智慧高速公路隧道节能照明系统设计与应用*

于露 杨帆

1.长春财经学院；2.吉林省高速公路集团有限公司

高速公路隧道运营是保障高速公路行车安全的重要举措，现阶段我国高速公路隧道内主要采用的分时间段照明方式，白天开加强照明，晚上开基础照明，但这种照明方式对于车流量很小的小隧道其实远远大于实际需求的照明灯光量；而且不能根据实际关照调节隧道内照明亮度，这种照明方式不仅浪费电能源，而且由于灯具设施长时间的使用将会与大大缩短灯具寿命。如此高速公路隧道内的照明费用在隧道运营中占很大比例，并存在过度照明的现象，极其浪费电能。本文提出了解决办法，可以利用通过压力传感器获取车流量，利用光敏传感器采集光照数据，并根据实际车流量大小和光照变化情况智能调节高速公路隧道内部的照明亮度，最终达到保证行车安全的同时节省高速公路运营成本的目的。

随着我国经济的飞速发展，高速公路的建设脚步也越来越快，智慧高速给人们的出行带来了很大的便利，通行更舒适更人性化，但是高速公路的能源管理目前还有所欠缺，比如隧道的照明节能问题，隧道照明的电费占据高速公路支出比例高达80%[1]，因此，解决隧道中的电能损耗问题对于减少高速公路的运营成本起到了决定性的因素，研究高速公路的隧道照明节能系统是有一定的现实意义。

1 高速公路隧道照明的相关内容阐述

依据国家《公路隧道照明设计细则》，目前高速公路隧道一般有入口段、中间段和出口段等，不同的路段需要不同的灯光控制。入口段和出口段需要加强照明，中间段基本照明，还要配有应急照明和隧道外引路照明。入口段，驾驶员从外面的自然强光环境忽然进入隧道内时，若照明度不够，就会造成驾驶员短时间的失明，这就是所谓的隧道“黑洞效应”；出口段，驾驶员适应了隧道内部的暗光环境，在出隧道时遇到外面的自然强光会在眼前出现一片亮白的情况，这就是隧道的“白洞效应”[2]。为了保证出行者的交通安全，不管晴天阴天、隧道内外的光照度强弱，还是车流量大小，都必须保证正常长期照明。但是由于不同天气光照度不同的原因，不能高效避免“黑洞效应”和“白洞效应”。

2 高速公路隧道照明系统现状分析

20世纪60年代初，法国率先根据隧道车流量对内部照明灯具进行调光，20世纪80年代，CIE（国际照明委员会）指定了关于隧道照明的标准规范，被世界各国广泛接受采用并被修订完善，该标准可根据隧道外光照度通过精确的公式计算出隧道内部应有亮度，因此降低隧道运营成本。21世纪开始，美国的研究者发表了一篇关于隧道照明的文章，对美国某一个州的公路隧道照明系统提出了改进的方案，然后世界各国的科研人员以及业内专家都接二连三的研究出一些隧道节能照明系统与技术，为现状的智能照明奠定了坚实的基础。

21世纪之前，我国基本按照国外相关的研究制定国内公路隧道照明系统标准规范，到了90年代末期，部分研究人员提出制定符合国情的本国标准。现阶段我国高速公路大部分隧道内采用的主要还是长明灯的照明方式——白天加强照明，晚上应急照明，这种照明方式其实远远大于实际需求的照明灯光量，如此不仅浪费电能源，而且由于区分不了晴天阴天使得驾驶人员入隧道出隧道时的舒适度降低[3]。近些年，很多研究人员对于国内现状做了相关研究，为的就是消除入口段的“黑洞效应”和出口段的“白洞效应”带来的安全隐患，以及减少过度照明实现隧道照明的实时控制[4]。其中大多研究都是围绕算法进行研究，很少有根据光照度和车流量来控制照明的具体方案，没有真正意义上的节能系统出现。

3 高速公路隧道节能照明系统的总体设计

本系统采用嵌入式控制系统，利用部署在高速公路隧道内外的光敏传感器采集内外光照度数据，利用激光发射对管采集车流量数据，并且通过基站将采集到的数据发送到交通控制中心，控制系统中的控制器依据光照信息和车流量信息经过控制算法反馈隧道照明控制结果，最终控制高速公路隧道内各路段的照明数量及亮度，从而实现安全行车的同时节约电能的要求，本系统整体结构图如图1所示。

图1 高速公路隧道节能照明系统结构图Fig.1 Structure diagram of energy-saving lighting system in expressway tunnel

4 系统详细设计

4.1 光照度数据采集系统设计

本隧道节能照明系统的环境参数包括隧道里外的光照度，光照度的采集分两部分，一部分是隧道外的数据，一部分是隧道内的数据，都是利用光敏传感器采集光照度[5]。在高速公路隧道入口段、中间段、出口段以及入口出口接近的隧道外路段安置光敏传感器，通过ZigBee协议与STM32单片机相连，STM32单片机给光敏传感器发送指令就可以采集隧道内外光照度[6]。

基于STM32单片机的光照度感测器件硬件部分的设计主要涉及到电源模块设计以及数据采集模块设计。

电源模块是12V转5V的电路和5V转3.3V的电路，光照度感测器分布于高速隧道的外部和内部，长期在户外工作，需要面临复杂的自然环境的考验，因此电源模块是光照度感测器正常工作的基本保障，决定了电路的稳定性。经分析，该感测器的供电由交通部门提供，由5V以及12V的直流，并且系统用到的STM32单片机需要3.3V的供电，部分芯片需要5V供电，所以该光照度感测器设计为12V供电转5V，还有5V转3.3V供电的电路。

数据采集模块硬件部分包括温湿度的采集电路、光照度的采集电路、STM嵌入式模块以及调试功能电路。本节能系统的重点在于准确地采集隧道内外光照度，这对于安全驾驶以及节能都有很大的现实意义[7]。除了隧道内外的光照度采集，通过温湿度传感器可以采集隧道内外的温湿度数据，这里可选择DHT11型号的传感器，它包括一个感湿元件和一个测温度的元件。该传感器快响应、高稳定性，具有较强的抗干扰的能力，传输距离较长，精度高，用起来非常方便[8]。

4.2 车流量数据采集

本系统中的车流量数据是通过激光式车辆检测传感器来采集的，它不像线圈类的检测设备需要预先在车道下埋设感应线圈，对路面没有直接的破坏影响；也不像微波检测设备无法实现多车道的车流量检测。激光式车辆检测传感器可以通过扫描经过的车辆外形进行分类，当车辆经过激光幕的时候，它会将信号传给采集控制部件，并且记录通过时间、车辆宽度高度以及速度等信息，精确采集数据、存储数据并打包上传，实现车流量的数据采集[9]。以上数据的采集设备方案图如图2所示。

图2 高速公路隧道节能照明系统数据采集设备图Fig.2 Diagram of data acquisition equipment for energy-saving lighting system in expressway tunnel

4.3 嵌入式控制系统的设计

本系统采用单片机STM32作为微控制器MCU，它不仅需要给传感器发送操作命令采集数据，还需要对设备进行控制以及进一步接收发送所有数据[10]。将光敏传感器和车辆检测传感器检测上传的数据先存于本地数据库，再经过TCP/IP协议上传到远程服务器。MCU中的设备基本都是靠电池来供电的，因此，想要根据光照度和车流量实时控制隧道照明的同时延长使用时间的话，必须要节能，避免浪费能源。A/D转换功能降低了一定的能源消耗，相对比较环保[11]。

4.4 无线传输模块

目前无线传输技术很多，但是不同的技术有不同的特点，用户应当从实际需求出发，选择适合系统环境的无线传输技术，如表1所示比较了目前主流的短距离无线通信技术[12]。

表1 主流短距离无线通信技术比较Tab.1 Comparison of mainstream short-range wireless communication technologies

根据表1比较信息结合高速公路节能隧道照明系统特征，采用ZigBee无线传输技术较适合本系统。ZigBee协议是一种短距离无线通信技术，通过此协议完成各检测传感器和网关之间的数据传输。此协议按分成原则进行定义，有4层，每一层为上一层服务，可以在ZigBee基础上设计网络层，开发者可以根据自身需求实现应用层[13]。本系统中的隧道节能照明系统有如下特征：照明灯具的物理空间分布呈窄带狭长分布特性，因此“树簇网络拓扑”逻辑结构比较合适。这种结构的系统覆盖范围比较广，弥补了ZigBee百米范围的缺点，可以对隧道内的灯具进行分区，平衡每个ZigBee协调器负担，达到有效管理。此模块再通过4G模块联网，将网关数据上传到远程服务器，实现长距离数据通信[14]。

ZigBee组网在本隧道节能照明系统中起到了非常重要的作用，采用星型网络拓扑结构，每个节点都作为路由节点，如此ZigBee组网需要包括ZigBee协调器的节点建网和路由节点的网络连接。

4.5 数据库设计

数据库软件采用MySQL数据库，设计步骤一般包括六个步骤，有需求分析、概念设计、逻辑结构设计、物理结构设计、系统实施以及运行维护[15]。本系统根据用户的需求建立概念数据模型，得到实体联系E-R图，确定实体之间的关系和实体的属性等，进而进行逻辑结构设计得出相应的数据表。

本隧道节能照明系统的数据库部分可以对数据进行增删改查等，根据最终功能需要多张数据表来实现，比如系统用户名的表，登录密码表，用户类型描述表等。本系统使用的数据库连接技术是ODBC方式，方法与步骤如下：

(1)设定服务器的登录形式，并根据自身需要设置密码；(2)配置ODBC数据源，并设定登录的方式，根据系统提示输入用户名密码，完成配置；(3)连接初始化；(4)连接服务器；(5)打开相应的数据集；(6)执行SQL语句。

5 智慧高速公路隧道节能照明模糊控制算法

本系统中根据隧道内外光照度、车流量大小来实时控制照明，若需调整隧道内亮度为最高亮度的一半，只要开一半的照明灯具即可，也就是隧道内每两个灯具开一个就行，所以模糊控制比较适合，避免频繁开关隧道内的照明灯具，可以保证系统安全实时[16]。

综合考虑模糊控制分为四步来完成。首先向模糊控制器中传入隧道外的光照度以及车流量数据；在控制器中将数据模糊化；然后对模糊化后的数据进行推理再解模糊；最后将结果传入本系统达到控制隧道内照明灯具以及保证亮度的基础上尽可能的节能，原理图如图3所示。

图3 模糊控制原理Fig.3 Principle of fuzzy control

6 智慧高速公路隧道节能照明系统的主要功能

本系统的主要功能有查看光照数据、查看车流量数据、控制隧道内照明亮度等。

通过控制平台可以查看高速公路隧道内和隧道外的检测设备基础信息、实际的光照度信息、时段车流量数据等相关内容。通过平台还可以根据采集到的数据对隧道内的照明设备进行实时监测，数据分析，对高速公路隧道内的照明数量进行调节，晴天光照强时，入口段打开所有灯具加强照明，避免了“黑洞效应”；阴雨天自然光不强时入口段可根据光照度减少一部分照明，使驾驶员安全行车的同时提高视觉舒适度。

根据车流量大小控制隧道内部照明，比如晚间车流量较小的情况下，减少一般照明灯具的开启，开启应急照明模式维持基本亮度，在保证行车安全的统是起到节能的作用。

7 结语

该智慧高速公路隧道节能照明系统应该实现两个主要目标：(1)保证行车安全的同时提高驾驶员的视觉舒适度；(2)通过光照度和车流量来控制照明节约电能。由此可见，本系统对高速公路隧道行车安全和环保具有重要的实际意义。

本文研究了光照度、车流量的采集方法，用到物联网的嵌入式技术，定时采集并储存上述信息，再通过网络通信技术上传到远程服务器，最终实现实时控制高速公路隧道内各路段的照明，达到交通安全及节能环保的目的。

本系统还有很多地方可以继续研究及改进，比如增加对突发断电等情况的防控功能，隧道内发生事故时的判断与报警功能，大雾天气的风机启动功能等，让隧道节能照明系统更加安全、节能并且人性化。