基于模糊控制理论的公路隧道照明主控制器设计研究

王政松

中铁二十三局集团，四川 成都 610072

0 引言

隧道照明技术在我国的发展时间并不长，理论体系未创建完成，实践经验较匮乏。21 世纪之前，我国在公路隧道设计方面只是以《公路隧道设计规范》（JTJ 026—1990）标准为参照。进入21 世纪之后，推出了《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999）、《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）等标准。这些标准既是对工程实践经验的汇总[1]，也是对最新科研成果的充分体现。标准内容借鉴了新的研究成果，借鉴了国外隧道照明的成功技术经验，为我国公路隧道照明节能技术的发展指明了方向。在中国，自动控制在大隧道项目建设中发挥出重要作用，包括厦门海沧隧道、南山隧道等，虽然这种照明控制系统不能动态化采集照明设备运行中的数据信息，无法实现智能化控制，但并不影响隧道照明智能节能发展潜能的不断挖掘[2]。

隧道节能技术虽有重大突破，但仍存在不少问题，如日光光纤光束采集技术稳定性不强，当前只是停留在施工阶段，不具备投入实践的条件。我国虽然已经着手开展太阳能光伏发电试验，但要降低成本并确保在合理的距离内普及，仍有许多工作要做；无LED 电平调制的智能光控制技术尚未得到研究和实践验证。此外，科研人才存在较大缺口，基础研究成果不够丰富，建筑改造效果不佳等。这些都不利于隧道节能技术在我国的发展[3]。

基于此，为了提高隧道照明节能效果，文章一种隧道照明主控制器的设计方法，避免因隧道照明主控制器设计的不合理而造成能源的过度浪费，亦可节约隧道运营成本。

1 隧道照明的发展情况

1.1 LED 隧道照明

2008—2010 年，LED 隧道照明发展较快；2011—2013 年，进行了深入集成。2009 年，LED 白光的光效可达到100 lm/W，LED 无级调光技术被引入多个关键项目中，包括安徽前山隧道、广东山隧道等，这些项目已经实施了工程论证，凭借着优异成绩征服了项目管理者[4]。

通过相关数据了解到，把LED 灯具无级调制运用于车载参数、亮度、速度等方面，能以最低的能源获得更高的效率[5]。经对比发现，以车流量和车速为控制参数，对洞内LED 灯具进行无级调光可实现最大节能效率，相比基于洞外亮度的分级控制方法可节能36.6%。

1.2 太阳能照明系统

2008 年，北京奥林匹克中心地下车库安装了19 根太阳能灯管。这是首次尝试在地下空间运用太阳能照明系统，并取得了良好成效。3 年之后，陕西科技大学成立了课题研究小组，经过不懈努力推出了PV-LED直接照明系统，研发的太阳能输送带也引起了业内关注，为高速燕山隧道项目建设提供了技术支撑。河北承德市、汉国市、凉东小隧道先后投入使用全国最大的隧道太阳能光电照明系统，吉林省建成的汽车隧道运用了太阳能智能LED 系统，开创了国内先河。长安大学的研究者们运用先进技术对太阳能与风能进行弥补，在中短途隧道中以LED 复合体的形式为照明提供电力。

2 公路隧道照明控制模式分类

2.1 人工控制模式

人工控制向管理层提出了较高要求，要对天气条件、交通量、车速等进行控制。一般而言，可以采用单回路与多回路两种方式实施管理。人工控制需要投入较多的人力资源，控制流程烦琐、需要考虑的内容较多，即使考虑得较为周全，也无法满足当代交通发展所需，造成了资源浪费。实现节能的简单电路会给道路安全带来隐患。因此，这种人工控制模式逐渐淘汰，取而代之的是新型的控制模式。

2.2 自动控制模式

自动控制模式借助传感器等检测工具动态化采集数据，如隧道外部的交通、亮度信息等，采用电子控制设备在多样化的隧道照明电路中进行灵活选择，在不需要人工干预的前提下可以自动调光。虽然自动控制方法简单，但仅限用于原有的调光电路，不能在整个隧道照明系统中进行动态调光。

2.3 智能控制模式

可以把智能控制技术应用于自动控制，如雾控制、神经网络控制和专家系统。虽然智能控制仍在示范与探究阶段，却为隧道照明控制指明了下一阶段的发展方向[6]。伴随着大量技术成果的问世，其应用场景也会越来越多。

3 隧道照明主控制器的输入量函数

3.1 模糊控制原理

天气、车速、车流量等都会对隧道照明效果产生一定影响。要想发挥LED 无级调光的优越性，需要及时调整隧道内照明亮度。如果运用传统方法，要围绕隧道内照明亮度进行建模。由于环境参数复杂，而灯具也具有明显的随机性，隧道照明系统具有时变、非线性等特征，数学建模难度较高。模糊控制可以在不需要数学建模的前提下实施模糊化处理，由此解决了建模难题，为隧道照明控制算法研究带来了有效帮助。

3.2 隧道照明主控制器输入量函数

由于公路隧道照明的主要调光依据是入口段照明，参照入口段照明计算过渡段照明。故而，只需要分析隧道入口段照明控制方法。入口段照明会受诸多因素的影响，把车速、车流量、隧道外亮度确定为隧道照明主控制器输入量，与之相应的语言集分别为V、Q、L。

以2014 版《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）为准，与多名专家进行磋商，将L的真实论域与离散论域设定为[0,6 500]、[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。洞外亮度隶属度函数如图1 所示。

图1 洞外亮度隶属度函数

在设计细则中，把Q设定为不同标准，分别为每小时180 辆、350 辆、650 辆、1 200 辆，真实论域与离散论域分别设定为[0,Qmax]、[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。车流量隶属度函数如图2 所示。

图2 车流量隶属度函数

设LED 灯具输出量电流的真实论域为[minI,maxI]，取离散论域[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。该变量模糊化如表1 所示。输出LED 灯具电流隶属度函数如图3所示。

图3 输出LED 灯具电流隶属度函数

4 隧道照明主控制器硬件组成与设计

4.1 隧道照明主控制器硬件组成

智能隧道照明控制器主要包括接口、主控模块等，系统结构框图如图4 所示。

4.2 输入量采集设备选择

车速、车流量、隧道外亮度设定为公路隧道照明主控制器输入量，通过线圈车辆检测器与隧道洞外亮度检测器采集数据。线圈车辆检测器的环形绕组埋在道路下方。通过检测车辆在绕组磁场中的干扰，可以精准计算获得速度与车流量信息。这种方法成本低廉、易于掌握、技术成熟。车辆检测器选用中央信息技术控制有限公司设计的车辆检测器。

4.3 数据远程传输设备选择

在无线传输下，由主控制器将隧道照明状态数据传输到远程监控中心，由此实现实时化监控和及时显示。选择无线通信模块data-6121，这一模块可以通过手机与短信传输远程数据，且功耗较低。

5 隧道照明主控制器软件程序流程设计

智能隧道照明控制器软件设计流程如图5 所示。首先对所有模块进行初始化处理，然后读取隧道外的亮度和交通信息。当系统处于非人工操作状态时，系统将检查隧道条件是否正常。如果出现异常，需要及时发出警报，指明出现错误的程序，中止总线通信。当故障排除、隧道条件恢复正常之后，系统自动对总线通信进行检测。如果处于正常状态下，主智能控制程序将被启动，把无级调光命令发送给所有子控制程序，在第一时间向上位监控计算机发送调光管理状态信息。调控控制结束后，系统按预设时间延迟并再次开始上述循环。

图5 软件程序流程图

6 结论

文章以隧道照明设计需求为导向，先分析隧道照明节控制类型，以天气、车速、车流量为输入数据，如选择相关的采集设备，然后为系统选择远程数据传输设备，可以起到远程监控的良好作用。文章为隧道照明系统设计主控制器，并对硬件与软件进行了设计。该主控制器可以依据输入数据完成调光控制，具有良好的节能效果，有一定的推广价值。