隧道闭环反馈智慧照明系统的设计

胡叶舟，秦会斌

（杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

实际生活中，在汽车驾驶员进入隧道的过程中由于隧道内照明不充分，内外亮度差会产生“黑洞效应”；而在驶出隧道时由于外界光线过亮，又会产生 “白洞效应”。这些效应将会降低驾驶员的可见度，加大驾驶的危险性，极易发生交通事故。同时，国内外的隧道照明均以亮度值作为标准，未考虑光源色温对照明效果和视觉功效的影响。因此，解决驾驶员的视觉适应性问题将是隧道照明设计的关键[1～2]。

本文设计了一种具有闭环反馈调节能力的隧道照明控制系统。该系统可采集洞外的亮度、色温值和交通流量参数，根据隧道照明规范计算出隧道内的照明亮度、色温需求值，并据此调节隧道内变色温灯的亮度和色温。同时系统会将隧道内的实际照明值作为反馈变量，实时调整变色温灯的工作状态，确保了实际照明值与需求值的一致性。

1 隧道智慧照明系统组成

本系统主要由隧道外的控制单元、数据采集单元、照明调光单元、照明监测单元组成。现场控制主机与本地设备通过RS485建立通讯，控制主机与远端监控中心通过光纤网络建立通讯。隧道智慧照明系统结构示意图如图1所示[3～4]。

图1 隧道智慧照明系统结构示意图

洞外/洞内环境探测器、八回路开关控制器和二路调光驱动器均基于STM32设计。

（1）MCU：STM32F103 处理器。

（2）存储：板载一片8kB的 EEPROM芯片（型号：AT24C08），储存设备实时工作状态信息和控制单元下发的工作列表。

（3）电源：AC220-DC12V/5V/3.3V 开关电源。

（4）地址：每一设备在本系统中均有唯一地址以保证通讯正常。设备地址大小为8bit，分为高4位类型地址和低4位编号地址。其中，类型地址为设备的类型标识，固定不可变，写入在设备驱动中；编号地址为同种设备在一个系统中的区分标识，由用户使用4位拨码开关自由配置。

（5）通讯：遵从RS485总线协议。为了提高系统数据传输实时性，设备结合数据接收中断和定时器中断方式实现CSMA/CD协议[5]，突破传统主从模式的限制。设备实时监听总线状态，在总线空闲时可以主动向控制单元发送数据。

1.1 控制单元

该单元是整个系统的“大脑”，由现场控制主机和远端监控中心组成。以洞外环境数据和车流量数据为基础，根据调光策略计算出各个照明段照明亮度和色温需求值，对照明调光单元发布调控指令，并根据监测单元采集的实际值进行反馈调节，以保证隧道内的照明实际值达到需求值要求（实际值允许误差范围为-1%～+5%）。隧道智慧照明系统闭环反馈调节原理示意图如图2所示[6]。

图2 隧道智慧照明系统闭环反馈调节示意图

1.2 数据采集单元

该单元是整个系统的感知部分，由洞外环境探测器和线圈车检器组成。主要是采集隧道调光策略需要的数据信息，包括隧道外环境的光照强度、色温、温湿度以及车流量值。

（1）洞外环境探测器主要通过控制光强传感器、色温传感器、温湿度传感器以及GPS定位模块采集数据。其中光强和色温值是制定调光策略的主要参数；温湿度值用于判断环境是否有雾，在云贵川等多雾地区，该数据对于调光策略的制定十分重要；定位信息用于辅助判断隧道位置。洞外环境探测器结构框图如图3所示。

图3 洞外环境探测器结构框图

（2）线圈车检器用于检测车流量值。利用埋设在路面下方的环形线圈，通过LC谐振电路和整形电路将线圈产生的正弦波振荡信号整形成方波信号，STM32处理器通过定时器输入捕获功能来测算方波信号的频率变化从而判断是否有车辆通过。当有车辆通过线圈上方时，线圈产生的电感量将会变化，LC谐振电路的正弦振荡信号频率随之变化，STM32处理器接收到的方波频率也随之变化。每个线圈车检器的监测通道为两个。当单独使用一个通道时，用于检测车流量；当同时使用两个通道时，记录车辆分别通过两个线圈的时间T1、T2，计算该车速度为V=S/（T2-T1），S为两个线圈间隔距离。线圈车检器结构框图如图4所示。

图4 线圈车检器结构框图

1.3 照明调光单元

该单元是整个系统的执行部分，由八回路开关控制器和二路调光驱动器组成。主要是根据控制单元下发的指令来控制回路内灯具的工作状态。

（1）二路调光驱动器主要调节变色温灯具的亮度、色温值，同时对灯具功率进行检测。二路调光驱动器结构框图如图5所示。

图5 二路调光驱动器结构框图

主要分为：①STM32处理器输出4通道PWM信号，经过一级电压放大，二级电流放大，得到0～10V调光电压，控制变色温灯的黄光、白光控制端[7]。4通道分为2个回路，可调节两个回路区间内的灯具，同一区间灯具照明状态相同。②STM32处理器控制两路光耦继电器，分别控制每个照明回路内的第一盏变色温灯，接入方式为常闭态。③功率检测主要通过电流互感器检测照明回路内第一盏变色温灯工作电流，判断该照明段内灯具调光状态是否正常。互感器交流输入端与光耦继电器输出端串联。使用实际电流比K=2000∶1的电流互感器将一次侧大电流转换成二次侧小电流，通过RC采样电路和电压放大电路后，供ADC采集[8]。计算可获得该灯具的工作电流，计算公式如下：

式中：I—— 工作电流，A；

K——电流互感器实际电流比；

VADC——STM32中ADC采集的电压数值，V；

R——采样电阻阻值，Ω；

N—— 电压放大倍数。

（2）八回路开关控制器主要控制各个照明段回路的供电的通断。

根据交通运输部发布的《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014），将隧道根据照明需求划分成八个照明段[2]，各照明段划分示意图如图6所示。开关控制器采用STM32处理器控制一级光耦继电器，一级光耦继电器控制二级交流大功率继电器的方式，分别控制每个照明段回路内所有灯具供电的通断。

图6 隧道照明段划分示意图

1.4 照明监测单元

该单元是整个系统的反馈环节，设备为洞内环境探测器。洞内环境探测器主要是控制光强传感器、色温传感器采集洞内实际照明数据，作为系统的反馈信息。

2 隧道智慧照明调光策略

为使驾驶员安全、稳定、舒适地通过隧道，同时满足经济、节能的隧道调光需求，应同时考虑交通量 N、隧道外亮度 L20（S）、隧道外色温 Kct二个因素，采用合理的调光原则调控隧道内光环境。

高速公路隧道设计速度通常分为60km/h、80km/h、100km/h、120km/h。不同环境下的隧道内灯具光源的最佳色温值也是不同的。根据实验，隧道入口段的最适宜色温在5000K左右，而隧道中间段的最适宜色温在3600K[10]。在灯具优先满足照明亮度需求的前提下，可以对色温进行调节，使隧道内光环境达到最适宜驾驶的状态。根据设计细则，隧道内不同照明段的照明亮度值标准和色温值标准如表1所示。

表1 隧道不同照明段的照明亮度值标准和色温值标准

表中：k——入口段亮度折减系数。

（1）为了达到最优的照明状态，k可参考表2进行取值。

表2 隧道入口段亮度折减系数标准

（2）根据实验测试，色温与变色温灯的白黄光比值满足公式（2）：

式中：Kct——色温，K；

P——变色温灯的白光与黄光比值。

维持白光与黄光比值P恒定，通过改变白光或黄光值大小，即可实现保持色温不变，调节照明亮度的目的。

3 系统测试

本系统于某年一月份在贵州省毕节市某隧道进行现场测试，该隧道为分离式隧道，左线洞长1270m，右线洞长1235m，设计时速80km/h。测试时间段内有阶段性团雾。主要目的是验证系统是否能根据隧道外界环境变化准确调整隧道内部灯具的照明状态。

实验器材：工控机管理软件、柯尼卡色彩亮度测量仪，以及本系统的各单元设备。

测试方法：对入口TH1段进行测试。测量隧道口环境的光强和色温值，通过计算获得入口段所需要调节的照明亮度和色温值，对比柯尼卡测量仪实际采集到的亮度和色温值。每隔半个小时自动采集一次数据，测试时间为24小时。

24小时内隧道洞外环境亮度、色温值如图7所示，隧道入口段照明亮度、色温需求值和实际值对比如图8所示。

经现场测试，系统工作稳定，调光的实际效果能够根据外界环境值实时变化，并且符合设计规范。

图7 24小时内隧道洞外环境亮度、色温值a）亮度值 b）色温值

图8 24小时内隧道入口段照明亮度、色温值a）亮度值 b）色温值

4 结语

本文设计了一种基于闭环反馈的隧道智慧照明控制系统，给出了具体的照明亮度、色温调节策略，对传统隧道照明的缺陷进行改进。根据隧道外环境参数和车流量数值，自动调节隧道内照明状态，闭环反馈方式保证了照明实际效果的准确性。通过实际现场测试，本文提出的系统能够准确执行制定的调光方案，避免了隧道口的“黑洞效应”和“白洞效应”，提高了行车安全性，具有推广价值。