隧道自动调光平台设计与研究

刘琦

摘要：隧道洞内亮度是影响公路安全运行因素之一，针对目前隧道洞内调光模式，设计了一种智能隧道模型。对比了目前存在的照明模式和控制策略，最终选则LED灯和自动控制模式。根据监测到的洞外亮度，通过反馈调节改变PLC的产生的PWM占空比，使LED灯两端电压改变，从而实现对隧道的自动调光。

关键词：隧道照明；自动控制模式；LED灯；PWM

引言

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，公路隧道是隧道的一种，是修筑在地下供汽车行驶的通道，驾驶员在白天驾车驶入或者驶出隧道时，在视觉上通常会产生“黑洞效应”或者“白洞效应”，极易发生交通事故[1-3]。因此，为保障隧道内的行车安全，如何在隧道内各段采用不同强度的照明来改善隧道内的照度，创造洞内良好的视觉环境，确保车辆以安全地速度通过隧道，就是隧道照明系统需要解决的问题。国内目前对隧道照明设备的控制方式主要有3种：手动控制模式、时序控制模式、自动控制模式[4-6]。手动控制模式及时序控制模式不能根据隧道洞外亮度变化适时改变隧道内亮度，造成能源浪费；自动调光模式是根据洞外亮度变化，亮度仪检测到洞外亮度，将信号反馈给中央处理器，然后中央处理器通过反馈控制，调节洞内亮度。目前公路隧道灯具选用的光源大致有3种：高压钠灯、无极荧光灯、LED灯等，综合考虑到使用寿命、经济节能等因素，目前应用较多的是LED灯[7]。综合考虑，最终基于自动控制模式，选用LED灯设计了一款隧道智能调光平台。

1.隧道调光平台构成

隧道智能调光模型结构如图1所示，实物如图2所示。图1中1为控制器，包含ARM模块、PLC模块；2为隧道洞外亮度仪；3为控制总线；4为LED灯（安装在基本段、加强段等）；5为隧道壁。

亮度监测模块通过改变补光灯的亮度，模拟洞外亮度变化，亮度仪2监测到洞外亮度变化，通过控制总线将亮度信号反馈给控制器1。控制器1发出控制信号，控制PLC模块工作，PLC通过产生不同占空比的PWM波，不同占空比下的PWM波控制开关的通断，改变了LED灯4两端的电压，从而改变LED灯的发光强度。

自动调光系统在金丽温高速公路进行了试点应用，施工调研过程如图2所示。

调光系统控制原理框图如图3所示，通过亮度仪检测隧道洞外的亮度，反馈给控制器，控制器控制LED的发光强度。

照明系统通过系统软件编写程序来控制PLC的PWM输出占空比，从而实现对LED的调光，控制原理图如图7所示。

2.隧道照明自动控制模式

隧道照明的自动控制模式是根据隧道设计时的亮度值和洞内外的实际亮度值情况来判断的。控制模块CPU控制各个回路的通断，然后根据洞外亮度的变化，亮度仪将亮度信号反馈给控制系统，控制系统改变PLC输出PWM波形的占空比，从而改变LED两端的电压，改变LED灯的发光强度，从而改变隧道洞内亮度，消除“黑洞效应”或者“白洞效应”对隧道安全带来的隐患。

隧道调光模型在上行线入口处安装了亮度仪与补光灯，改变补光灯两端的电压，使补光灯亮度变化，模拟隧道外自然光强的变化；亮度儀将补光灯亮度变化信号反馈给控制系统CPU，然后控制洞内LED灯亮度。

单个LED灯在路面计算点产生的亮度为：

式中：为灯具i在P点产生亮度（cd/m2）；

为灯具在P点的光强度（）；为简化亮度系数；为灯具光源离路面的高度（）；为观察面与光入射面之间的角度（°）；为P点对应灯具光线入射角（°）。

n个LED灯在计算点P产生的亮度：

计算区域内路面的平均亮度：

式中：m为计算区域内计算点的数量；

设L0分别为亮度仪采集到的洞内光照强度，入口段的亮度为Lth，则有[8]：

式中为亮度折减系数；

根据公路隧道通风照明设计规范，隧道内亮度设计标准值只和车速、车流量有关，和洞外亮度无关。当隧道内的回路开启时各区间的平均亮度为，设为亮度标准值与当前亮度采集之间允许最大误差，自动控制模型算法流程如图4所示。

3.结束语

本文主要介绍隧道照明控制策略，主要研究成果有：

对隧道洞内亮度进行分析计算，得到了不同点的亮度值计算模型；

提出给予洞外亮度变化的隧道照明自动控制模型，基于PLC的PWM控制改变隧道照明LED灯两端电压，改变隧道亮度。

参考文献：

[1]张剑莉. 基于PV-LED的隧道直接照明系统的研究[D]. 陕西科技大学，2013.

[2]肖尧，杜志刚，陶鹏鹏，等. 公路隧道出口“白洞”效应改善方法研究[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2015（3）：573-576.

[3]付慧慧，龚兆岗，张小花，等. 隧道照明设计[J]. 中国智能交通，2009.

[4]杨天冲，秦大为，张苏东. 新型隧道LED灯照明系统无级调光控制方式[J]. 灯与照明，2012，36（4）：48-51.

基金项目：

浙江省科技项目，项目编号2016F50050。