基于物联网技术的智慧型公路隧道照明系统研究

刘同宾、周宏宇

（江西省交投集团路网运营公司科技信息部，江西南昌 330025）

0 引言

随着我国交通运输事业的快速发展，公路隧道的数量逐年增加。公路隧道作为交通运输的重要通道，其照明系统的安全性和节能性越来越受到人们的关注。物联网技术作为一种新兴的技术，以其强大的信息感知、传输和处理能力，越来越受到人们的关注。将物联网技术应用于公路隧道照明系统，可以实现对隧道照明的智能控制和实时监测，提高照明系统的性能。因此，研发一种基于物联网技术的智慧型公路隧道照明系统具有重要的现实意义。

1 物联网技术在公路隧道照明系统中的应用优势

首先，物联网技术在公路隧道照明系统中具备高效的照明控制能力。通过实时监测隧道内外的环境条件，如光照强度、车流量等，物联网系统能够根据这些数据自动调整隧道内的照明亮度，实现按需照明。这种智能照明控制策略能够提高照明质量，降低能耗，进而降低运营成本，提高能源利用效率。

其次，物联网技术能够实现实时设备监测。通过一系列精密的传感器和通信设备，物联网系统能够对隧道内的照明设备进行实时监测，包括灯具状态、能耗情况等。这有助于及时发现设备故障，提高维护效率，降低维护成本，保障隧道的安全运营。

最后，物联网技术可以实现智能化的运维管理。通过该技术，管理人员可以实时监控隧道内的照明情况，对异常情况进行报警，并采取相应的措施进行维护。另外，物联网技术还可以实现照明设备的远程控制和定时开关，进一步提高照明系统的管理水平[1]。

2 智慧型公路隧道照明系统要求

首先，智慧型公路隧道照明系统应能够自动调节隧道内的照明亮度，以适应不同的交通状况和隧道外的光照条件。为此，系统应配备光敏传感器和车辆检测器，以便根据外部光线和隧道内车流量实时调整照明强度。光敏传感器应能够检测隧道外的光照强度，并根据隧道外的光线情况，自动调节隧道内的照明亮度。车辆检测器应能够实时检测隧道内的车流量，并根据车流量自动调节照明强度。

其次，智慧型公路隧道照明系统应具备节能功能。系统应能够根据隧道外的光照强度和隧道内的车流量，自动切换隧道内的照明模式。例如，在白天光照充足的情况下，系统可以自动关闭部分照明设备，以节省能源。在夜间或光线较暗的情况下，系统可以自动开启全部照明设备，以保证隧道内的行车安全。此外，系统还应具备自动断电功能，以防止隧道内的照明设备在无人使用时空转耗电。

再次，智慧型公路隧道照明系统应具备良好的稳定性和可靠性。系统应能够适应各种恶劣的环境条件，如高温、低温、潮湿、灰尘等。为此，系统应采用高质量的照明设备和线路，并具备防雷、防潮、防尘等措施。此外，系统还应具备故障自动诊断和报警功能，以便及时排除故障，保证隧道内的照明安全。

最后，智慧型公路隧道照明系统应具备易于操作和维护的功能。系统应具备友好的人机界面，使管理人员能够方便地操作和维护系统。例如，系统不仅要具备远程监控和诊断功能，以便管理人员在任何地方都能实时监控隧道内的照明状况，还要具备自诊断功能，以便管理人员能够及时发现并排除故障[2]。

3 现有公路隧道照明系统存在的问题

3.1 照明效果不佳

隧道内的光线环境较为复杂，明暗交替频繁，驾驶员在进入隧道后需要一定的时间来适应光线的变化。

然而，许多隧道的照明系统无法提供足够的照明亮度和均匀度，导致驾驶员在隧道中行驶时容易出现视觉疲劳和视力下降的情况，从而增加交通事故的风险。此外，照明效果不佳还会影响隧道内的交通流量和行车效率，进而导致交通拥堵和延误。

3.2 能源浪费

隧道照明系统需要长时间保持照明，消耗大量的能源。然而，许多隧道的照明系统没有根据实际需求进行智能调节，导致能源浪费严重。例如，在车流量较小的时段，隧道照明系统依然保持高强度的照明，这不仅造成能源浪费，还会增加隧道的运营成本。此外，现有隧道照明系统缺乏有效的节能技术，无法实现能源的高效利用。

3.3 维护和管理方面

隧道照明系统需要定期进行检查和维护，以确保设备的正常运行。然而，部分隧道的管理者缺乏定期检查和维护的意识，导致隧道照明系统出现故障时无法及时维修，从而影响隧道的正常运营。

3.4 安全方面

隧道照明系统的安全与否直接关系到隧道内车辆的行驶安全。然而，许多隧道的照明系统未能充分考虑安全因素，例如照明灯具的安装位置和角度不当、灯具的防撞性能不足等。这些问题都可能导致隧道内出现安全隐患，进而影响车辆的行驶安全。此外，隧道照明系统在应对突发事件（如火灾、地震等）时，往往无法提供有效的应急照明，导致隧道内的人员难以快速撤离，造成严重的安全隐患[3]。

4 基于物联网技术的智慧型公路隧道照明系统设计

4.1 系统架构

首先，智慧型公路隧道照明系统的系统架构包括感知层、网络层、平台层和应用层四个主要部分[4]，如图1 所示。

图1 智慧型公路隧道照明系统架构图

感知层是系统架构的基础，负责采集公路隧道内的各种信息。比如，负责检测隧道内的光照强度，以便调整照明亮度的亮度传感器；负责检测隧道内的二氧化碳浓度，以便判断隧道内的空气状况的二氧化碳传感器；负责检测隧道内的温度，以便调整隧道内的温度舒适度的温度传感器以及负责检测隧道内的湿度，以便判断隧道内的湿度状况的湿度传感器等。

网络层负责将感知层采集到的数据传输到平台层。网络层主要包括无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙等，负责将感知层设备采集到的数据传输到本地网络。广域网通信技术，如4G/5G、NB-IoT 等，负责将本地网络内的数据传输到平台层。

平台层负责存储、处理和分析感知层采集到的数据，并提供给应用层使用。平台层大致包含可以存储感知层采集到的各类数据的数据存储模块、负责对采集到的数据进行清洗、预处理和分析的数据处理模块、对处理后的数据进行深度挖掘，以便挖掘出有价值的信息的数据分析模块，以及根据预先设定的规则，对分析结果进行判断，并生成相应的控制指令的规则引擎模块等。

应用层负责将平台层生成的控制指令下发到感知层设备，以实现对公路隧道照明系统的智能控制。应用层主要包括负责根据分析结果自动调整隧道内的照明亮度、色温等参数的照明控制模块；能根据分析结果自动调整隧道内的通风设施，以保持隧道内空气清新的通风控制模块；可以实时监测隧道内的环境状况，以便及时发现异常情况的环境监测模块，以及负责将隧道内的实时状况发布给管理者和使用者，以便他们及时了解隧道内状况的信息发布模块[5]。

4.2 照明控制策略

其一，在系统组成与结构方面，系统主要由传感器、控制器、照明设备、通信网络和软件平台组成。传感器负责采集隧道内的环境信息，如光照度、车流量、车速等；控制器根据采集到的信息进行分析和处理，对照明设备进行控制；照明设备包括LED 灯具、调光器等；通信网络负责将传感器和控制器连接起来，实现信息的传输；软件平台负责管理和控制整个系统，具有远程监控、数据分析等功能。

其二，传感器是系统的重要组成部分，其选型与布设直接关系到系统效果的好坏。在选择传感器时，应根据隧道的实际情况和需求，选择适合的传感器类型，如光照度传感器、车流量传感器、车速传感器等。在布设传感器时，应根据隧道的布局和结构，合理设置传感器的数量和位置，确保能够全面、准确地采集到隧道内的环境信息。

其三，控制器是系统的核心部分，负责对采集到的环境信息进行分析和处理，并根据分析结果对照明设备进行控制。在设计控制器时，应采用先进的控制算法和策略，以提高系统的控制精度和响应速度。同时，控制器应具备远程升级和维护功能，方便系统的维护和管理。

其四，照明设备是系统的执行部分，其选型与控制策略直接关系到系统的节能效果和照明质量。在选择照明设备时，应采用高效、节能、寿命长的LED 灯具，并配备调光器，以实现照明设备的智能化控制。在控制策略方面，应根据隧道内的环境信息和车辆通行情况，采用动态调光策略，实现照明设备的自适应调节。

4.3 实时监测功能

首先，基于物联网技术的智慧型公路隧道照明系统在设计实时监测功能时，首要关注的是隧道内的车辆行驶速度。通过在隧道内安装高速摄像头和雷达传感器，可以实时监测隧道内的车辆行驶速度，并将车速信息传送至控制系统。当检测到车速超过预设的安全阈值时，系统会立即调整隧道内的照明强度，以确保车辆的行驶安全。例如，在隧道内，要求车速最高不超过80km/h，当车速为0～30km/h、30～50km/h 以及50～80km/h 时，系统可以将照明强度调整至最合适的水平，以保证驾驶员的视线清晰[6]。

其次，智慧型公路隧道照明系统需要实时监测隧道内的交通流量。通过在隧道内安装流量监测设备，可以实时获取隧道内的车流量数据，以便系统根据实际情况调整照明强度。例如，在交通高峰期，系统可以增加照明强度，以确保驾驶员能够在繁忙的交通环境中更好地观察周围环境；而在交通低谷期，系统可以适当降低照明强度，以节约能源。

再次，智慧型公路隧道照明系统还应该具备实时监测隧道环境的功能。通过安装温度、湿度、CO、NO2等传感器，系统可以实时监测隧道内的环境状况，并根据监测数据调整照明强度。例如，在湿度较高的环境下，系统可以增加照明强度，以帮助驾驶员更好地观察路面状况；而在温度较高的环境下，系统可以适当降低照明强度，以降低能耗。

最后，智慧型公路隧道照明系统还需要具备实时监测设备运行状态的功能。通过实时监测照明设备、传感器、控制器等设备的运行状态，系统可以在设备出现故障时及时发出报警信息，并通知相关人员进行维修。例如，当照明设备出现故障时，系统可以立即通知维护人员，以确保隧道内的照明安全。

5 结语

综上所述，借助物联网技术，智慧型公路隧道照明系统可以有效实现按需照明，提高照明质量，降低能耗，同时提高照明系统的管理水平。物联网技术在智慧型公路隧道照明系统中的应用对于推动绿色照明、节能减排以及提高公路隧道的运营效率具有重要意义。随着物联网技术的不断发展，在智慧型公路隧道照明系统中可以看到更多物联网技术的创新应用，从而推动智能城市建设和可持续发展。