公路隧道照明自动控制技术设计

王志伟

（扬州市职业大学 机械工程学院，扬州 225009）



公路隧道照明自动控制技术设计

王志伟

（扬州市职业大学 机械工程学院，扬州 225009）

摘 要：针对我国目前公路隧道照明控制系统存在的行车安全以及电能浪费等问题，本文提出一种公路隧道照明自动控制方案，实现了公路隧道内亮度的连续调光。介绍控制系统的主要组成结构及各部分的功能，设计了照明系统的控制模型及系统主程序控制流程，构建一天时间内隧道照明功率变化模型，模拟现场环境测试与计算的理论值比较，表明该技术满足规范要求并具有显著的节能效果。

关键词：隧道照明 自动控制 连续调光 照明节能

1 引言

在经济社会和交通事业迅速发展的背景下，我国的隧道建设技术有了长足的进步。隧道的建设规模和数量不断扩大，同时隧道的行车安全和运营维护越来越成为交通管理部门关注的焦点。隧道照明系统对隧道安全行车和运营起到基本的保障作用，同时也是解决隧道节能降耗的关键环节。因此，建立一个安全、经济、节能的隧道照明系统，对我国隧道交通的可持续发展具有重要意义［1-2］。

一个好的公路隧道照明设计，关键取决于其控制系统设计的优劣。目前，隧道照明控制方法有很多，但由于成本、技术和管理的问题，常采用的方法主要有手动控制、时序控制和自动控制方法。从稳定性、可靠性上来讲，手动控制和时序控制具有一定的优势，也易于实施，但最大的问题是电能浪费过于严重。究其原因，主要在于照明设计过程中没有很好地考虑隧道环境和车速车流量变化的影响。鉴于国家对公路交通运输系统节能的要求，自动控制方法广泛推广开来。

现代公路隧道照明控制系统的自动化设计，按调控连续程度可分为分级（多级）调控系统和连续调控系统两大类。连续调控的实现主要基于有可调的光源。因此，在LED大范围应用于公路隧道照明之前一段时间内，隧道照明自动化控制系统采用的多是分级控制方式。与连续调光相比较，它主要存在以下两个问题。第一，控制级数很有限，一般只能实现2到3级的控制。这主要由于布线回路会随着控制级数的增加而越来越复杂，同时由于影响隧道内亮度的参数都是按最大值考虑的，隧道内各段亮度必定也是处于最大值状态，从而降低照明效率，造成电能浪费。第二，运行过程中，它不能保证行车的安全，同时存在与隧道监控子系统产生矛盾等问题。因此，鉴于LED光源可调的性能，特别是和其他隧道照明光源比较起来，控制简单，容易实现自动化，本文设计了一种公路隧道照明自动化控制方案，使隧道内的亮度可以根据隧道外的环境、车速车流量的变化而变化，达到连续调光的效果。这不仅能够保障隧道内的安全行车，在能源消耗上也有很大程度的降低，同时满足节能的要求。

2 公路隧道照明自动控制方案

公路隧道照明整体自动控制系统方案如图1所示。该控制系统的主要组成包括隧道外亮度采集装置、车速车流量采集装置、数据转换装置、隧道照明用控制计算机、LED灯调光控制装置以及满足隧道照明配套的LED隧道灯具。该控制系统可以根据隧道外环境、车速变化、车流量变化对LED隧道灯的功率做出调整，从而实现隧道内各区段亮度的实时调节。

具体控制过程为：设置在隧道内外的亮度采集装置和车速车流量采集装置将采集得到的隧道内外亮度信息、车速信息、车流量信息，经过数据转换装置处理后，传递给设置在隧道控制室内的照明计算机，并根据已建好的隧道照明自动控制模型处理相关数据，计算出隧道内各区段的亮度值，再结合LED功率曲线计算出调光控制装置需要调节的控制量，调整LED应该输出的功率大小，并反馈亮度信息给照明控制计算机系统，从而完成隧道各区段内的连续调光控制。

图1 公路隧道照明自动控制方案

3 公路隧道照明控制模型建立

隧道照明控制模型的建立是整个控制系统的核心，直接影响控制的准确性和精确性。本文隧道照明控制模型主要依据《公路隧道照明通风设计规范JTJ026.1-99》（以下简称《规范》）的规定建立，满足隧道内行车安全和节能的要求。原理：根据《规范》，通过MATLAB软件，拟合出公路隧道内理论亮度需求曲线，建立隧道内各区段的亮度数学模型，进而对LED隧道灯进行实时动态调节，满足不同区段的亮度要求。要有理想或最优的控制效果，就必须使理论亮度需求曲线具有较高的拟合度。隧道各段照明亮度及长度如图2所示，即为要建立模型的理论需求曲线。

图2 隧道各段照明亮度及长度

对于大隧道而言，隧道照明按照《规范》设计要求可分为入口段照明、过渡一段照明、过渡二段照明、过渡三段照明、中间段照明以及出口段照明。由上文所述，隧道各区段的亮度值是由所建立的数学模型计算，并通过调光控制装置来调整LED功率实现的。当汽车进入隧道的时候，人眼是有一个适应要求的。为了使调光过程让人眼感觉更自然更舒服，这里LED隧道灯的控制采用对数调节，每盏灯256级调光，使隧道内的亮度变化更接近于线性调节，避免在行车过程中由于亮度的突然改变，造成人眼的不适，从而减小对行车安全的影响。但是，频繁调光存在安全隐患，灯具使用寿命也因此降低，能耗增大，同时也是不必要的调光方式。这里，通过时间触发方式解决这个问题，即每3min采集一次数据（包括隧道外亮度、车速车流量信息），然后对隧道内亮度进行一次计算。实际上，无级调光可以称为更精细的分级调光。

本文对《规范》中涉及的数据包括隧道外亮度信息、车速信息、车流量信息进行数理统计分析，在MATLAB中采用线性回归的方法建立隧道各段相应的数学模型。

3.1 入口段照明数学模型

利用MATLAB，针对《规范》中表4.3.1入口段亮度折减系数k数据，进行一阶线性回归（本文仅对双车道单向交通隧道进行建模）。在不同行车速度条件下，当隧道交通量Q≤700辆/h时，入口段亮度折减系数k线性回归图如图3所示；当隧道交通量Q≥2400辆/h时，入口段亮度折减系数k线性回归图如图4所示。

图3 交通量Q≤700辆/h时入口段亮度折减系数回归图

图4 交通量Q≥2400辆/h时入口段亮度折减系数回归图

当隧道交通量Q≤700辆/h和隧道交通量Q≥2400 辆/h时，入口段亮度折减系数k是由图3和图4计算而出。但是，当隧道交通量700辆/h＜Q＜2400辆/h时，《规范》没有相应的数据来计算折减系数k。因此，本文利用内插法折中计算隧道交通量700辆/h＜Q＜2400辆/h时的入口段亮度折减系数k。在不同行车速度和交通流量下，入口段亮度折减系数k的计算如公式1所示。

3.2 中间段照明数学模型

查《规范》表4.3.1可知，中间段亮度仅与车速和车流量有关。当对表4.3.1在MATLAB中进行一阶线性回归后，中间段亮度拟合误差较大，而采用二阶线性回归的中间亮度拟合度非常好。在不同行车速度条件下，当隧道交通量Q≤700辆/h和Q≥2400辆/h时，中间段亮度二阶线性回归图分别如图5、6所示。

图5 交通量Q≤700辆/h时中间段亮度回归图

图6 交通量Q≤700辆/h时中间段亮度回归图

同入口段折减系数k计算方法一样，当隧道交通量700 辆/h＜Q＜2400辆/h时，也采用内插法计算出中间段亮度。在不同行车速度和交通流量下，建立中间段亮度数学模型如公式3所示。

3.3 过渡段照明数学模型

3.4 出口段照明数学模型

出口段的亮度可取中间段亮度的5倍，即出口段亮度Lout=5Lin。

4 照明系统主程序流程设计

本文设计了整个隧道照明控制系统的流程图，如图7所示。首先，初始化系统各模块，读取隧道外亮度和车速车流量信息，控制室内人员选择手动照明控制或自动照明控制。手动照明控制即人为根据环境变化来调整隧道内照明亮度，从而结束自动控制程序。如果选择自动照明控制，开始检查隧道状态，非正常状态，进入报警程序，同时结束程序运行；正常状态，则调用计算机自动调光程序，输出调光指令完成一次调光过程；系统每间隔3min触发一次程序运行，直到人为输入结束程序指令，自动控制状态结束。

表1 隧道各区段测试亮度值（部分）

图7 隧道照明系统控制流程图

5 照明系统的测试与分析

本文结合模拟的现场环境，对该隧道照明控制方案进行了测试与分析：设定一天不同时间段的隧道外亮度、车速和车流量值，采集隧道各区段的亮度数据（仅列出部分数据样本），如表1所示。现根据所建隧道照明控制数学模型，在相同条件下，理论计算出对应的隧道各区段亮度数据，样本如表2所示。通过对比表1和表2中的数据可以看出，模拟现场的系统测试值与理论计算值之间的误差较小，基本控制在2%左右。

表2 隧道各区段理论亮度值（部分）

为了比较本文设计的隧道照明控制方案与传统控制方式之间的节能效果，构建隧道在白天晴天（6∶00～18∶00）时整体照明功率的变化图。对比方案主要有高压钠灯等亮度不调光控制方案、LED灯等亮度不调光控制方案、LED分级（四级）调光控制方案和LED无级调光控制方案四种，转化为功率比如图8所示。从图中可以看出，高压钠灯不调光控制功率能耗最高，设定为1；如果仅将LED灯代替高压钠灯，能耗能降低40%～50%；采用LED分级（四级）控制，可使能耗将进一步降低；而采用LED无级调光控制能耗最低，比只考虑按最大亮度设计的高压钠灯可节能80%以上，即使与LED分级调光控制相比，也能实现节能20%。通过上述测试分析，本文设计的隧道照明自动控制技术能够满足《规范》的要求，控制效果满意，保障行车安全的同时，最大程度实现了节能。

图8 白天晴天时隧道照明功率变化图

6 结束语

隧道照明在保证公路通行安全和效率上起着重要作用，是公路交通不可或缺的组成部分，而照明控制系统的设计又是隧道照明实现的关键。本文结合LED优越的可控性能，设计了一种隧道照明自动控制方案。通过测试分析，该方案满足《规范》规定隧道照明需求，同传统的照明控制设计方式相比，尤其与忽略隧道环境变化仅考虑按最大亮度设计的高压钠灯照明比较，节能显著，在工程实践上具有一定可靠性。

参考文献

［1］中华人民共和国交通运输部.公路水路交通运输节能减排十二五规划［R］.北京：交通运输部，2011.

［2］王少飞，涂耘，等.公路隧道节能减排专项规划研究［J］.公路隧道，2015，（1）：10-13.

Auto-control Technology for Highway Tunnel Lighting

WANG Zhiwei
（Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou 225009）

Abstract：Tunnel lighting system is very important in tunnel electrical engineering. With the consideration of problems such as driving safety and energy consumption existed in tunnel lighting control system at present， an automatic control system of tunnel lighting based on stepless control method was presented， and continuous light tuning of LED （light-emitting diode） lamp was achieved. The automatic control system was composed of vehicle detectors， luminance detectors，data converters， lighting control computer， dimming controllers and LED lamps. The tunnel lighting control model was established based on “Specifications for Design of Ventilation and Lighting of Highway Tunnel （China）” and the flow chart of m ain procedures of the automatic control system was given. Comparison between results of simulation experiments in MATLAB and dat a collected on site shows that the automatic control system can meet the actual luminance requirements in tunnel lighting and has good effect on energy-saving.

Key words：Tunnel lighting， auto-control， continuous light tuning， energy-saving