葉傳宗，秦會(huì)斌，胡葉舟

（杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江杭州310018）

0 引言

高速公路隧道不同于普通的路段，其內(nèi)部和外界的光線亮度相差非常大，駕駛員在進(jìn)入隧道和離開隧道時(shí)，容易因?yàn)楣饩€亮度的劇烈變化導(dǎo)致不適甚至引起駕駛安全問(wèn)題，因此需要在隧道中通過(guò)燈具照明來(lái)提供合適的亮度。同時(shí)考慮到燈具使用過(guò)程中存在的亮度衰減問(wèn)題，使用一段時(shí)間后，需要維護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)，過(guò)程較為繁瑣，不利于隧道的運(yùn)營(yíng)。

為了解決隧道照明中存在的這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了可以根據(jù)當(dāng)前洞外環(huán)境參數(shù)的變化，對(duì)隧道內(nèi)燈具進(jìn)行智能調(diào)光并且具有閉環(huán)反饋功能的隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體介紹

隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程為：首先，工作人員根據(jù)需求設(shè)置相應(yīng)采集時(shí)間參數(shù)并將命令發(fā)送給采集模塊，洞外的環(huán)境探頭和車檢器采集隧道洞口的參數(shù)，通過(guò)RS485傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊中。接著，監(jiān)控軟件對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、處理、分析，以公路隧道照明細(xì)則為基礎(chǔ)，計(jì)算出隧道各段路面所需要的亮度值?？紤]到燈具在使用過(guò)程中的亮度衰減，為了減少誤差，監(jiān)控軟件同時(shí)會(huì)采集隧道洞內(nèi)的實(shí)際亮度值，將實(shí)際亮度值與計(jì)算亮度值作為增量PID算法的兩個(gè)輸入，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋功能。最后將PID算法的結(jié)果轉(zhuǎn)為相應(yīng)的命令碼發(fā)送到調(diào)光控制模塊中。調(diào)光控制模塊接收到命令之后，對(duì)燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證燈具亮度能夠滿足實(shí)際需求。

圖1 隧道照明監(jiān)控軟件的硬件結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

隧道照明監(jiān)控軟件需要硬件系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，硬件系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和照明調(diào)光模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要由洞外環(huán)境探頭、洞內(nèi)環(huán)境探頭、車檢器組成。照明調(diào)光模塊主要由回路開關(guān)控制器和調(diào)光驅(qū)動(dòng)器組成[3]。

（1）洞外環(huán)境探頭

洞外環(huán)境探頭安裝在隧道洞口，主要作用是根據(jù)設(shè)置的參數(shù)定時(shí)采集隧道洞口外的亮度值、色溫值、溫濕度值、GPS數(shù)據(jù)。其中亮度值是對(duì)調(diào)光結(jié)果有直接影響的參數(shù)。

（2）洞內(nèi)環(huán)境探頭

洞內(nèi)環(huán)境探頭安裝在隧道內(nèi)部，主要作用是采集隧道洞內(nèi)的亮度值、色溫值，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)閉環(huán)反饋功能的硬件基礎(chǔ)之一。

（3）車檢器

車檢器主要由紅外探測(cè)器、線圈車輛檢測(cè)器等組成，用于檢測(cè)當(dāng)前的車流量值以及車速大小，作為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的一部分。

（4）回路開關(guān)控制器

回路開關(guān)控制器由STM32芯片為核心組成，主要作用是控制每個(gè)照明段回路的供電開關(guān)。

（5）調(diào)光驅(qū)動(dòng)器

調(diào)光驅(qū)動(dòng)器采用STM32芯片為核心，主要作用是通過(guò)接收到的命令碼對(duì)燈具的亮度、色溫進(jìn)行具體調(diào)節(jié)，同時(shí)還具備查詢當(dāng)前功率值的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

隧道照明監(jiān)控軟件采用基于C#語(yǔ)言的Winform技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)清晰直觀，快捷簡(jiǎn)單，有著豐富的技術(shù)支持，主要使用其中的Serial Port類實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信功能。將Serial Port類的波特率設(shè)置為9600bps，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，無(wú)校驗(yàn)位即可完成串口初始化配置。該類可以通過(guò)一系列的屬性、方法、事件和用戶之間進(jìn)行交互，具有實(shí)時(shí)性好，通信快速等特點(diǎn)[4]。

軟件由用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、閉環(huán)反饋模塊、調(diào)光指令發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 隧道照明監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖

3.1 用戶登錄模塊

用戶登錄模塊的作用是確認(rèn)登入人身份，保證軟件是由相關(guān)的工作人員進(jìn)行操作處理，防止誤操作，從而提高安全性。登入成功后，對(duì)監(jiān)控軟件進(jìn)行初始化操作，比如選擇相應(yīng)的串口號(hào)、查詢?cè)摼€路上的所有硬件信息等。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊[5]

數(shù)據(jù)處理模塊首先接收車檢器、洞外環(huán)境探頭發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，如車檢器沒(méi)有檢測(cè)到車輛經(jīng)過(guò)，則數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)調(diào)光控制模塊發(fā)送命令給照明調(diào)光控制器，將隧道內(nèi)部燈具的亮度降到額定功率的10%。如果車檢器接收到數(shù)據(jù)，有車輛經(jīng)過(guò)，那么監(jiān)控軟件將根據(jù)洞外環(huán)境探頭發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并結(jié)合公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則計(jì)算隧道各段的需求亮度。數(shù)據(jù)處理模塊流程如圖3所示，系統(tǒng)接收到洞外環(huán)境探頭發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，根據(jù)公路隧道照明細(xì)則的具體要求計(jì)算入口段1、入口段2、過(guò)渡段、中間段、出口段1、出口段2所需的亮度值，最后將結(jié)果輸入到閉環(huán)反饋系統(tǒng)中。其中K表示入口段折減系數(shù)，K值從公路隧道照明細(xì)則中根據(jù)車流量、車速、色溫值等因素來(lái)決定，L20表示洞外實(shí)時(shí)亮度值，Lth1表示入口段1的亮度值，Lth2表示入口段2的亮度值，Lth3表示過(guò)渡段亮度值，Lin表示中間段亮度值，Lex1表示出口段1的亮度值，Lex2表示出口段2的亮度值[6]。

3.3 閉環(huán)反饋模塊[7]

圖3 數(shù)據(jù)處理模塊流程圖

閉環(huán)反饋采用增量式PID算法，主要是考慮到燈具亮度的衰減問(wèn)題，隧道內(nèi)的實(shí)際亮度和需求亮度可能存在差異，為了減少這種誤差，我們將洞外環(huán)境探頭接收到的亮度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理后與洞內(nèi)環(huán)境探頭的亮度值作為PID控制算法的兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)，重新計(jì)算燈具的照明控制亮度，使得隧道內(nèi)的亮度達(dá)到需求，從而減少誤差。

增量式PID算法的公式為：

其中：Uk為當(dāng)前時(shí)刻輸出的值；Uk-1為上一次輸出的值；ek為當(dāng)前次的誤差；ek-1為上一次誤差；ek-2為上上一次誤差；T為采樣周期；Tp為比例系數(shù)，比例系數(shù)的作用是對(duì)偏差瞬間做出快速反應(yīng)：Ti為積分系數(shù)，作用是把偏差的積累作為輸出，可以消除靜態(tài)誤差；Td是微分系數(shù)，可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。從公式中我們可以看出，增量ΔUk的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，這樣比較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)公式（1）進(jìn)行了簡(jiǎn)化：

其中，Lr就是閉環(huán)反饋模塊輸出給照明調(diào)光模塊的結(jié)果，Lin是當(dāng)前洞內(nèi)環(huán)境探頭采集到的實(shí)際亮度值，e（k）表示的是該時(shí)刻數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際亮度的差值，e（k-1）表示上一個(gè)采樣時(shí)刻的差值，e（k-2）表示的是上上一個(gè)采樣時(shí)刻的亮度差值。

實(shí)際應(yīng)用中允許誤差的存在，因此在使用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)之前，應(yīng)該先判斷實(shí)際亮度值和計(jì)算模塊輸出值是否在誤差允許范圍內(nèi)：如果是，則不進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，這樣可以抑制由于控制器輸出量化造成的連續(xù)微小震蕩；如果超出了誤差允許范圍，則進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。閉環(huán)反饋流程示意圖如圖4所示。

3.4 調(diào)光指令發(fā)送模塊[8]

調(diào)光指令發(fā)送模塊主要考慮命令發(fā)送的通信協(xié)議問(wèn)題，采用了基于RS485的CSMA/CD協(xié)議。該協(xié)議的基本原理是所有的節(jié)點(diǎn)共享網(wǎng)絡(luò)傳輸信道，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前會(huì)檢查信道是否空閑，空閑則發(fā)送；若偵聽到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機(jī)時(shí)間，再重新嘗試發(fā)送。

3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

該模塊有兩種保存方式：txt文件保存和采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)保存。對(duì)于各個(gè)硬件的描述信息，采用了txt文件這種輕量級(jí)保存方式，方便每次讀取。對(duì)于車檢器、洞外環(huán)境探頭、洞內(nèi)環(huán)境探頭采集到的數(shù)據(jù)，將它們保存在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，因?yàn)檫@些硬件需要長(zhǎng)期工作，采集到的數(shù)據(jù)量非常大，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中可以方便以后的查詢和使用。

4 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制及測(cè)試

4.1 運(yùn)行機(jī)制

隧道照明監(jiān)控軟件的運(yùn)行過(guò)程如圖5所示：用戶首先登入系統(tǒng)，選擇正確的串口號(hào)，進(jìn)行初始化后，可以查詢?cè)摼€路上所有的硬件信息，包括洞內(nèi)環(huán)境探頭、洞外環(huán)境探頭、車檢器、調(diào)光控制器、回路開關(guān)控制器。對(duì)洞外環(huán)境探頭、車檢器設(shè)置合適的定時(shí)讀取時(shí)間，假如車檢器未檢查到車輛的數(shù)據(jù)，那么直接通過(guò)調(diào)光指令發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給照明調(diào)光模塊，讓燈具進(jìn)入低能耗狀態(tài)。

圖4 閉環(huán)反饋流程示意圖

假如車檢器檢查到車輛經(jīng)過(guò)，那么監(jiān)控軟件首先會(huì)根據(jù)車流量、車速的數(shù)據(jù)選定折減系數(shù)K值的大小，然后將洞外環(huán)境探頭接收到的亮度數(shù)據(jù)根據(jù)公路隧道照明細(xì)則進(jìn)行計(jì)算，得出隧道各段所需的亮度值，將這些數(shù)據(jù)保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并與洞內(nèi)環(huán)境探頭所測(cè)的洞內(nèi)實(shí)際亮度數(shù)據(jù)做比較，假如兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的差值在誤差范圍內(nèi)，則不進(jìn)行燈光調(diào)節(jié)，假如超過(guò)了誤差范圍，則將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)作為閉環(huán)反饋模塊的輸入?yún)?shù)。最后將閉環(huán)反饋模塊輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的命令發(fā)送到照明調(diào)光模塊中，調(diào)光模塊對(duì)燈具進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，以滿足要求[9]。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的隧道照明監(jiān)控軟件在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試，主要選取入口段的亮度值作為測(cè)試的重點(diǎn)，記錄一天中室外環(huán)境探頭所測(cè)得的亮度數(shù)據(jù)用來(lái)模擬隧道洞口外的環(huán)境亮度值；用室內(nèi)環(huán)境探頭測(cè)得的亮度數(shù)據(jù)來(lái)模擬隧道洞內(nèi)入口段的實(shí)際亮度值；亮度需求值根據(jù)公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范以及工程師給的建議，采用的K值為0.035。將數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)置為每隔30分鐘采集一次，將采集結(jié)果從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出，進(jìn)行歸納，采集結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖7可以看出，亮度需求值與經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)光后的實(shí)際亮度值基本一致，該隧道照明監(jiān)控軟件系統(tǒng)可滿足實(shí)際需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)采集隧道洞外亮度的數(shù)據(jù)，根據(jù)公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則計(jì)算出隧道各路段的亮度值，并結(jié)合洞內(nèi)的實(shí)際亮度形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，將最后結(jié)果發(fā)送到調(diào)光控制器中。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)調(diào)光結(jié)果符合亮度需求，能夠?qū)崿F(xiàn)智能調(diào)光功能，有利于提高駕駛員的駕駛舒適性和安全性，同時(shí)可以降低運(yùn)營(yíng)成本，能夠在隧道照明系統(tǒng)中使用，具有較好的實(shí)用性。

圖5 隧道照明監(jiān)控軟件的運(yùn)行簡(jiǎn)圖

圖6 模擬洞外環(huán)境探頭的24小時(shí)亮度圖

圖7 模擬入口段的24小時(shí)亮度值