高速公路隧道照明節能控制系統的研制

摘要：高速公路隧道內照明情況關乎過往車輛的行駛安全，因此高速公路隧道在設計之初都是采用大功率的照明燈，并以24 h常亮的運行方式來保障過往車輛的安全，這造成了電能的大量浪費。為實現高速公路隧道照明的節能減排，研制了一種高速公路隧道照明節能控制系統。該系統利用測距紅外傳感器對駛入和駛出隧道的車輛進行統計，當隧道內存在車輛時，照明燈常亮，否則關閉照明燈，以此達到節能的效果。為改良現有主站終端對隧道照明的監測方式以適應該系統，該系統利用電壓互感器對供電電源的供電情況進行監測，當監測到供電電源停電時，啟動備用電源臨時供電，以保證隧道照明燈的正常運行，并將停電信息上傳主站終端，提示工作人員現場運維。

關鍵詞：高速公路;隧道照明;節能減排;測距紅外傳感器

中圖分類號：U453.7" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0042-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.010

0" " 引言

我國的高速公路總里程位居世界第一，路上遍布著大大小小無數的隧道。隧道內照明情況關乎過往車輛的行駛安全，因此，高速公路隧道在設計之初都是采用大功率的照明燈，并以24 h全天候常亮的運行方式來保障過往車輛的安全[1-2]。但由于高速公路并非時時都有車輛駛過，在部分時段特別是深夜，隧道處于無車輛駛過的狀態，此時照明燈常亮就相當于浪費大量的電能。目前我國正處于發電模式更替階段，但依然是以火力發電為主，而煤礦資源的稀缺一度造成了電能緊缺的狀況[3];另外，國家目前呼吁節能減排，實現碳中和，所以高速公路隧道照明燈的運行模式需要進行節能減排改造，以響應國家號召。

本文提出了一種高速公路隧道照明節能控制系統，該系統利用測距紅外傳感器對駛入和駛出隧道的車輛進行統計，當隧道內有車輛存在時，照明燈常亮，否則關閉照明燈，以此達到節能的效果。為改良現有主站終端對隧道照明的監測方式以適應該系統，該系統利用電壓互感器對供電電源的供電情況進行監測，當監測到供電電源停電時，啟動備用電源臨時供電，以保證隧道照明燈的正常運行，并將停電信息上傳主站終端，提示工作人員現場運維。

1" " 高速公路隧道照明節能控制系統現場布置設計

高速公路隧道照明節能控制系統現場布置圖如圖1所示。

高速公路隧道內根據隧道長度裝設一定數量的照明燈。在隧道入口處的左右兩端各安裝一個入口測距紅外傳感器，在隧道出口處的左右兩端各安裝一個出口測距紅外傳感器，測距紅外傳感器用于檢測隧道內是否存在車輛。隧道側面的配電室內安裝微機模塊、電壓互感器、舵機模塊1和舵機模塊2。其中，微機模塊是該系統的核心模塊，用于接收、計算數據和輸出指令。電壓互感器安裝在供電電源進線處，用于檢測供電電源是否正常供電。舵機模塊1安裝在自備電源切換開關處，用于對自備電源進行投切。舵機模塊2安裝于隧道照明燈控制開關總閘處，用于對照明燈進行開合。入口測距紅外傳感器和出口測距紅外傳感器通過沿隧道墻壁布線進而引進配電室，連同電壓互感器二次側一起連接于微機模塊的輸入接口上，舵機模塊1、舵機模塊2分別連接在微機模塊的輸出接口上。

2" " 高速公路隧道照明節能控制系統硬件設計

高速公路隧道照明節能控制系統硬件原理圖如圖2所示。

高速公路隧道照明節能控制系統硬件設計如下：

微機模塊內分為主微機和次微機，主微機主要用于處理入口測距紅外傳感器和電壓互感器二次側的輸入數據，以及后續的所有數據計算和指令輸出;次微機主要用于處理出口測距紅外傳感器的輸入數據，并將該數據處理結束后的結果傳輸到主微機中進行綜合處理，目的是使入口測距紅外傳感器與出口測距紅外傳感器實現并列運行、單獨處理，彼此不受影響和干擾。

入口測距紅外傳感器與出口測距紅外傳感器均單向將測量數據傳入微機模塊。微機模塊單向給舵機模塊2發送隧道照明燈分合閘指令。測距紅外傳感器的工作原理是由紅外探頭發射紅外線，在紅外線遇到遮擋物時反彈回來，由于紅外線的傳播速度近似光速，所以當測距紅外傳感器接收到返回的紅外線時，可以利用光速和紅外線從發射到接收的時間測算傳感器與遮擋物之間的距離，測距紅外傳感器測算速度極快，在使用12 MHz晶振的情況下，每12 μs就能完成一次測算。利用測距紅外傳感器的該原理做如下設計：高速公路單個車道的寬度標準是3.75 m，隧道設計通常為雙車道模式，隧道入口和出口左右兩側的測距紅外傳感器各自監測距離最近的車道上車輛駛入和駛出情況。當無車輛駛過時，測距紅外傳感器測算距離將大于3.75 m;當有車輛駛過時，測距紅外傳感器測算距離將小于3.75 m。從入口測距紅外傳感器首次測算到測算距離小于3.75 m開始，直到測算距離大于3.75 m為止，記為駛入一輛車輛;從出口測距紅外傳感器首次測算到測算距離小于3.75 m開始，直到測算距離大于3.75 m為止，記為駛出一輛車輛。將駛入車輛數與駛出車輛數作差，得出隧道內的實時車輛數。當隧道內車輛數由0變成1時，微機模塊控制舵機模塊2進行合閘，隧道照明燈亮起;當隧道內車輛數由1變成0時，微機模塊控制舵機模塊2進行分閘，隧道照明燈熄滅。

電壓互感器二次側將檢測的電信號單向傳入微機模塊，微機模塊單向給舵機模塊1發送切換自備電源的指令，并將供電電源停電信息單向上傳給主站終端。由于高速公路隧道照明節能控制系統的設計，隧道內照明燈不再是24 h全天候常亮狀態，這就使得現有主站終端監測隧道照明是否正常運行的系統不再完全適用，當隧道照明燈不亮時，主站終端不再能簡單判斷隧道照明燈是故障還是供電電源停電。為此，在配電室安裝備用電源，當電壓互感器二次側檢測到供電電源停電時，微機模塊控制舵機模塊1切換成備用電源臨時供電，以保證隧道照明燈的正常運行，保障行駛車輛的安全，同時微機模塊將該隧道供電電源停電信息上傳主站終端，提示工作人員進行現場處理，及時恢復供電。當電壓互感器二次側檢測到供電電源恢復供電時，微機模塊控制舵機模塊1切換回供電電源供電。

3" " 高速公路隧道照明節能控制系統軟件設計

設置備用電源合閘標志為backup，backup為0代表備用電源未合閘，backup為1代表備用電源已合閘。設置照明燈啟動標志為start，start為1代表照明燈啟動，start為0代表照明燈未啟動。設置入口測距紅外傳感器的測算距離為d1，出口測距紅外傳感器的測算距離為d2，駛入隧道車輛數為c1，駛出隧道車輛數為c2，隧道內車輛數為c0。

高速公路隧道照明節能控制系統主微機軟件流程圖如圖3所示。

電壓互感器二次側檢測供電電源是否正常供電，如果電壓互感器二次側不帶電，則判斷備用電源合閘標志backup是否為1，如果backup不為1，則證明備用電源未啟動，此時主微機控制舵機模塊1合閘啟動備用電源，并向主站終端上傳供電電源停電的信息，再將backup置1;如果backup為1，則證明備用電源已啟動，此時電壓互感器二次側檢測供電電源是否正常供電，如果供電電源恢復正常供電，主微機控制舵機模塊1分閘切斷備用電源，再將backup置0。

當入口測距紅外傳感器檢測到d1小于3.75時，證明有車輛駛入隧道，重復測算d1是否一直小于3.75，當測算距離大于3.75時，證明有一輛車輛完整駛入隧道，此時c1自加1。出口測距紅外傳感器檢測原理與入口測距紅外傳感器檢測原理相同，當次微機計算完一次c2的值時，實時將c2數據傳輸給主微機，及時更新主微機中c2數據。

將c1與c2作差得到c0，判斷c0是否大于0，如果c0大于0，則證明隧道內有車輛存在，此時判斷照明燈啟動標志start是否為1，如果start不為1，則證明照明燈未啟動，主微機控制舵機模塊2進行合閘啟動照明燈，并將start置1。如果c0不大于0，則證明隧道內已無車輛存在，此時判斷start是否為1，如果start為1，則證明照明燈啟動，主微機控制舵機模塊2進行分閘關閉照明燈，并將start置0。

4" " 結束語

高速公路隧道照明節能控制系統利用測距紅外傳感器對駛入和駛出隧道的車輛進行統計，當隧道內存在車輛時，照明燈常亮，否則關閉照明燈，以此達到節能的效果。為改良現有主站終端對隧道照明的監測方式以適應該系統，該系統利用電壓互感器對供電電源的供電情況進行監測，當監測到供電電源停電時，啟動備用電源臨時供電，以保證隧道照明燈的正常運行，并將停電信息上傳主站終端，提示工作人員現場運維。

[參考文獻]

[1] 崔儀，車現法，范振慶.隧道照明節能發展綜述[J].中國照明電器，2018（12）：23-26.

[2] 劉金.高速公路隧道低壓配電系統與照明系統故障分析及解決措施[J].北方交通，2022（10）：74-76.

[3] 王瑞環.“雙碳”背景下火力發電企業資金管理存在的問題及對策研究[J].質量與市場，2023（1）：151-153.

收稿日期：2023-04-03

作者簡介：陳建楓（1989—），男，廣東汕頭人，助理工程師，研究方向：高速公路監控中心智慧運營系統的主要技術。