高速公路隧道亮度检测控制照明系统

高速公路隧道亮度检测控制照明系统（精选5篇）

高速公路隧道亮度检测控制照明系统 篇1

公路隧道质量检测与控制研究-以十漫高速公路隧道为例

针对十漫高速公路隧道受两郧断裂带的影响,在隧道施工期间出现围岩大变形、坍塌、初期支护开裂及隧道涌水,且运营期间可能出现衬砌开裂、地下水下渗、偏压危害等一些质量问题,提出了相应的处理对策,并结合工程实际以及采用在现场进行锚杆拉拔力测试、超声波和地质雷达检测衬砌及混凝土质量等,提出了控制公路隧道质量的几个关键问题,建立了一个包括业主、设计、监理、施工各方共同参与的质量控制体系.

作 者：尤哲敏 陈建平YOU Zhe-min CHEN Jian-ping  作者单位：中国地质大学工程学院,武汉,430074 刊 名：安全与环境工程 英文刊名：SAFETY AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING 年，卷(期)： 16(4) 分类号：X93 U415.2 关键词：公路隧道   工程质量   质量检测   质量控制体系  

高速公路隧道亮度检测控制照明系统 篇2

公路隧道作为公路的一个特殊路段,其管状结构决定了洞内外亮度相差悬殊,具有污染严重、噪声大等缺点,降低了道路的通行能力,威胁到车辆的行车安全。为了提高这一瓶颈路段的通行能力,确保行车安全,需要科学设置灯光照明系统[1]。隧道照明与普通道路照明有着很大的不同,最大体现在白天也要照明,而且白天照明比夜间照明更加复杂。汽车驾驶员在白天从明亮的环境接近、进入和通过隧道的过程中,将发生种种特殊的视觉问题:进入隧道前,由于隧道内外亮度差别极大,从隧道外部去看照明很不充分的隧道,入口处会看到一个“黑洞”;汽车由明亮的外部进入隧道后,由于亮度的急剧变化,会出现视觉“适应的滞后现象”;在隧道出口处,出现极强的眩光,产生一个很亮的洞口,降低驾驶员的可见度。因此,隧道照明必须解决好驾驶员进入隧道的视觉适应问题。目前,隧道照明设计者依据规范通常把隧道分为入口段、过渡段、中间段和出口段等四个段来设计照明。各段的长度和照度是从全年行车安全要求出发,对洞内最大照度的设计是以全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定隧道内各段的灯具功率和灯具分布密度[2],无法实现对照明的按需和实时控制。在灯具使用上,高压钠灯具有寿命长、光效好、透雾性强等特点因而被普遍使用,新型节能灯具因技术和成本等原因还没有被推广。以上这种传统的照明设计存在着大量电能的浪费问题,本文即是针对当前隧道照明能源浪费的问题,在节能调光控制算法、控制系统的构建展开研究,以期最大限度地实现隧道照明的节能。

1 照明节能调光控制算法

算法原理:依据交通量及洞外亮度建立洞内亮度理论需求曲线,然后根据洞内亮度理论需求曲线进行灯具的动态调光控制。整个照明控制输出接近平滑曲线,可以快速响应跟踪照明需求曲线,得到最优的控制效果并能够达到节能的目的。

根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999),隧道照明设计分为以下几个区段:入口段、过渡段、中间段、出口段,如图一所示。因此自动控制算法中进行隧道照明理论需求曲线L的计算采用分段方式进行,将计算结果输出到控制接口。入口段、中间段、出口段为亮度需求直线,相应灯具为整体256级对数调光,对数调光曲线利用了人眼对低照度光比较敏感的特点,使整个调光区域看起来都像是线性调节。过渡段为亮度需求曲线,相应灯具为单256级对数调光。自动控制算法通常采用时间触发条件,每5~10min重新读取洞外亮度、交通量等参数,重新进行照明需求计算。

(1)入口段亮度需求Lth(cd/m2)

式(1)中:k—折减系数;L20—洞外亮度,(cd/m2)[3]。式中的k值可根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1—1999)确定,中间值可用插值法计算,见表一。

(2)中间段亮度需求Lin(cd/m2)

中间段亮度Lin见表二,用插值法计算不同交通量和计算行车速度时的中间段亮度Lin值。

(3)过渡段亮度Ltr(cd/m2)

当Dtr'≤x≤时Dtr,Lth=Lin;

式(2)中:x—过渡段上点到过渡段起点的距离(m);Dtr—过渡段长度(m);v—平均车速(m/s);D'tr—过渡段计算终点长度(m)。

(4)出口段亮度需求Lot(cd/m2)[3]

2 照明节能仿真系统方案设计

传统的隧道照明为实现各段的合理照明,按晴天、云天、阴天、重阴天加强照明和全日基本照明、白日基本照明、全日基本应急照明七种模式控制[4],控制方式过于简单,无法根据室外环境照度、交通流量、隧道内车辆行驶速度等参数实现照明的自适应控制,照明效果不佳,电能浪费严重。隧道照明节能智能控制系统在传统照明的基础上加入智能控制环节,将模糊控制技术应用到隧道照明系统的设计中,使整个隧道通风照明能自动适应车速、车流量和洞外环境气象等影响因素的变化,减少不需要的照明浪费。在灯具上使用大功率LED灯取代现阶段广泛使用的高压钠灯,真正实现了绿色照明。近年来,大功率LED照明有不断取代高压钠灯等常规照明设备的趋势,它具有以下优点:

(1)高效。同等亮度条件下使用LED照明耗能仅为白炽灯的10%,荧光灯的50%。

(2)寿命长。LED理论使用寿命为100000小时,是荧光灯的10倍,白炽灯的100倍。

(3)易调光控制。LED在调光性能上具有巨大的优势,可实现数字调光,尤其适合在隧道照明等需要调光的特殊场合。

在本仿真系统中,模型灯具采用白光LED,每个LED功率为1W,LED正向导通电压为3.5V,最亮时平均电流为350m A,LED调光控制是通过上位机发送调光信息产生PWM脉冲来实现的。

2.1 仿真隧道模型及灯具布置

仿真隧道分为入口段、过渡段、基本段和出口段,总长10m,隧道高1m,包含了一个完整隧道的基本部分。按照《公路隧道通风照明设计规范》的要求对各个照明段的长度进行计算,得到各段的长度为:入口段80cm,过渡段200cm,基本段670cm,出口段50cm。灯具对称布置,两边每隔20cm等间距排列。

2.2 系统整体设计

隧道照明控制通过上位机和本地控制器共同控制实现。上位机的照明控制有手动和自动两种控制模式,手动控制的优先权大于自动控制的优先权。手动方式是由操作人员自行指定上位机的输出结果;自动方式是上位机根据接收到的传感器信息,包括隧道口亮度、隧道内亮度、隧道口车速、隧道口车流量,通过照明控制程序计算输出各个照明回路的逻辑控制数据,并通过RS485总线传到隧道各段本地控制器中。控制器根据上位机的控制数据开启或者关闭相应的子回路,从而控制照明回路的照明。系统整体结构如图二所示。

本地控制器主要完成以下功能:(1)收集本段区域内检测设备检测的信息,包括光强传感器和车辆传感器等;(2)对收集的信息进行预处理并存储在本地的存储单元内;(3)将本地控制内处理好的信息数据上传给监控计算机;(4)接收监控计算机各种控制命令,并将控制命令和设备运行状态比较后,对功率控制模块发出相应的控制命令。

2.3 系统控制流程

系统主程序流程如图三所示。首先系统上电初始化各个模块,启动各处传感器模块,采集车辆及洞内外亮度信息,并将信息通过RS485总线传输到监控计算机,判断系统是否处于本地控制器手动控制状态,如果是在手动控制状态(系统出现故障或检修维护),则程序结束,由手动控制面板实现照明回路的控制;否则下一步检测隧道状态是否正常,不正常,则报警,并且调用特殊状态程序;正常则下一步检测总线通信是否正常,正常则调用远程监控计算机控制程序,否则调用本地控制器基本控制程序,然后输出回路控制命令。利用触摸屏显示隧道状态信息,同时将本地隧道状态信息发送给监控计算机。

3 结束语

隧道照明在交通照明中占据了很大比重,在全球都为节能减排而讨论对策的背景下,研究隧道照明节能系统有着非常重要的意义。本文在参考《公路隧道通风照明设计规范》的基础上改进传统的道路隧道照明,得出适合驾驶员视觉要求的隧道照明节能控制算法,充分应用LED照明灯具的节能优势,利用计算机和智能控制器展开隧道照明的自适应节能控制研究,可操作性强。经实验室仿真验证,具有良好的节能效果。

摘要：本文详细分析了当前公路隧道照明中存在的问题,针对公路隧道照明能源大量浪费的现状,深入开展对节能控制系统的研究。参照《公路隧道通风照明设计规范》,改进了照明调光控制算法;同时,将新型LED照明灯具应用在隧道照明中,设计完成了一套节能控制仿真系统方案,详细描述了该仿真系统的整体结构、控制流程。该仿真系统为隧道照明节能系统的实施做好了前期准备。

关键词：隧道照明,节能仿真,调光算法,系统结构,控制流程

参考文献

[1]赵忠杰.公路隧道机电工程[M].北京:人民交通出版社,2007:52-92.

[2]王文熙,郭奋勇.隧道照明节能分析与系统设计方案[J].中国交通信息产业,2003:23(10).

[3]重庆交通科研设计院.JTG D70—2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

高速公路隧道亮度检测控制照明系统 篇3

关键词：隧道照明；工序

概述

照明系统一般采用荧光灯、高压钠灯或LED灯，安装在行车道的上方及隧道横洞上方，以满足隧道内路面的平均照度和均匀度的要求；照明系统主要是隧道灯具的安装，包括基础测量定位、打孔，底座安装，灯具安装，灯具调整，管内配线，灯具接线，系统调试等工作。隧道作为高速公路的特殊路段，当车辆在驶入、通过和驶出隧道的过程中，会出现一系列的视觉问题，为适应视觉的变化，需设置附加电光照明。因而隧道照明工程在高速公路机电工程中占有重要的地位。

1、隧道照明灯具安装[1]

1.1 施工准备：主要施工机具（移动平台、运输车、电锤、榔头、扳手、接线工具、绝缘摇表、皮尺、划笔、水平尺、钢卷尺等）的准备。施工前对灯具进行详细检查；灯具规格型号符合设计要求，产品证书、合格证等齐全；外观无坏损现象，安装附件齐全、足够。根据施工图纸与现场实际情况，确定灯具安装方式，并在安装位置标出灯号，以防灯具安装混乱

1.2 测量：用标高尺、水平尺测量并用线绳标示出水平安装线。

1.3 划线定位：在灯具及桥架底座安装时首先是底座定位，根据高速公路隧道照明工程灯具、桥架安装设计的标准，灯具在入口段一般是1.1-1.2m一个灯，过渡段4-6m一个灯，基本段8-12m一灯，出口段和出口段的过渡段和入口段基本相同。那么在灯具较短时采用尺竿定位，一般在入口段、过渡段和出口段都可用尺竿定位。基本段可以在地面上用皮尺放点8-12m然后用吊线垂引上至隧道顶，如果是弯道可根据弯曲的程度把内弯灯具的距离适当放小，外弯的距离适当放大，这样可以保证灯具、桥架对称、整体协调、美观。灯具、桥架底座定位时不可离线、不能顶线，把底座的边要看的与线平行、看正在画眼的位置，打眼时一定要按照所划的点去打，不要跑位以免照成下一道工序的返工.

1.4 打眼：灯具眼位测量定位好之后，即可进行灯具的打眼工作。采用电钻或电锤，由熟练工人操作进行。电钻、电锤的电源采用发电机或洞内临时施工电源。

1.5 灯具支架安装：在已经确定的位置上安装灯具支架。安装时注意灯具的型号，灯具支架的孔距和相互距离；

1.6 灯具安装：按照图纸要求的型号，安装灯具。灯具安装前要将灯具打开检查，保证光源、触发器、整流器、电容安装完好；

1.7 接线：根据灯具接线表检查配电线路，确定所要连接的配电主干线；检查灯具使用的导线电压等级是否符合要求；按灯具安装接线图，用穿刺线夹分别将零线与相线接入主干线，并将灯具外壳的接地线应与接地干线可靠连接。

1.8 调试：检查各灯具接线是否牢固、正确，灯具内元器件是否良好，并形成记录；调整灯具安装角度，保持灯具外表面在同一平面上，灯具上、下表面在同一条线上；上述工作完成后即可固定灯具；通电调试，检查灯具各控制段、控制回路工作是否正常、正确。

1.9 回路调试正常后，将灯具尾线固定。固定时要求方式统一，线形整齐美观；

1.10 系统调试。

2电缆桥架安装

根据电缆桥架承重程度，分为单臂托架和双臂托架；

2.1 前期检查：察看测量隧道壁弧度，根据测量弧度定做桥架托臂底座安装角度。有明显落差的隧道壁须根据实际情况单独定做托臂（如紧急停车带须定做90度托臂以及相应的桥架弯头），保证桥架安装后整体水平、美观；

2.2 划线定位：按照图纸要求高度先确定桥架托臂安装位置，测量高度时要利用已经形成的参考物作为测量基础（如已经完工或初步完工的路面，道沿等），先画出一条基准线，然后根据托臂間距确定托臂安装位置；

2.3 桥架托臂安装：在已经确定的位置上安装桥架托臂，特殊的地方需要安装特殊定做的托臂，必要时进行托臂组装。初步调整托臂角度；

2.4 电缆桥架安装：安装电缆桥架。根据隧道弯曲程度可选择不同长度的桥架，较直隧道可选用长桥架（4米-6米），转弯处可选用短桥架（1米-2米）。桥架之间以及桥架与托臂之间要可靠固定，桥架之间要用接地线连接。调整托臂角度，使桥架平直、美观，可多个角度进行观察调整。

3 隧道照明设计的原则[3]

为解决车辆驶入或驶出隧道时亮度的突变使视觉产生的“黑洞效应”或“白洞效应”，许多国家各自确定了一些设计原则和标准：如美国IES、英国BS、日本《隧道照明设计指南》、国际照明协会的CIE标准以及中国的《公路隧道设计规范》等。共同遵守的设计原则可以归纳为以下几点：

（1）隧道内不管是白天或夜间均需设基本照明；

（2）白天车辆进入隧道时，路面亮度应逐渐下降，使司机的视觉有一个适应过程，将入口段分为引入段、适应段和过渡段；

（3）确定引入段、适应段和过渡段的长度（S），通常按车速（V）以T=2s的适应时间来确定，可用S=VT/3.6（m）来估算；

（4）出口段也应设过渡照明，在双向交通情况下和入口段相同；

（5）夜间出入口不设加强照明，洞外应设路灯照明，亮度不低于洞内基本亮度的1/2；隧道内应设应急照明，其亮度不低于基本亮度的1/10。

4.隧道各阶段的灯管视觉设计

下图是隧道各阶段的分布及视觉响应

4.1临近段L20[4]

驾驶员驶向隧道时在临近段眼睛调适的亮度决定了隧道内阈值段的亮度要

求，在此应该考虑两种调适亮度：临近段的亮度和等效环境亮度、天空亮度.对处于离隧道口安全刹车距离处的驾驶员而言，也就是临进段的最小长度，其感受的临近段亮度等于以隧道四分之一高度为底部圆心，以眼睛为顶点的2x100圆锥视野范围内的平均。

对大多数隧道类型，可以采取各種措施来降低临近段的亮度，如使用粗糙的深色材料来处理临近段路面、隧道口立面和近隧道口的墙面（如水底隧道）；在和

入口相邻的地方或入口上方植树来遮蔽明亮的天空，或者将隧道口建造的尽可能高大，这样就可以降低隧道内的亮度，便于节能。

在实际操作中，根据隧道类型和采取的措施的不同，隧道临近段的最高亮度在约3000cd/m2 至超过8000cd/m2之间。

4.2加强段

加强段是隧道内四个区段的第一段，在临近段行驶的驾驶员进入隧道前必须能看见入口处的路面情况，消除“黑洞”现象。

加强段的长度取决于隧道设计的最高时速，至少与最高速度时的安全刹车距离（SSD）相等.这是因为在此段最远端的路面应当为在安全刹车距离外准备进入隧道的驾驶员能看清障碍物作为背景。

为使驾驶员维持良好的视觉状态，确保安全，在隧道入口处的开头需要相对较高的亮度，此亮度是临近段亮度L20的函数。

4.3过渡段

经过照明水平相对高的加强段，隧道内的照明可以逐步降低到很低的水平，这段渐降的区域就是过渡段。

过渡段的长度取决于设计最高时速和入口段尾部与内部段的照明水平的差别。

过渡段沿隧道轴向的亮度分布由以下公式决定，长度由曲线的标示和车速决定：Ltr=Lth（1.9+t）-1.4 [5]

4.4内部段

内部段即隧道内远离外部自然光照影响的区域，驾驶员的视觉只受隧道内照明的影响.该段只需提供合适的亮度水平，具体数值由交通流量和车辆时速决定. 内部段的照明无需任何变化，只要提供均一的稍高于普通开放式道路照明水平的亮度即可。

4.5出口段

出口段是单向隧道的最后区段，接近出口的驾驶员视觉受隧道外亮度的影响.

由于人眼从暗向明视觉的调节速度极快，所以，隧道出口并不需为视觉适应增设照明。但是，为使驾驶员在明亮出口的视觉背景下可清晰看见前面大车阴影中的小车，以及离开出口时有良好的后向视觉，或为应急时和维护时可双向运行，可以使出口的照明和入口照明保持对称布置.出口段照明需将隧道最后的60米区域的亮度提高到内部段亮度水平的五倍即可。

下图是隧道灯光实景图

5隧道的夜间照明及应急照明

对于夜晚照明而言，入口照明相应地减少，而出口段，则由于隧道外的照明比隧道的内部段照明更低，在夜晚会出现“黑洞”现象，因此，一般应设置过渡段，逐渐减低照明水平直至达到外部道路的夜间照明水平。

表5-1日本隧道照明标准的夜间出口过渡照明

应急照明应使用独立于主照明的电源供电，在停电后自动接入，启动应急照明。应急照明的照度一般应为正常照明的1/5。如果是长时间停电，还应提供入口处的信号照明，以警告驾驶员放慢车速，减少事故发生的可能性。同时还应设诱导照明，在隧道内壁上等间隔布灯，指明隧道内壁位置和隧道的走向。

参考文献：

[1]张亚林.高速公路中短隧道照明研究[D].湖南大学.2008年

[2]杨坚.隧道照明设计浅谈[J].林业建设.2008年03期

[3]李建国.让LED在隧道照明应用中智能化[J].交通世界（运输.车辆）.2011年08期

[4]交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册·路基北京.人民交通出版社.1996.

高速公路隧道亮度检测控制照明系统 篇4

1 隧道灯具的选择, 直接影响隧道照明能耗

随着科学技术的发展, 照明光源的种类也在日新月异的变化。金属卤化物灯、荧光灯、低压钠灯、高压钠灯、高压汞灯还有最新的LED灯都被广泛应用于隧道的照明当中。目前, 高压钠灯及LED灯是应用最广泛的两种照明灯具。

1.1 高压钠灯的原理及应用

高压钠灯是一种靠金属气化发光的灯具。当灯泡启动后, 电弧管两端电极之间产生电弧, 由于电弧的高温作用使管内的钠受热蒸发为钠蒸汽, 阴极发射的电子向阳极运动过程中, 撞击放电物质的原子, 使其获得能量产生电离激发, 然后由激发态回到稳定态;或由电离态变为激发态, 再回到稳定态, 无限循环, 多余的能量以光辐射的形态释放, 便产生了光。

高压钠灯作为传统照明光源由于其光效高, 造价低廉, 透雾性能好等特点, 目前仍然是隧道照明中普遍采用的照明方式。

但是由于灯泡的结构决定了灯具的光源利用率低, 必须依靠特殊的光学反射装置也才能保证利用率达到50%左右。而且高压钠灯由于其发光原理无法进行热启动只能冷启动且启动时间较长;功率大, 所以其能耗较高, 寿命较短, 照明强度受电压的影响较大。在偏远及供电不稳的地方不易使用。

1.2 LED灯的原理及应用

LED灯采用发光二极管为主要发光元件, 它可以直接把电转化为光。它的主体是由一个晶片半导体, 而晶片是一个P型半导体和一个N型半导体组成。P型半导体是空穴占主导, 而N型半导体则是电子占主导, 把P型半导体和N型半导体链接起来, 它们就组成了“P-N节”。当电流作用于晶片半导体时, 电子就会由N区被推向P区, 然后与P区的空穴复合, 然后电子就会转变成光子的形式发出能量, 晶片半导体就会发光。

LED作为一种新型光源, 它有着寿命长, 启动快, 能耗低等优点。由于其特性它能100%地把电能转化成光能, 所以决定了其高光效的特性。LED灯正在各种环境中得到广泛的应用, 也逐步取代传统照明设施在市场中的主导地位。LED灯见图2。

1.3 高压钠灯与LED灯的耗能比较

隧道照明设施既要有效减小驾驶员视觉上的黑、白洞效应, 也要满足隧道内有足够的亮度要求。既要保证隧道内亮度, 还能有效的降低驾驶员的心理压抑感。保证行驶安全, 降低事故发生率。

辽宁202国道黑大线铁背山隧道。隧道长179m, 宽9m, 高6m, 双向两车道, 沥青混凝土路面。针对此次铁背山隧道的照明设施施工及后期应用情况, 并综合考虑各类因素, 充分比较高压钠灯和LED灯的各方面差异。详见表1:

从表1可以看出LED灯在能耗、光照强度、启动时间和工作寿命等方面均优于高压钠灯。

1.4 高压钠灯与LED灯的经济性对比

就铁背山隧道照明设施安装工程, 灯具数量36盏, 灯具间隔5m, 灯具排列形式为顶置单排。

此次就用安装工程所选用的45WLED照明灯组和与之光照强度相当的250W的高压钠灯对节能方面进行比较, 见表2。

通过对两种照明设施的比较, 我们不难看出, 使用LED灯具比使用传统的高压钠灯, 将使隧道照明的能量消耗大大减少。

1.5 两种隧道照明设施对隧道照明控制的影响

灯具是实现隧道照明系统节能的关键, 它不仅决定了灯具直接耗能的大小, 同时也影响隧道照明控制系统的工作方式, 从而也直接影响了隧道照明系统的节能效率和使用寿命。传统隧道照明使用的高压钠灯光源是电压型控制器件, 当电压达不到额定电压时, 高压钠灯无法点亮, 并且高压钠灯加电后一般要经过5~10min才能辐射出额定光通量。因此, 采用高压钠灯的隧道照明控制都是通过对部分灯的电源通断进行控制, 导致不同照明区段灯具的工作时间会有较大差异, 如基本段照明灯几乎常年点亮, 入口段、过渡段、出口加强段照明灯的工作时间在白天随洞外亮度变化而变化, 夜间则全部处于关闭状态。LED灯的发光器件是电流型控制器件, 其光电转换速度小于0.1s, 在灯具额定参数范围内, 只要能够提供不同的直流电, 瞬间就可以得到不同的照明亮度, 这是高压钠灯无法比拟的。

2 设计参数选择不当, 直接影响隧道照明效率

交通量、洞外亮度、养护系数等是照明控制的重要设计参数, 其选择的合理性直接影响隧道照明系统的能量利用效率。

2.1 交通量的选取对隧道照明的影响

交通量是决定隧道入口段照明和基本段照明亮度的主要参数之一。《公路隧道通风照明设计规范》 (JTJ026-1999) 规定隧道照明按开通后的第10年交通量设计。由于开通初期的交通量和开通10年后的交通量相差很大, 因此, 按开通10年后的交通量进行照明设计, 直接造成了隧道照明工程初期投资大, 过度照明严重, 造成大量能量浪费。

2014年交通部根据隧道工程存在的问题, 组织相关单位对相关规范进行了修订, 重新颁布了《公路隧道设计规范》, 对原规范中存在的问题进行了修改, 但新规范对隧道照明设计交通量的年限还是没有具体规定, 合理选择设计交通量是隧道照明系统建设需要认真考虑的问题。

2.2 洞外亮度的固化造成隧道照明能源的浪费

洞外亮度L20 (S) 是隧道照明系统的设计基准之一, 洞外亮度L20 (S) 的正确设定, 对工程投资和运营电费都有极大的影响。隧道入口段亮度按现行规范采用如下公式计算:

式中, Lth为入口段亮度, k为入口段亮度折减系数, L20 (S) 为洞外亮度。在隧道照明设计阶段, 隧道洞外亮度L20 (S) 在多数情况下无法实测得到, 一般按查表法获取洞外亮度L20 (S) 值。即隧道照明设计将洞外亮度值固化了, 没有考虑洞外环境因素, 如洞口附近地形、洞口朝向、洞口附近视野、洞口植被、洞口平面线形和气候条件等对洞外亮度的影响。查表获取的洞外亮度L20 (S) 值与实际值存在很大的偏差。根据《公路隧道通风照明的设计规范》要求, 当土建施工的隧道洞口成型后, 设计人员应对洞外亮度L20 (S) 进行实测, 设计的L20 (S) 值与实际值误差大于±25%时, 必须对设计的值进行修正。但在实际工程设计中很少做到。以晴天照明为例, 晴天是以夏天晴天中午的最大值来取值的, 每年实际达到这一亮度值的时间不足5%。仅这种浪费, 通常就高达30%~70%。

2.3 养护系数造成隧道的过度照明

养护系数是指隧道灯在使用一定周期后, 在规定表面上的平均照度或平均亮度与该灯在相同条件下新装时所得到的平均照度或平均亮度之比。隧道运营初期, 由于养护系数造成初期的过度照明, 一般情况下, 养护系数取值为0.7时, 其初期的过度照明高达43%。

2.4 分级照明控制方式, 直接影响隧道照明系统效率

我国目前隧道照明控制主要采用分级调光的控制方式。这种方式是根据洞外亮度将隧道照明分为6级调光照明, 即白天四级, 夜晚二级。这种分级照明只是粗略地考虑了洞外亮度对照明的影响因素, 每个级别隧道洞内照度都是从全年行车安全要求出发, 采用级别中的全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定隧道内各段的灯具功率最大亮度, 最终各段照明的长度和照度也始终是处于最大值状态。对于天气、车速、车流量等时变参数无法从宏观上对整个隧道的照明系统进行自适应方式的调节控制。因此, 目前这种隧道照明系统存在着大量电能浪费问题。

3 提高隧道照明系统节能效率的途径

(1) 科学选择设计参数, 确保照明系统节能高效

2014年颁布的《公路隧道设计规范》第二册 (交通工程与附属设施) 中明确规定:公路隧道照明设施的分段包含入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明, 公路隧道入口段、过渡段、出口段照明应由基本照明和加强照明组成, 基本照明应与中间段照明一致。从规范的要求中不难看出, 中间段照明贯穿隧道全程, 因此合理确定中间段亮度是隧道照明节能的关键。表3为新版规范对中间段亮度的规定。

从表3我们可以清楚看到设计速度是决定隧道中间段亮度的关键因素。在交通量的三个分段中, 设计时速不同档次, 对应的亮度要求差别很大。以往部分隧道设计中, 为追求高标准, 常将高速公路设计时速作为隧道照明的设计时速。表面上看是保证了隧道内、外运行速度的连续性, 但实际是存在安全隐患的。因为隧道内由于净空限制, 是无法保证对应的路侧紧急停车带等安全宽度要求的, 因此, 通常隧道的设计时速, 应低于高速公路设计时速。在隧道入口前通过设置限速标志, 告知用路人按规定速度通过隧道。这种方式既换来了大幅度的能源节约, 同时也保障了行车安全。

设计交通量是入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明设计的又一决定因素。隧道照明系统是机电系统的一部分, 它既要考虑隧道照明系统的亮度要求, 又要考虑隧道照明系统分期建设成本及相关设备的使用寿命。参照高速公路机电系统设计年限, 隧道照明系统宜采用3~5年的预测交通量为设计交通量。目前吉林、辽宁等省出台的《公路隧道LED照明设计规范》地方标准都要求公路隧道LED照明设计取隧道通车3~5年的预测交通量作为设计交通量。隧道照明供电线路工程, 由于是隐蔽工程, 建设难度大, 且电缆寿命一般大于10年, 因此隧道照明供电线路工程设计宜采用10年预测交通量。

设计交通量由10年改为3~5年, 将使隧道入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明的设计亮度大大降低, 从而在保障行车安全的条件下大大减少了隧道照明系统的初期建设规模, 降低了隧道照明系统的能量消耗。

(2) 优化隧道照明控制系统设计, 实现隧道照明控制的精细化

由于隧道LED灯的亮度完全可以通过改变工作电流实现自由调节, 这就为根据隧道洞外亮度、交通量、车速等变化因素按需照明控制提供了条件, 为隧道照明从粗犷的有级控制向精细化的无级控制演变奠定了基础。配合洞外亮度、洞内亮度检测设备, 以及交通量检测设备, 通过公路隧道LED智能化照明控制装置, 对照明灯具进行精细的亮度调节, 隧道内需要多亮, 系统就实时地调至多亮, 大大消除了由于养护系数、交通量、洞外亮度等因素造成的过度照明, 其带来的节能效果是非常可观的。从安徽省、贵州省隧道照明的实践对比看, LED分级调光照明系统比高压钠灯分级调光照明系统相比节能60%~70%, 而LED无级调光照明系统比LED分级调光照明系统还要节能34.7%。

目前辽宁省和其他省份一样, 正在逐步推广隧道LED无级照明控制技术在隧道照明中的应用。

(3) 合理设置安全设施, 辅助隧道照明节能

隧道照明系统的节能既与隧道照明系统自身相关, 也与其它相关设施的密切配合有关。在优化隧道照明系统基础上, 还可通过设置安全设施辅助隧道节能。具体措施如下:

在隧道入口前设置提醒机动车驾驶员开启前大灯行驶通过隧道的标志, 使进入隧道的车辆开启前照灯, 增加隧道亮度, 从而减少隧道照明系统的自身发光亮度。

在隧道洞壁增设反光轮廓标, 这种无源反光设施通过反射车辆前照灯的光线, 增加了隧道内亮度, 并清晰显示出隧道洞壁轮廓。山西、吉林等省份采用此方式, 收到了很好的节能效果。

对隧道检修道顶面上2m范围内侧壁材料应保证其反光系数不低于0.5, 在美化隧道洞内环境的同时, 也增加了隧道反光效果。

4 结语

综上所述, 隧道照明系统的节能涉及多个方面, 只要从灯具选择、养护系数、交通量、环境亮度、照明控制、辅助设施等多个因素综合考虑, 并从设计、施工、运营多个环节进行综合控制和管理, 就一定能够降低隧道照明系统的能源消耗, 助推“绿色交通”的早日实现。

摘要：隧道灯具、设计参数等因素直接影响隧道照明的能耗和照明效率, 隧道照明系统的节能涉及很多方面, 阐述了提高隧道照明系统节能的有效途径, 为改变传统的隧道照明方法提供参考。

关键词：高压钠灯,LED灯组,过度照明,无级控制,养护系数,洞外亮度,车流量

参考文献

[1]中华人民共和国交通运输部.JTG D70/2-2014公路隧道设计规范:第二册交通工程与附属设施[S].北京:人民交通出版社, 2014.

[2]中华人民共和国交通运输部.JTG/T D70/2-01-2014公路隧道照明设计细则[S].北京:人民交通出版社, 2014.

[3]蒋海峰, 文涛, 吕晓峰.隧道LED照明精细化调光控制技术及实证研究[J].交通节能与环保, 2013 (2) .

高速公路隧道亮度检测控制照明系统 篇5

1 系统硬件设计

整个隧道照明无线控制系统由如下部分组成:监测控制计算机、主机Zigbee收发模块、Zigbee无线节点网络、无线传感器模块、可编程控制器PLCS7-200、无线控制LED灯具模块。其结构如图1所示。

系统工作流程如下:首先车辆传感器采集车速和车流量信息,同时光强传感器采集洞内外亮度信息,经过信号调理由Zigbee无线模块CC2430处理后发送出去,通过通信节点网络传输到监测控制计算机。监测控制计算机通过无线模块CC2430接收车速、车流量以及洞内外亮度数据信息,作为系统控制输入参数,然后通过模糊神经网络算法进行控制运算得出各照明回路控制数据,将控制数据通过工业以太网直接传送给PLC,或经Zigbee无线传输的方式先传送到CC240模块,然后通过RS-485总线将数据传输给本地控制PLC,PLC再控制功率控制模块实现对照明回路的无极调光或开关控制。

1.1 PLC控制器S7-200

系统PLC模块选用西门子公司S7-200系列CPU224CN(AC/DC/RELAY),并扩展了CP243-1模块(工业以太网模块)、EM222CNRELAY模块(继电器输出模块)。主要完成以下功能[1]:(1)收集本段区域内检测设备检测的信息,包括光强传感器和车辆传感器等;(2)对收集的信息进行预处理并存储在本地的存储单元内;(3)将本地控制器处理好的信息数据上传给监控计算机;(4)接收监控计算机各种控制命令,并将控制命令和设备运行状态比较后,向功率控制模块发出相应的控制命令;(5)本地控制器设有手动控制模块,手动操作界面采用触摸屏SIMATIC TP 170A,当通信中断且无线传感器网络故障或系统故障或维护时,可采用手动控制,且手动控制优先;(6)存储基本控制程序以及特殊程序。当与监控计算机通信中断时,可启用本地控制器的基本控制程序进行自动控制。特殊程序包括交通事故处理程序、火灾处理程序等。本地控制PLC,一方面通过工业以太网形成环网,与其他本地控制器及监控计算机进行通信;另一方面通过无线模块CC2430接收检测设备信息,同时可通过CC2430与其他本地控制器进行通信。

1.2 Zigbee无线模块CC2430

Zigbee无线连接技术,具有低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离传输、高安全可靠性、高网络容量等特点。系统采用基于Zigbee技术的CC2430无线模块,实现系统的无线数据传输和控制。CC2430是Chipcon公司提供的全球首款具有支持Zigbee协议的So C解决方案[2]的芯片:在单个芯片上整合了Zigbee射频(RF)前端、内存和微控制器,具有21个可编程I/O引脚,通过软件设定一组SFR寄存器的位和字,可使这些引脚作为通常的I/O口,也可作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。将CC2430的I/O设置成USART,通过MAX3485电平转换芯片后,以RS-485总线形式与S7-200进行通信,其具体接口如图2所示。

1.3 无线传感器节点模块

系统的输入数据(车速、车流量、洞外亮度)都是通过无线传感器节点模块进行采集,然后发送至DSP控制器。无线传感器节点模块主要由车辆探测器、信号调理整形电路、光强传感器、Zigbee无线模块CC2430组成,如图3所示。

系统采用性能稳定、性价比高、工程应用方便的感应线圈式检测器来检测车速和车流量信息。无线传感器模块由环形线圈、耦合振荡电路和信号调理整形电路组成[3]。通过检测由环形线圈构成的耦合电路的振荡频率来判断车辆信息。耦合振荡电路采用如图3所示的电容反馈三点式振荡电路。图中,2个反接的稳压管HZ4C2抑制正弦振荡信号输出在-5V~+5V范围内,耦合变压器原副边匝数比为1∶1,二极管P6KE12CA用于消除由静电等原因引起的瞬间电压影响。正弦振荡信号经过比较器MC34072AP整形成脉冲方波信号,然后输入到CC2430模块的微处理器的计数单元。

隧道洞内外环境亮度传感器采用TAOS公司的TSL2561[4],是一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。芯片内部集成了积分式A/D转换器,采用数字信号输出,因此抗干扰能力比同类芯片强。该芯片可用于各类显示屏的监控,各种环境照明控制等。TLS2561具有标准的I2C总线接口,微控制器可通过I2C访问内部寄存器,对其操作控制。TSL2561与CC2430硬件接口电路如图3所示。

无线传感器节点模块中仍采用基于Zigbee技术的无线模块CC2430作为数据无线射频收发器,其外围电路如图2所示,与车辆传感器及光强传感器TSL2561的接口如图3所示。

1.4 无线控制LED灯具模块

无线控制LED与传统的高压钠灯、荧光灯不同,其亮度控制简单有效,可以在灯亮度的0~100%之间进行快速调节,而不会影响LED灯寿命。根据隧道照明的需求,改变LED亮度,具有巨大的节能潜力。但目前已采用LED的隧道中,对LED灯的布置和控制方式仍是按传统的高压钠灯方式进行,不能将LED灯的亮度调节和功耗调节简单的优势发挥出来。而本系统将LED电源模块和Zigbee无线通信模块相结合控制LED灯具亮度,其灯具模块结构如图4所示。LED点阵灯具电源模块将交流输入经桥式整流电路整流成直流,在经电流型或电压型DC-DC模块后,提供稳定、合适的LED输入电压或电流;将灯具模块增加CC2430无线通信模块,可以将所有的LED灯具组成一个无线控制网络,每个LED灯都是网络中的一个节点,都有唯一的网络ID。一方面灯具模块可以通过CC2430无线模块接收调光控制命令,结合DC-DC模块,调节电压或电流输出,从而实现对LED灯具的调光控制;另一方面可以将灯具的状态信息,如功耗、工作情况、执行指令情况发送到通信网络上,上传至监控计算机。

2 系统软件设计

2.1 系统主程序流程

系统主程序流程如图5所示。首先系统上电初始化各个模块,启动各处无线传感器模块,采集车辆及洞内外亮度信息,并将信息通过无线通信节点或传输给本地控制器由工业以太网发送出去,判断系统是否处于本地控制器手动控制状态,如果是在手动控制状态(系统出现故障或检修维护),则程序结束,由面板实现照明回路的控制;否则,检测隧道状态是否正常。如果不正常则报警,并且调用特殊状态程序;如果正常,则检测工业以太网通信是否正常;如果正常,则调用远程监控计算机控制程序,否则调用本地控制器基本控制程序,然后输出回路控制命令。利用触摸屏显示隧道状态信息,同时利用以太网或无线模块将本地隧道状态信息发送给监控计算机。

2.2 隧道照明控制方法

2.2.1 传统照明控制方法

目前,国内的隧道照明的控制方式都是利用灯具的不同排列组合和现场控制器提供的自动或手动控制信号对照明灯进行逻辑控制,使其产生所需光强分布的亮度。虽然这些控制方法的控制程序和线路设计简单,灯具选择灵活,维修保养容易,但控制系统主要存在以下2个问题:

(1)隧道照明系统在设计阶段采用保守预估的方法[5],考虑光源衰减,乘以0.6~0.7的系数,并且对洞外亮度、车速、车流量等参数都以最大值来设计系统,使在运行过程中,各段照明照度却始终处于最大值状态。因此,隧道照明系统具有较大的节能改进空间。

(2)隧道照明系统未采用洞内亮度反馈控制,既不知道照度是否满足要求,不利于行车安全,造成电能浪费。

2.2.2 模糊神经网络控制调光法

模糊控制是以模仿人的模糊综合判断推理来处理常规方法难以解决的模糊信息处理难题的方法,能对那些复杂的具有非线性、甚至根本无法建立精确数学模型的系统进行有效而精确的控制,但不具备学习自适应能力;而神经网络以生物神经网络为模拟基础,具有自适应和自学习能力,但不善于表达基于规则的知识。因此,将模糊控制和神经网络相结合构成的模糊神经网络充分利用了两者的优点,弥补了各自的不足,能很好地解决隧道照明控制的问题。本系统采用的模糊神经网络调光法是在实时自动直接控制调光方案的基础上,以洞外亮度、车速及车流量作为控制系统的输入参数,通过基于专家经验的模糊规则判断,输出照明回路的调光命令,实现实时自动调节隧道照明亮度;同时将洞内亮度反馈给系统,进行比较学习,再将行车人员的反馈信息样本输入系统,通过神经网络学习,不断修改和完善控制规则,提高了隧道照明的安全性、适应性,且可大大节省照明运营电能的成本。

2.3 隧道照明模糊神经网络

2.3.1 隧道照明模糊神经网络模型构造

本方案采用结构等价型模糊神经网络,即根据模糊系统的结构,决定等价结构的神经网络,使其每个节点对应模糊系统的一部分,如模糊化或模糊推理等过程。本方案主要用于自适应控制,因此采用了多层前向BP网络,共由(A)~(E)5层组成。其中,(A)层为输入层,接收语言变量的输入,输入量为车速、车流量和洞外亮度;(B)层为隶属函数生成层,实现模糊化操作;(C)层为规则前件匹配层,计算每条规则的适用度;(D)层为规则结论层,对相同的规则后件进行综合;(E)层为输出层,实现反模糊化操作,输出量为回路的调光数值。

2.3.2 隧道照明模糊神经网络程序设计

模糊神经网络学习算法包括自组织学习阶段和有教师学习阶段。自组织学习阶段的任务主要是进行模糊控制规则的自组织、输入输出语言变量各语言值隶属函数参数的预辨识,以得到一个符合该被控对象的模糊控制规则和初步的隶属函数分布。而有教师学习阶段的任务主要是利用训练样本数据实现输入、输出语言变量各语言值隶属函数的最佳调整。BP神经网络,基于误差传递算法,须通过学习样本与教师样本得出输出层误差,通过每层的误差传递调整神经网络,改变输出误差,以使输出误差小于给定误差指标。模糊神经网络程序设计及训练流程如图6所示。

本文提出了一种基于模糊神经网络的无线隧道照明控制系统的实现方案。系统以监控计算机、PLC控制器和CC2430作为基本的硬件实现平台,采用模糊神经网络作为隧道照明调光控制算法,系统通过基于CC2430模块的无线传感器模块采集车流量、车速及洞内外亮度信息作为系统的输入参数,系统进行控制运算后输出照明调光控制命令,通过Zigbee无线网络传输至LED灯具模块,结合功率控制器实现无线照明调光控制。隧道照明的状态信息能通过触摸屏显示,并且还可以通过以太网或CC2430模块无线发送至监控计算机,实现对隧道照明的监控和管理。实验证明,系统可靠,自适应性强,不仅能满足隧道照明的安全要求,而且提高了隧道照明的舒适度,其运营成本较低,节能效果明显,该方案具有较高的实用性和推广价值。

参考文献

[1]张良.PLC在高速公路隧道监控系统中的应用[J].微计算机信息,2004(2):83-85.

[2]Chipcon.SmartRF CC2430[EB/OL].www.chipcon.com,2005/2006.

[3]臧利林,贾磊.基于环形线圈车辆检测系统的研究与设计[J].仪器仪表学报,2004(4):329-331.

[4]姜连祥,汪小燕.基于光强传感器TLS256x的感测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(12):43-45.