基于物聯網技術的智慧型公路隧道照明系統研究

劉同賓、周宏宇

（江西省交投集團路網運營公司科技信息部，江西南昌 330025）

0 引言

隨著我國交通運輸事業的快速發展，公路隧道的數量逐年增加。公路隧道作為交通運輸的重要通道，其照明系統的安全性和節能性越來越受到人們的關注。物聯網技術作為一種新興的技術，以其強大的信息感知、傳輸和處理能力，越來越受到人們的關注。將物聯網技術應用于公路隧道照明系統，可以實現對隧道照明的智能控制和實時監測，提高照明系統的性能。因此，研發一種基于物聯網技術的智慧型公路隧道照明系統具有重要的現實意義。

1 物聯網技術在公路隧道照明系統中的應用優勢

首先，物聯網技術在公路隧道照明系統中具備高效的照明控制能力。通過實時監測隧道內外的環境條件，如光照強度、車流量等，物聯網系統能夠根據這些數據自動調整隧道內的照明亮度，實現按需照明。這種智能照明控制策略能夠提高照明質量，降低能耗，進而降低運營成本，提高能源利用效率。

其次，物聯網技術能夠實現實時設備監測。通過一系列精密的傳感器和通信設備，物聯網系統能夠對隧道內的照明設備進行實時監測，包括燈具狀態、能耗情況等。這有助于及時發現設備故障，提高維護效率，降低維護成本，保障隧道的安全運營。

最后，物聯網技術可以實現智能化的運維管理。通過該技術，管理人員可以實時監控隧道內的照明情況，對異常情況進行報警，并采取相應的措施進行維護。另外，物聯網技術還可以實現照明設備的遠程控制和定時開關，進一步提高照明系統的管理水平[1]。

2 智慧型公路隧道照明系統要求

首先，智慧型公路隧道照明系統應能夠自動調節隧道內的照明亮度，以適應不同的交通狀況和隧道外的光照條件。為此，系統應配備光敏傳感器和車輛檢測器，以便根據外部光線和隧道內車流量實時調整照明強度。光敏傳感器應能夠檢測隧道外的光照強度，并根據隧道外的光線情況，自動調節隧道內的照明亮度。車輛檢測器應能夠實時檢測隧道內的車流量，并根據車流量自動調節照明強度。

其次，智慧型公路隧道照明系統應具備節能功能。系統應能夠根據隧道外的光照強度和隧道內的車流量，自動切換隧道內的照明模式。例如，在白天光照充足的情況下，系統可以自動關閉部分照明設備，以節省能源。在夜間或光線較暗的情況下，系統可以自動開啟全部照明設備，以保證隧道內的行車安全。此外，系統還應具備自動斷電功能，以防止隧道內的照明設備在無人使用時空轉耗電。

再次，智慧型公路隧道照明系統應具備良好的穩定性和可靠性。系統應能夠適應各種惡劣的環境條件，如高溫、低溫、潮濕、灰塵等。為此，系統應采用高質量的照明設備和線路，并具備防雷、防潮、防塵等措施。此外，系統還應具備故障自動診斷和報警功能，以便及時排除故障，保證隧道內的照明安全。

最后，智慧型公路隧道照明系統應具備易于操作和維護的功能。系統應具備友好的人機界面，使管理人員能夠方便地操作和維護系統。例如，系統不僅要具備遠程監控和診斷功能，以便管理人員在任何地方都能實時監控隧道內的照明狀況，還要具備自診斷功能，以便管理人員能夠及時發現并排除故障[2]。

3 現有公路隧道照明系統存在的問題

3.1 照明效果不佳

隧道內的光線環境較為復雜，明暗交替頻繁，駕駛員在進入隧道后需要一定的時間來適應光線的變化。

然而，許多隧道的照明系統無法提供足夠的照明亮度和均勻度，導致駕駛員在隧道中行駛時容易出現視覺疲勞和視力下降的情況，從而增加交通事故的風險。此外，照明效果不佳還會影響隧道內的交通流量和行車效率，進而導致交通擁堵和延誤。

3.2 能源浪費

隧道照明系統需要長時間保持照明，消耗大量的能源。然而，許多隧道的照明系統沒有根據實際需求進行智能調節，導致能源浪費嚴重。例如，在車流量較小的時段，隧道照明系統依然保持高強度的照明，這不僅造成能源浪費，還會增加隧道的運營成本。此外，現有隧道照明系統缺乏有效的節能技術，無法實現能源的高效利用。

3.3 維護和管理方面

隧道照明系統需要定期進行檢查和維護，以確保設備的正常運行。然而，部分隧道的管理者缺乏定期檢查和維護的意識，導致隧道照明系統出現故障時無法及時維修，從而影響隧道的正常運營。

3.4 安全方面

隧道照明系統的安全與否直接關系到隧道內車輛的行駛安全。然而，許多隧道的照明系統未能充分考慮安全因素，例如照明燈具的安裝位置和角度不當、燈具的防撞性能不足等。這些問題都可能導致隧道內出現安全隱患，進而影響車輛的行駛安全。此外，隧道照明系統在應對突發事件（如火災、地震等）時，往往無法提供有效的應急照明，導致隧道內的人員難以快速撤離，造成嚴重的安全隱患[3]。

4 基于物聯網技術的智慧型公路隧道照明系統設計

4.1 系統架構

首先，智慧型公路隧道照明系統的系統架構包括感知層、網絡層、平臺層和應用層四個主要部分[4]，如圖1 所示。

圖1 智慧型公路隧道照明系統架構圖

感知層是系統架構的基礎，負責采集公路隧道內的各種信息。比如，負責檢測隧道內的光照強度，以便調整照明亮度的亮度傳感器；負責檢測隧道內的二氧化碳濃度，以便判斷隧道內的空氣狀況的二氧化碳傳感器；負責檢測隧道內的溫度，以便調整隧道內的溫度舒適度的溫度傳感器以及負責檢測隧道內的濕度，以便判斷隧道內的濕度狀況的濕度傳感器等。

網絡層負責將感知層采集到的數據傳輸到平臺層。網絡層主要包括無線通信技術，如Wi-Fi、藍牙等，負責將感知層設備采集到的數據傳輸到本地網絡。廣域網通信技術，如4G/5G、NB-IoT 等，負責將本地網絡內的數據傳輸到平臺層。

平臺層負責存儲、處理和分析感知層采集到的數據，并提供給應用層使用。平臺層大致包含可以存儲感知層采集到的各類數據的數據存儲模塊、負責對采集到的數據進行清洗、預處理和分析的數據處理模塊、對處理后的數據進行深度挖掘，以便挖掘出有價值的信息的數據分析模塊，以及根據預先設定的規則，對分析結果進行判斷，并生成相應的控制指令的規則引擎模塊等。

應用層負責將平臺層生成的控制指令下發到感知層設備，以實現對公路隧道照明系統的智能控制。應用層主要包括負責根據分析結果自動調整隧道內的照明亮度、色溫等參數的照明控制模塊；能根據分析結果自動調整隧道內的通風設施，以保持隧道內空氣清新的通風控制模塊；可以實時監測隧道內的環境狀況，以便及時發現異常情況的環境監測模塊，以及負責將隧道內的實時狀況發布給管理者和使用者，以便他們及時了解隧道內狀況的信息發布模塊[5]。

4.2 照明控制策略

其一，在系統組成與結構方面，系統主要由傳感器、控制器、照明設備、通信網絡和軟件平臺組成。傳感器負責采集隧道內的環境信息，如光照度、車流量、車速等；控制器根據采集到的信息進行分析和處理，對照明設備進行控制；照明設備包括LED 燈具、調光器等；通信網絡負責將傳感器和控制器連接起來，實現信息的傳輸；軟件平臺負責管理和控制整個系統，具有遠程監控、數據分析等功能。

其二，傳感器是系統的重要組成部分，其選型與布設直接關系到系統效果的好壞。在選擇傳感器時，應根據隧道的實際情況和需求，選擇適合的傳感器類型，如光照度傳感器、車流量傳感器、車速傳感器等。在布設傳感器時，應根據隧道的布局和結構，合理設置傳感器的數量和位置，確保能夠全面、準確地采集到隧道內的環境信息。

其三，控制器是系統的核心部分，負責對采集到的環境信息進行分析和處理，并根據分析結果對照明設備進行控制。在設計控制器時，應采用先進的控制算法和策略，以提高系統的控制精度和響應速度。同時，控制器應具備遠程升級和維護功能，方便系統的維護和管理。

其四，照明設備是系統的執行部分，其選型與控制策略直接關系到系統的節能效果和照明質量。在選擇照明設備時，應采用高效、節能、壽命長的LED 燈具，并配備調光器，以實現照明設備的智能化控制。在控制策略方面，應根據隧道內的環境信息和車輛通行情況，采用動態調光策略，實現照明設備的自適應調節。

4.3 實時監測功能

首先，基于物聯網技術的智慧型公路隧道照明系統在設計實時監測功能時，首要關注的是隧道內的車輛行駛速度。通過在隧道內安裝高速攝像頭和雷達傳感器，可以實時監測隧道內的車輛行駛速度，并將車速信息傳送至控制系統。當檢測到車速超過預設的安全閾值時，系統會立即調整隧道內的照明強度，以確保車輛的行駛安全。例如，在隧道內，要求車速最高不超過80km/h，當車速為0～30km/h、30～50km/h 以及50～80km/h 時，系統可以將照明強度調整至最合適的水平，以保證駕駛員的視線清晰[6]。

其次，智慧型公路隧道照明系統需要實時監測隧道內的交通流量。通過在隧道內安裝流量監測設備，可以實時獲取隧道內的車流量數據，以便系統根據實際情況調整照明強度。例如，在交通高峰期，系統可以增加照明強度，以確保駕駛員能夠在繁忙的交通環境中更好地觀察周圍環境；而在交通低谷期，系統可以適當降低照明強度，以節約能源。

再次，智慧型公路隧道照明系統還應該具備實時監測隧道環境的功能。通過安裝溫度、濕度、CO、NO2等傳感器，系統可以實時監測隧道內的環境狀況，并根據監測數據調整照明強度。例如，在濕度較高的環境下，系統可以增加照明強度，以幫助駕駛員更好地觀察路面狀況；而在溫度較高的環境下，系統可以適當降低照明強度，以降低能耗。

最后，智慧型公路隧道照明系統還需要具備實時監測設備運行狀態的功能。通過實時監測照明設備、傳感器、控制器等設備的運行狀態，系統可以在設備出現故障時及時發出報警信息，并通知相關人員進行維修。例如，當照明設備出現故障時，系統可以立即通知維護人員，以確保隧道內的照明安全。

5 結語

綜上所述，借助物聯網技術，智慧型公路隧道照明系統可以有效實現按需照明，提高照明質量，降低能耗，同時提高照明系統的管理水平。物聯網技術在智慧型公路隧道照明系統中的應用對于推動綠色照明、節能減排以及提高公路隧道的運營效率具有重要意義。隨著物聯網技術的不斷發展，在智慧型公路隧道照明系統中可以看到更多物聯網技術的創新應用，從而推動智能城市建設和可持續發展。