基于知识库的高速公路隧道照明控制设计

任文辉 刘军权 陈东洲 洪夕荣 赵宁

（1.中铁建陕西高速公路有限公司，陕西 西安 710018；2.成都中工科技有限公司，四川 成都 610096）

随着中国高速公路隧道运营规模的不断扩大，隧道运营的安全性、节能性和舒适性越来越多的受到管理单位和行车人员的关注，隧道照明系统即为其中一个重要环节。为了消除车辆进出隧道时的“黑洞效应”和“白洞效应”，需要对隧道照明进行合理、有效控制。隧道照明设计通常从全年行车安全角度出发，以全年隧道外最大亮度和最高行车时速确定隧道内灯具功率和分布密度。同时，隧道照明控制的能力非常有限，无法根据天气、车速、车流量等时变参数进行自适应调整。

一、控制方式分析

高速公路隧道照明控制一般分为手动控制、时序控制和自动控制3种方式。

（一）手动控制方式

手动控制方式主要由人工根据不同的隧道外情况开关不同的照明回路。这种控制方式有专人负责管理，但控制精度不高。对于管理要求不够严格的单位，为达到照明要求，甚至长时间开启大量灯具，使隧道内亮度远高于标准要求。

（二）时序控制方式

时序控制方式是根据隧道外亮度，按日、周、月、年实测得到的统计规律值制定照明控制方案，确定在不同月份的具体一天中的不同时段开启（闭合）不同的照明回路，以适应隧道外亮度的变化值。这种方法用历史统计数据作为控制决策的参数，不能与当时的实际气象条件完全吻合，可能造成能源浪费。

（三）自动控制方式

自动控制方式是根据实测的隧道外亮度值实时调节隧道内照明系统，以满足驾驶员适应隧道内外亮度差的需要。驾驶员的适应时间和距离取决于隧道内外的亮度差和车速，一般采用一个停车视距。在隧道入口内外各设一台检测装置，将自动检测到的隧道内外亮度值发送至照明监控计算机，经数据处理后，产生控制方案，并将控制指令下传到现场区域控制器，现场区域控制器按照指令要求，实时开启或关闭相应的照明灯具，从而形成一个闭环控制。但此方式需合理确定隧道内外亮度差的阈值与控制策略，否则易造成照明回路频繁切换，不利于保障行车安全，降低照明设施使用寿命。

二、优化控制设计

针对高速公路隧道照明常用控制方式存在的不足，设计了一种基于知识库的隧道照明优化控制方式。该方式以自动控制为主，时序控制和人工控制为辅，依据知识库进行控制决策，并能够根据外部亮度的变化及时采取相应的策略，将隧道内的照明强度调整到适宜状态，避免能源损耗，实现隧道照明的优化控制。

（一）控制原理

隧道入口段亮度要求的算式为：

式中，Lth为入口段亮度要求值，k为折减系数，Lo为隧道外亮度测量值。

隧道内外亮度差的算式为：

式中，ε为实际测量的隧道内亮度与规范要求的亮度标准值之差，Lth为入口段亮度要求值，LI为隧道内实测亮度。

知识库以隧道内外亮度差ε的正负、照明回路的开关状态以及每个照明回路所能达到的亮度为依据进行建立。

当ε>0时，表明隧道内亮度低于所需标准值，决策应增加开启照明回路以增强亮度，且应优先开启基础照明回路，若基础照明已开启，则按亮度从小到大的顺序，开启已有照明回路开启的一侧（左侧或右侧）可以达到标准值的未开启回路，若未开启的回路中亮度最高的回路也达不到标准值，则默认开启亮度最高的回路。当单侧（左侧或右侧）回路全部开启仍达不到标准时，则按上述顺序依次打开另一侧的照明回路。

当ε<0时，表明隧道内亮度高于所需标准值，决策应减少开启照明回路以降低亮度。优先按照明回路可达到的亮度由大到小关闭，基础照明回路最后关闭，且关闭相应回路的前提是在该回路关闭后，保证隧道内照明亮度仍能大于标准值。

（二）控制流程设计

高速公路隧道照明控制需要满足两个条件：一是可以根据传感器采集到的环境数据进行分析计算，通过计算结果调整照明模式，另一个是在出现异常情况时能够及时启动辅助控制方式，使隧道照明保持正常运行。控制流程如图1所示。

图1 隧道照明优化控制流程图

控制流程表明：当亮度检测器等设备无故障时，由照明控制计算机采集检测器的数据。采集的数据包括两类，一类是隧道内外亮度数据，且通过隧道外亮度乘以折减系数可计算得到隧道内应有的标准亮度值，再计算隧道内实际测量得到的亮度值与应达到的标准亮度值之差ε；另一类数据是当时的照明各回路的开关状态D1。将ε与D1输入到控制知识库进行处理决策，并将决策指令下发给照明控制器，从而自动控制相关的照明回路，以获得理想的亮度环境。当亮度检测器等设备发生故障时，则可转为时序控制方式。

（三）知识库构建

本文以陕西省高速公路某隧道照明系统为例，该隧道分上、下行方向，每方向左、右侧各3组照明回路，上、下行方向照明回路灯具选型和布设密度相同，因此可选用相同知识库。

设上、下行左侧回路可达到的亮度分别为L11、L12、L13，设上、下行右侧回路可达到的亮度分别为L21、L22、L23；设照明控制前的回路开关状态为D1，照明控制后的回路开关状态为D2；每个状态值由6位数字表示，分别代表了左右各3组回路的开关状态，每一位的0表示关闭，1表示开启。构建照明控制知识库如表1所示。

表1 陕西省高速公路某隧道照明控制知识库

照明控制知识库以每组回路可达到的照明亮度值为控制阈值，当隧道内亮度不满足要求时，则知识库决策开启某组照明回路；当隧道内亮度超过要求时，在保证关闭某组照明回路后隧道内亮度仍能满足要求的前提下，才决策关闭该组照明回路。

三、结语

通过隧道实际应用证明，根据本文设计的知识库及相应规则进行照明控制决策，最大限度地节省能源消耗，避免了照明回路的频繁开关操作，有效地延长了灯具的使用寿命，降低了隧道运营维护成本。