交通隧道LED照明智能控制系统研究

张德钱，洪远泉，赵永泉

（1.韶关学院物理与机电工程学院；2.韶关学院资产与实验室管理处,广东韶关512005）

交通隧道LED照明智能控制系统研究

张德钱1，洪远泉1，赵永泉2

（1.韶关学院物理与机电工程学院；2.韶关学院资产与实验室管理处,广东韶关512005）

通过分析标准的交通隧道照明亮度曲线，得出隧道灯光亮度分段式控制模型和控制参数.提出了交通隧道LED照明智能控制系统方案.使用传感器实时检测隧道外部亮度、车流量和车速数据，生成隧道各分段灯光亮度控制数据，隧道内部数据通过ZigBee模块无线传输，并仿真分析了隧道灯光系统的能量损耗范围.研究结果表明，按需实时调整隧道灯光亮度，能有效降低隧道耗电能量.

隧道灯；智能控制；亮度曲线；能量损耗

到2015年为止，我国公路隧道总共有14 006处，总长12 683.9 km，比2014年增加了1 602处、1 927.2 km.其中，特长隧道744处、3 299.8 km，长隧道3 138处、5 376.8 km［1］.为满足国家经济发展的要求，未来将建设更多的高速公路，隧道的数量也持续增加.在隧道行驶时，为了安全舒适地行车，需要对隧道灯光照明亮度进行科学合理配置.传统的隧道灯光主要采用高压钠灯照明，存在显色指数低、寿命短、耗电量大、照明功率不能按需调整的缺点.因此，对于隧道数量庞大的中国来说，研究隧道灯光的科学合理配置，对节省能源，降低交通事故都有非常重要的意义.笔者研究了LED照明智能控制系统方案，以隧道灯光亮度与人眼视觉特性相适应为控制目标，提高隧道行车的安全性、舒适性，降低隧道灯光耗电量.

1 隧道灯光设计参数分析

根据国际照明委员会（CIE）和《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1-1999要求，交通隧道出入口段与隧道中间段之间的亮度要尽量避免突变，才能使得驾驶员安全舒适地通过隧道.交通隧道分成入口段、过渡段、中间段和出口段四个部分［2-3］，各个区域的隧道照明亮度要求如下图1所示.

1.1 隧道区域亮度分析

隧道入口段的灯光亮度计算如式（1）所示［3］.式中Lv是隧道外部环境亮度，随时间、季节或者天气而变化；k是入口段亮度折算因子，跟隧道设计时速和车流量有关，典型值为0.035.隧道入口段亮度Lth为∶

隧道入口段前半部分的灯光亮度维持不变，后半部分开始衰减.当隧道入口段亮度衰减到40%时，进入过渡段过渡段亮度Ltr的计算如式（2）所示［3］. .

图1 隧道照明亮度曲线

式（2）中，t是机动车行驶时间.从隧道最大亮度的40%位置降到2%位置的隧道区域属于过渡段，需要14 s的时间［2-4］.隧道中间段的亮度跟车流量和车速有关，与外部环境亮度无关.国际照明委员会推荐的隧道中间段亮度值如表1所示.单向行驶的隧道需要设置出口段，亮度值一般为中间段亮度值的5倍.双向行驶的隧道可以不用设置出口段［2-3］.

1.2 隧道区域长度分析

入口段长度用式（3）计算得出［2-3］.式中h是隧道口的高度，一般为6～8 m.SSD为安全停车距离，与车速、隧道坡度有关.隧道坡度为0度，高度为6 m时，不同车速下的安全停车距离和隧道入口段长度如表2所示.

Dth=1.154SSD-5.67(h-1.5)(m)（3）

根据式（2）和图1，机动车按照设计时速，从40%亮度位置开始，行驶14 s的距离就是隧道过渡段.不同行车速度，隧道过渡段的长度也不一样.80 km/h速度的过渡段长度为311 m.过渡段后，隧道进入中间段，直到出口段为止.出口段的长度通常等于入口段的长度.

1.3 分段式亮度模型

由图1可知，隧道入口段到中间段的灯光照明亮度根据式（1）和（2）的规律连续下降.工程上，常采用分段逼近的方法，模拟连续亮度控制曲线［2-7］.分段逼近曲线如图2中的虚线所示，分成7个阶梯.分段数量越多越接近连续控制曲线特性.

入口段分成TH1和TH2两段，过渡段分成TR1、TR2和TR3三段，出口段分成EX1和EX2两段.利用式（2）、（3），可算出各分段的长度和亮度值如表3所示.

可见，隧道入口段和过渡段的照明亮度与隧道外的亮度成正比，中间区的照明亮度与隧道车流量、车速有关.在同一个分段内，照明亮度是相等的.

表1 中间段亮度值

表2 不同车速的安全停车距离与入口段长度

图2 分段亮度控制曲线

2 智能控制系统方案

从上一节分析计算可知，实现隧道灯光照明智能控制，需要实时采集隧道内外亮度、车速和车流量等参数.

隧道灯光控制的硬件系统方案如图3所示，系统分三级控制.第一级为远程控制终端，通过移动通信网络与隧道监控现场的总控制系统联络，起到远程查询隧道灯光状态和控制隧道灯光状态的作用.第二级为隧道灯光总控制系统，实时检测隧道入口亮度、车速、车流量数据，生成隧道内各个分段的亮度控制命令，通过ZiBee无线网络模块传输到下一级.第三级为隧道区域灯光控制系统，通过ZiBee模块接收上一级发送的目标亮度值，输出PWM信号控制LED灯光功率.

表3 隧道各分段长度和亮度

图3 隧道灯光控制系统框图

系统第三级主要完成两项功能.一是根据检测的亮度值判断LED灯光是否损坏.对于灯光异常故障，先通过ZiBee无线网络报告到第二级的总控制系统，再由移动网络送到第一级远程终端.二是进行LED灯光亮度闭环反馈控制，实现控制区域亮度与目标亮度一致［6-9］.如图4所示，微处理器将目标亮度值与检测的LED亮度值进行对比，得出亮度偏差数据，送到PID控制器运算，输出PWM信号，调整LED灯光功率［10］.

系统采用Cortex-M3内核的ARM处理器STM32F103芯片作为第二、三级系统的控制核心.采用BH1750芯片构成16位数字亮度检测器，检测1-65535 lx的亮度值.采用红外对管检测车流量，超声波检测车速.

3 软件设计

系统第一级为上位机系统，在计算机平台运行，用VC编写接口控制界面.后两级为下位机平台,主要功能软件流程如图5所示.（a）为第二级的隧道分段亮度控制曲线计算流程,（b）为第三级的分段亮度自动控制流程.

图4 LED灯光闭环控制图

4 隧道照明模拟测试

为了验证提出的隧道灯光智能控制系统的节能效果，根据图3的框架，搭建了隧道灯光节能测试平台.采用50 W单盏LED灯充当照明路灯，通过程序切换，轮流进行隧道各个分段的照明，每个分段运行1 min，以8 min为一个周期.LED照明功率可程序控制，控制达到0.5 W以内.假设隧道运行时，白天洞外亮度变化范围为300～3 000 cd/m2，晚上洞外亮度为0，车流量在N=0、0＜N≤100、100＜N≤1 000和N＞1 000四种状态之间随机变化，车辆通过隧道的平均速度在60、80和100 km/h三种状态之间随机变化.设计了三种隧道灯光控制方案.方案一为传统照明方案，隧道各分段运行的照明功率恒定.功率配置参数按照洞外亮度为3 000 cd/m2、车速为80 km/h和交通流量为100＜N≤1 000.方案二是白天的智能控制方式，洞外亮度照明功率根据车速、车流量参数动态变化.方案三为夜晚智能控制方式.由于夜晚隧道洞内外亮度一致，整段隧道的照明功率都可以按照中间段的要求照明，即将入口段、过渡段和出口段的照明功率降低至中间段的照明功率大小.三种方案各模拟运行8 h，测出的耗电量如表4所示.可见，与方案一相比，方案二和方案三分别大约节省了38%和73%的电能.原因在于，方案一没有考虑隧道参数的变化对照明功率的影响，恒定照明，产生了浪费.方案三是夜间照明，隧道按照最低的亮度要求照明，节省了大量的电能［11］.

图5 软件控制流程

5 结语

通过分析标准的隧道灯光亮度曲线，得出的分段式隧道灯光亮度曲线，并提出了智能控制系统的软硬件方案，说明采用按需照明的隧道照明智能控制技术，进行节能减排的控制空间大.同时，也制作了LED灯光智能控制系统，进行了隧道照明模拟测试，实现了节能功能.在下一步的工作中，将争取在真实隧道环境中进行灯光控制效果测试，继续完善系统控制方案，为交通隧道灯光控制提供更好的参考方案.

表4 隧道照明模拟测试

参考文献：

［1］交通运输部.2015年交通运输行业发展统计公报[EB/OL].（2016-05-05）[2017-03-04].http://www.zgjtb.com/2016-05/05/content_ 82603.htm.

［2］郑军.高速公路隧道照明智能控制与节能优化研究[D].北京:北京交通大学,2014.

［3］交通部重庆公路科学研究所.公路隧道通风照明设计规范[EB/OL].（2016-06-25）[2017-03-04].http://www.docin.com/p-6137 0954.html?qq-pf-to=pcqq.c2c.

［4］Parise G,Martirano L.Structured distribution of electric power systems:The example of a roadway tunnel architecture[J].IEEE Trans.Ind.2010,46（5）:2099-2105.

［5］Parise G,Martirano L,Parise L.The energetic impact of the lighting system in the road Tunnels[J].IEEE Transactions on industry applications.2016,52（2）:1175-1183.

［6］CarnìD L,Grimaldi D,Lamonaca F,et al.A smart control to operate the lighting system in the road tunnels[C]//International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems:Technology and Applications.Berlin:IEEE,2013:786-790.

［7］He Y,Changbin L,Aiguo W,et al.LED Lighting Control System in Tunnel Based on Intelligent Illumination curve[C]//International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation.Berlin:IEEE,2012:698-701.

［8］程添,严钱军.基于ZigBee无线网络的隧道LED灯控制系统[J].机电工程,2013.30（6）:750-753.

［9］Lai W,Xianming L,Weimin C,et al.Optimization Optical Design for Tunnel Lamps with LED Source[C]//China International Forum on Solid State Lighting.Guangzhou:IEEE,2014:154-157.

［10］孙世勇.基于PID闭环反馈的隧道照明节能控制系统设计[D].大连:大连海事大学,2015.

［11］郑军,简婧.公路隧道LED照明模拟控制系统设计[J].武汉:交通科技,2015（1）:119-122.

Study of Traffic Tunnel LED Lighting Intelligent Control System

ZHANG De-qian,HONG Yuan-quan,ZHAO Yong-quan
（1.School of Physics and Mechanical＆Electrical Engineering;2.Department of Assets Management, Shaoguan University,Shaoguan 512005,Guangdong,China）

The paper gets the tunnel lighting brightness sectional control model and control parameters through the analysis of traffic tunnel lighting brightness of standard curve.It proposed the traffic tunnel LED lighting intelligent control system solutions,which calculated the tunnel lighting brightness of each segment according to the real-time detection of tunnel brightness,vehicle flow and vehicle speed data and controlled the lighting.The data inside the tunnel uses wireless communication of ZigBee module to get transferred.The energy loss of the tunnel lighting system is simulated and analyzed.The results showed that the on-demand real-time adjustment of tunnel lighting levels could effectively reduce tunnel's consuming energy.

tunnel lighting;intelligent control;brightness curve;energy loss

TP2734+.3

A

1007-5348（2017）06-0032-04

（责任编辑：李婉）

2017-03-19

广东省教育厅科技创新项目（2013KJCX0169）；韶关市科技计划项目（2013CX/K55）；韶关学院教育教学改革重点项目（SYJY20141504）.

张德钱（1979-），男，广东南雄人，韶关学院物理与机电工程学院实验师，硕士；研究方向：物理电子技术教学与实验室管理.