隧道智能照明远程监控系统的设计和验证

管大亮

浙江工业大学工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310000

0 引言

随着市政道路基础建设的不断发展，公路隧道内的行车安全逐渐成为工程施工过程中首要关注的问题。由于自然光线条件的限制，公路隧道为了保证照明效果，通常会保持照明设施的24 h开启，但此种照明方式不利于节能减排政策的落实，还会造成能源浪费[1]。为此，需要研究公路隧道智能照明远程监控系统，在确保行车安全的同时，减少照明能耗，提高公路隧道的整体通行效果。

1 隧道智能照明远程监控系统概述

基于物联网技术的发展，智能照明远程监控系统的实现成为可能。物联网中的无线通信技术包括ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave等。其中，ZigBee技术具有低复杂度、低功耗、低速率、短延迟、低成本、大容量的特点，完全满足隧道照明系统组网的需求。因此，文章提出了一种基于ZigBee的隧道智能照明远程监控系统。与早期的传统智能隧道照明控制系统相比，该系统无须铺设控制线，通信速率更高，可达250 kbps，区域控制器可安装在任意指定位置，所需数量更少。该系统既能满足隧道照明要求，保证行车安全，又能实现节能降耗，有效满足隧道安全、高效、绿色运营的要求。

2 隧道智能照明远程监控系统的功能需求

（1）无线通信。隧道智能照明远程监控系统可利用以无线通信接收下位机发送的指令和信号，并利用无线通信向调光控制器和照度采集装置发送调光指令[2]。

（2）数据处理。根据洞内亮度、车速、车流量等数据的分析处理结果，ZigBee通信模块可以向照明监控终端发送控制命令，远程智能控制照明系统[3]。

（3）人机交互。隧道智能照明远程监控系统可实时显示隧道各段环境参数，提供数据查询、存储和图表输出功能，辅助管理者决策[4]。

（4）运行模式的选择。隧道智能照明远程监控系统需要具备自动控制、手动控制和定时控制三种运行模式，以应对不同的隧道运行情况。

3 隧道智能照明远程监控系统的设计

3.1 系统的工作过程

先由环境信息感知子系统通过传感器监测隧道内外的光线变化及相关的环境数据，再由车辆行为感知设备子系统采集车辆运行状态及交通量等基本信息，并将信息传送到隧道变电所的服务器；通过变电所端的软件进行综合分析处理，结合具体数值分析得到调光范围，发出调光指令，调节隧道内的照明设备。

隧道管理人员可以登录相关软件，并通过客户终端与隧道洞口变电所的软件建立连接，在客户端查看隧道具体路段的照明状态，并判断是否需要调整。

3.2 系统的组成

3.2.1 车辆行为感知子系统

结合环境信息感知技术的车辆行为感知子系统的功能是根据车辆的运行现状和周围环境的光线调节照明设施。应用车辆行为感知子系统可以监测隧道内的车流信息，保证车辆驶入隧道时，照明设施及时打开；环境信息感知子系统可以通过传感器检测隧道内的能见度，并结合隧道外的光线条件及变化情况得到隧道内外光线条件的数值，进而将数据信息代入系统算法得出隧道照明设备的合适亮度。

需要建立专门的智能子系统收集交通量和车辆所处位置的具体信息。系统中的红外探测器可以检测车辆位置信息，确认隧道内有无车辆驶入；监测设备都需要安装在洞外，以便洞内照明系统提前调节灯光；本地PLC控制器可以将收集到的车辆信息和详细数据传输到隧道变电所的服务器；隧道洞口的检测终端需要分析采集到的车辆信息和隧道内的照明亮度，完成照明亮度的操作指令，并由隧道照明及调光子系统执行具体的调光操作；数字微波车辆检测器可以根据车辆的速度和隧道内交通量的多少确认不同路段需要的照明条件。

3.2.2 环境信息感知子系统

隧道照明系统的智能运行不仅需要监控、分析车辆信息，还需要及时获取隧道内外的实时光线信息，并形成可以进入系统运算的具体参数，通过智能技术的分析计算最终确定照明设施亮度的具体范围。光强检测器和能见度仪器可以采集隧道外和隧道内的光源条件，以及不同路段的照明亮度数值，并统一上传至终端；洞内的CO/VI检测器可以获得隧道内视线能见度的具体数值。这些环境信息的数值都可以为照明设施的调节和改进提供有力参考。

3.2.3 隧道照明及调光子系统

隧道照明及调光子系统可以辅助隧道照明设备的亮度调节，是系统终端发出的亮度调节指令后的执行系统，可以提升隧道分段照明的效率。

照明监控系统设计需要为隧道具体照明设施的进行配合调光，整个智能系统的运行需要使用局端和远端的调光控制器设备。隧道照明智能控制系统的最终使用目的是在保证行车安全的前提下，减少不必要的电能消耗，同时确保整个隧道的照明条件。驾驶员进入隧道的行车过程主要分为进入隧道前、在隧道中和即将出隧道三个阶段，在此过程中，驾驶员要不断适应光线变化产生的不适。新型隧道照明及调光系统可以帮助车辆驾驶员缓解通过隧道时的视觉影响和不良反应，有利于隧道行车安全。

3.2.4 摄像机监控子系统

摄像机监控子系统的主要作用是实时抓拍隧道内的实况照片，并结合图像处理技术检查隧道内的车辆信息。如果车辆已经离开隧道，可以熄灭或者调暗照明设备。

摄像机监控子系统所需的运行设备主要是网络IP摄像机，摄像机通常安装在隧道内壁，从而保证摄像机的摄像范围可以包括整个隧道，同时可以完成对隧道内车辆及车流信息的实时拍摄。隧道内IP摄像机拍摄的实时照片会传送到洞口变电所的终端软件上，软件通过提前输入的算法分析处理图片信息。使用摄像机监控子系统可以更好地把握隧道不同路段的车流状况，进而调节隧道的照明灯光。

3.2.5 隧道照明通信子系统

为了保证监控及照明设备的稳定运行，针对隧道照明的通信环节设置了子系统。这一系统可以应用光纤通信技术提升感知设备和监控设备传递数据的安全性。

隧道照明通信子系统由以太网交换机和多种远端光端机、局端光端机组成，可以利用环网组网的通信方式进行更加高效的数据传输。要通过环网型远端光端机连接控制器，并通过远端光端机和控制器构成光纤环网。建立远端光端机和洞口变电所终端的连接时，可以用局部光端机与远端光端机相连，再在变电所内设置局端光端机，并连接传感器和本地控制器，以便通过以太网交换机将传感器收集的光线参数输送至变电所的服务终端。此外，要统筹监控摄像机和节点远端光端机的连接，通过光纤电缆和局端光端机完成图像信息的传送。

3.2.6 隧道照明远程监控软件

隧道照明远程监控软件需要设置在隧道洞口的变电所，照明设备的灯光调节建立在监控设施对隧道各项信息的收集处理的基础上，而监控所和中心端软件都需要结合PC机运行。软件的运行质量决定了各监控系统和照明设备使用智能技术的效率和效果，而变电所的基础设施可以为整个系统提供保障，这也是设置变电所端软件的必要性所在。

作为收集信息图像和采集光线数据的最终处理终端，隧道照明远程监控软件是技术处理的核心，由隧道洞口变电所端软件、监控所端软件以及监控中心端软件三部分构成。隧道变电所的服务器承载着隧道洞口变电所端软件的运行，它负责综合分析环境信息和车辆行为感知子系统收集的数据，依据设置好的算法确定最佳亮度，并给下级系统下达调光指令；监控所端软件和监控中心端软件的运行都依赖于隧道监控所的PC机，二者的唯一区别在于中心端软件只能监测信息，无法进行具体操作控制。

4 隧道智能照明远程监控系统的设计实践

4.1 工程概况

某隧道智能照明远程监控系统采用ZigBee无线通信技术对公路隧道照明进行分区控制、场景控制和自动化控制，并实现远程实时监控和故障自动报警功能。该工程的照明效果如图1所示。在确保行车安全的前提下，通过智能照明控制系统进行自动调节，可以降低照明能耗，延长灯具使用寿命，减少维护费用。针对该隧道的特殊情况和要求，采用分区过渡调光的方式使驾驶员适应隧道出入口的明暗变化，并确保隧道的行车安全。同时，预设了多种灯光场景并可以自动切换，使隧道照明满足相关的亮度需求。系统可以根据采集的环境光照度值和交通量信息，自动调节灯光亮度，以适应环境明暗变化和交通量变化，在保证行车安全的同时，实现最大限度的节能。

图1 工程照明效果示意图

4.2 设计的隧道智能照明远程监控系统

设计的隧道照明系统主要包括中段照明、入口段照明、过渡段照明和出口段照明，不同路段的亮度、车速、车流量不一样。为了兼顾行车安全和节能，有必要分段调节LED灯具的亮度，并监控每个区段照明设备的运行情况。

设计的智能隧道照明远程监控系统主要分为四个模块。（1）环境参数检测模块：具体检测参数包括隧道内外亮度、隧道内外烟雾浓度、车流量和平均车速；（2）ZigBee无线通信模块：用于上传环境数据；（3）LED照明监控终端：根据控制系统的指令调整LED灯具的运行状态；（4）LED隧道灯服务器控制系统：接收并处理各路段的环境参数，向照明监控终端发送命令，实时调控LED灯具的亮度。

由于隧道是线性工程，无线网络节点较多，该系统的ZigBee组网采用簇树拓扑，在无线模块中包括三类设备。（1）中心节点：负责网络创建、数据传输和控制；（2）路由节点：负责数据转发，可以延长无线通信距离；（3）终端设备：负责上传环境参数和接受订单。在无线通信模块中，当终端节点通过路由节点组网失败时，会自动寻找其他路由节点组网，从而实现大区域通信，后期维护也更加方便。

4.3 系统实现与验证

为了验证设计的隧道智能照明远程监控系统的节能效果，根据上述框架搭建了测试平台。分别采用40 W、100 W、180 W的LED灯具和600 W的高压钠灯作为隧道照明灯，通过程序切换依次进行隧道照明。假设隧道在运行，隧道外白天和晚上的亮度为300～3 000 cd/m2，交通量N（单位：pcu/d）在N=0、0＜N≤180、180＜N＜650、N≥650四种状态中随机变化，车速在40 km/h、60 km/h、80 km/h三个值中随机变化。三种隧道照明控制方案如下。

（1）方案一：传统照明控制模式。隧道各段照明功率不变，按隧道外亮度为3 000 cd/m2、车流量N≥650、车辆通过速度为80 km/h配置功率。

（2）方案二：隧道智能照明远程监控系统控制模式（自动控制模块型）。隧道各段照明功率根据隧道外亮度、车流量、车辆通过速度实时变化。

（3）方案三：隧道智能照明远程监控系统夜间控制模式（定时控制模式）。夜间隧道外亮度恒定，可直接使用定时控制模式。

使用以上三种方案模拟8 h，耗电量分别为618 kW·h、383 kW·h、165 kW·h。方案二和方案三分别节电38%和73%，节能效果显著。

5 结论

综上所述，为解决公路隧道传统照明方式造成的能源浪费问题，需要探讨隧道智能照明远程监控系统的设计方法，在确保行车安全的同时减少照明能耗。