈控制器

單燈控制器對(duì)于單片機(jī)要求相對(duì)較高，通過單片機(jī)的合理選擇，可保證單燈控制器具有良好的運(yùn)行效果。高速隧道工程在設(shè)計(jì)單燈控制器過程中，以Atmegal16單片機(jī)為主，該單片機(jī)內(nèi)含有智能性較高的芯片，控制器整體工作效率得到提升，且能耗程度下降，系統(tǒng)處理效果也會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，具有良好的性價(jià)比[2]。

為進(jìn)一步保證高速公路隧道的穩(wěn)定運(yùn)行，單燈控制器功能要進(jìn)一步提高，對(duì)電參量進(jìn)行控制外，對(duì)故障問題自動(dòng)診斷。目前，大部分單燈控制器采用0～10 V方式進(jìn)行無極調(diào)光，在實(shí)際運(yùn)行過程中，采集電壓、電流以及功率等因素，處理后儲(chǔ)存到系統(tǒng)中。通過對(duì)以上因素的分析，能進(jìn)一步判斷隧道內(nèi)是否出現(xiàn)異常現(xiàn)象，提升智能控制效果，對(duì)故障信息主動(dòng)上報(bào)，通過發(fā)出指令完成對(duì)照明效果的控制。對(duì)于單燈控制器的參數(shù)也需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 單燈控制器參數(shù)設(shè)計(jì)表

3.2 集中控制器設(shè)計(jì)

集中控制器設(shè)計(jì)需要結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況進(jìn)行選擇。比較常用的集中控制器為IDGS-1路燈物聯(lián)數(shù)據(jù)集中器，供電效率為220 V，且控制器內(nèi)設(shè)置采集設(shè)備，對(duì)隧道照明配電柜運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息數(shù)據(jù)的掌握。在通信方式選擇方面，可選擇GPRS和CDMA等通信方式，主要目的是掌握信息數(shù)據(jù)采集位置，尋找到合適的解決方式。在監(jiān)控終端處還帶有通用接口，這種接口能與設(shè)備之間產(chǎn)生有效連接，不僅提升設(shè)備運(yùn)行效率，同時(shí)可提升節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。在集中控制器設(shè)置的影響下，可在系統(tǒng)內(nèi)安裝LCD顯示屏，顯示屏播放內(nèi)容包括高速公路隧道行駛注意事項(xiàng)。后續(xù)維修人員可通過手動(dòng)操作的方式，對(duì)集中控制器終端進(jìn)行維護(hù)管理，對(duì)照明控制柜內(nèi)運(yùn)行參數(shù)加強(qiáng)控制，不斷豐富系統(tǒng)功能[3]。

3.3 車輛檢測(cè)器設(shè)計(jì)

車輛檢測(cè)器設(shè)計(jì)可根據(jù)車輛檢測(cè)方法展開，目前常見車輛檢測(cè)方法包括無線地磁檢測(cè)、環(huán)形線圈檢測(cè)、視頻檢測(cè)和雷達(dá)檢測(cè)等，通過對(duì)車輛檢測(cè)器的合理設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)檢測(cè)效果得到優(yōu)化，后續(xù)使用更加便捷，使用成本也會(huì)降低。通常在高速隧道內(nèi)設(shè)置兩組車輛檢測(cè)器，其目的是確定隧道內(nèi)照明燈具的工作狀態(tài)，確定隧道內(nèi)的照明效果，同時(shí)將車輛檢測(cè)器分別作為預(yù)檢檢測(cè)器和入口檢測(cè)器使用，預(yù)檢檢測(cè)器主要是對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)檢，提前檢測(cè)車輛行駛情況，防止車輛抵達(dá)隧道開燈后帶來的不適應(yīng)性，同時(shí)也盡可能避免照明燈頻繁地開啟與關(guān)閉。入口檢測(cè)器得出的數(shù)據(jù)通常對(duì)控制算法加強(qiáng)應(yīng)用，將計(jì)算后得出的結(jié)果作為主要輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)確認(rèn)車輛是否能夠安全通過隧道。從以上內(nèi)容可以看出，車輛檢測(cè)器設(shè)計(jì)重點(diǎn)在安全方面，目的是保證車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 LED燈光調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

LED燈光調(diào)節(jié)模式包括燈管陣列控制手段、燈群控制手段和無極調(diào)光手段等。在以往照明方式的影響下，隧道內(nèi)照明亮度保持不變，燈陣列及燈群組亮度調(diào)節(jié)控制方式呈階梯式，整體照明效果相對(duì)較差。從3種調(diào)整方式來看， 只有無極調(diào)光方式能實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈光的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)線性調(diào)整，滿足隧道內(nèi)的亮度需求。目前，LED無極調(diào)光模式主要分為3種，即模擬調(diào)光、可控硅調(diào)光和PWM調(diào)光，其中，模擬調(diào)光主要對(duì)光亮進(jìn)行模擬，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光亮，這種調(diào)節(jié)方式具有一定的局限性，調(diào)節(jié)效果較低。可控硅調(diào)光雖然調(diào)節(jié)效果比較突出，但是對(duì)周圍環(huán)境要求相對(duì)較高，施工難度較大，整體調(diào)節(jié)效率較低。PWM調(diào)光模式在單燈控制器影響下，對(duì)驅(qū)動(dòng)器設(shè)備發(fā)射數(shù)字脈沖信號(hào)，在該信號(hào)影響下，可使驅(qū)動(dòng)器控制效果得到加強(qiáng)，對(duì)燈源控制能力提高，實(shí)現(xiàn)調(diào)光效果。

4 控制手段策略分析

目前，隧道照明系統(tǒng)設(shè)置主要部分在入口位置處，通過對(duì)入口位置的調(diào)節(jié)，保證入口亮度。將入口段位置作為主要控制輸出手段，通過對(duì)亮度、車速以及交通量參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)照明亮度的控制。

同時(shí)為加強(qiáng)照明燈的使用壽命，減少電能浪費(fèi)情況，提高照明效果，在實(shí)際建設(shè)的過程中，要重視車輛檢車儀器的應(yīng)用，對(duì)不同時(shí)段車流量大小進(jìn)行判斷，根據(jù)具體的判斷結(jié)果控制基礎(chǔ)照明亮度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。對(duì)于單燈控制器也需要進(jìn)一步提高重視程度，調(diào)節(jié)照明燈的開閉時(shí)間和亮度，強(qiáng)化單燈控制器功能。在優(yōu)化控制系統(tǒng)時(shí)，通常會(huì)根據(jù)亮度檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，完成對(duì)車流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，通過不同計(jì)算方式得到照明燈的亮度百分比，以此達(dá)到良好的照明效果，盡可能減少對(duì)駕駛員的視覺影響。如果出現(xiàn)停電現(xiàn)象，通過無極調(diào)光控制器的應(yīng)用，調(diào)整照明功率，并且保持住應(yīng)急照明配光特性，與以往照明效果相一致，盡可能減少斑馬效應(yīng)的出現(xiàn)，提高安全效率，盡可能避免交通意外事故。

5 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合相關(guān)工程案例，對(duì)單燈智能控制下的高速公路隧道照明管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析研究。從以上設(shè)計(jì)內(nèi)容可以看出，要想保證系統(tǒng)建設(shè)的效率，系統(tǒng)功能應(yīng)更加突出，要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)無線通信技術(shù)、信息處理技術(shù)以及電力載波技術(shù)的應(yīng)用，通過各種技術(shù)完成對(duì)高速公路隧道照明系統(tǒng)的無極調(diào)光控制，對(duì)駕駛員視線進(jìn)行優(yōu)化，在保證良好照明控制的基礎(chǔ)上，達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。