王政松

中鐵二十三局集團(tuán)，四川 成都 610072

0 引言

隧道照明技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng)，理論體系未創(chuàng)建完成，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較匱乏。21 世紀(jì)之前，我國(guó)在公路隧道設(shè)計(jì)方面只是以《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026—1990）標(biāo)準(zhǔn)為參照。進(jìn)入21 世紀(jì)之后，推出了《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026.1—1999）、《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）等標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)既是對(duì)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的匯總[1]，也是對(duì)最新科研成果的充分體現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容借鑒了新的研究成果，借鑒了國(guó)外隧道照明的成功技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)公路隧道照明節(jié)能技術(shù)的發(fā)展指明了方向。在中國(guó)，自動(dòng)控制在大隧道項(xiàng)目建設(shè)中發(fā)揮出重要作用，包括廈門海滄隧道、南山隧道等，雖然這種照明控制系統(tǒng)不能動(dòng)態(tài)化采集照明設(shè)備運(yùn)行中的數(shù)據(jù)信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化控制，但并不影響隧道照明智能節(jié)能發(fā)展?jié)撃艿牟粩嗤诰騕2]。

隧道節(jié)能技術(shù)雖有重大突破，但仍存在不少問(wèn)題，如日光光纖光束采集技術(shù)穩(wěn)定性不強(qiáng)，當(dāng)前只是停留在施工階段，不具備投入實(shí)踐的條件。我國(guó)雖然已經(jīng)著手開(kāi)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電試驗(yàn)，但要降低成本并確保在合理的距離內(nèi)普及，仍有許多工作要做；無(wú)LED 電平調(diào)制的智能光控制技術(shù)尚未得到研究和實(shí)踐驗(yàn)證。此外，科研人才存在較大缺口，基礎(chǔ)研究成果不夠豐富，建筑改造效果不佳等。這些都不利于隧道節(jié)能技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展[3]。

基于此，為了提高隧道照明節(jié)能效果，文章一種隧道照明主控制器的設(shè)計(jì)方法，避免因隧道照明主控制器設(shè)計(jì)的不合理而造成能源的過(guò)度浪費(fèi)，亦可節(jié)約隧道運(yùn)營(yíng)成本。

1 隧道照明的發(fā)展情況

1.1 LED 隧道照明

2008—2010 年，LED 隧道照明發(fā)展較快；2011—2013 年，進(jìn)行了深入集成。2009 年，LED 白光的光效可達(dá)到100 lm/W，LED 無(wú)級(jí)調(diào)光技術(shù)被引入多個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目中，包括安徽前山隧道、廣東山隧道等，這些項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施了工程論證，憑借著優(yōu)異成績(jī)征服了項(xiàng)目管理者[4]。

通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)了解到，把LED 燈具無(wú)級(jí)調(diào)制運(yùn)用于車載參數(shù)、亮度、速度等方面，能以最低的能源獲得更高的效率[5]。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以車流量和車速為控制參數(shù)，對(duì)洞內(nèi)LED 燈具進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)光可實(shí)現(xiàn)最大節(jié)能效率，相比基于洞外亮度的分級(jí)控制方法可節(jié)能36.6%。

1.2 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)

2008 年，北京奧林匹克中心地下車庫(kù)安裝了19 根太陽(yáng)能燈管。這是首次嘗試在地下空間運(yùn)用太陽(yáng)能照明系統(tǒng)，并取得了良好成效。3 年之后，陜西科技大學(xué)成立了課題研究小組，經(jīng)過(guò)不懈努力推出了PV-LED直接照明系統(tǒng)，研發(fā)的太陽(yáng)能輸送帶也引起了業(yè)內(nèi)關(guān)注，為高速燕山隧道項(xiàng)目建設(shè)提供了技術(shù)支撐。河北承德市、漢國(guó)市、涼東小隧道先后投入使用全國(guó)最大的隧道太陽(yáng)能光電照明系統(tǒng)，吉林省建成的汽車隧道運(yùn)用了太陽(yáng)能智能LED 系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)先河。長(zhǎng)安大學(xué)的研究者們運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)對(duì)太陽(yáng)能與風(fēng)能進(jìn)行彌補(bǔ)，在中短途隧道中以LED 復(fù)合體的形式為照明提供電力。

2 公路隧道照明控制模式分類

2.1 人工控制模式

人工控制向管理層提出了較高要求，要對(duì)天氣條件、交通量、車速等進(jìn)行控制。一般而言，可以采用單回路與多回路兩種方式實(shí)施管理。人工控制需要投入較多的人力資源，控制流程煩瑣、需要考慮的內(nèi)容較多，即使考慮得較為周全，也無(wú)法滿足當(dāng)代交通發(fā)展所需，造成了資源浪費(fèi)。實(shí)現(xiàn)節(jié)能的簡(jiǎn)單電路會(huì)給道路安全帶來(lái)隱患。因此，這種人工控制模式逐漸淘汰，取而代之的是新型的控制模式。

2.2 自動(dòng)控制模式

自動(dòng)控制模式借助傳感器等檢測(cè)工具動(dòng)態(tài)化采集數(shù)據(jù)，如隧道外部的交通、亮度信息等，采用電子控制設(shè)備在多樣化的隧道照明電路中進(jìn)行靈活選擇，在不需要人工干預(yù)的前提下可以自動(dòng)調(diào)光。雖然自動(dòng)控制方法簡(jiǎn)單，但僅限用于原有的調(diào)光電路，不能在整個(gè)隧道照明系統(tǒng)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)光。

2.3 智能控制模式

可以把智能控制技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)控制，如霧控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家系統(tǒng)。雖然智能控制仍在示范與探究階段，卻為隧道照明控制指明了下一階段的發(fā)展方向[6]。伴隨著大量技術(shù)成果的問(wèn)世，其應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)越來(lái)越多。

3 隧道照明主控制器的輸入量函數(shù)

3.1 模糊控制原理

天氣、車速、車流量等都會(huì)對(duì)隧道照明效果產(chǎn)生一定影響。要想發(fā)揮LED 無(wú)級(jí)調(diào)光的優(yōu)越性，需要及時(shí)調(diào)整隧道內(nèi)照明亮度。如果運(yùn)用傳統(tǒng)方法，要圍繞隧道內(nèi)照明亮度進(jìn)行建模。由于環(huán)境參數(shù)復(fù)雜，而燈具也具有明顯的隨機(jī)性，隧道照明系統(tǒng)具有時(shí)變、非線性等特征，數(shù)學(xué)建模難度較高。模糊控制可以在不需要數(shù)學(xué)建模的前提下實(shí)施模糊化處理，由此解決了建模難題，為隧道照明控制算法研究帶來(lái)了有效幫助。

3.2 隧道照明主控制器輸入量函數(shù)

由于公路隧道照明的主要調(diào)光依據(jù)是入口段照明，參照入口段照明計(jì)算過(guò)渡段照明。故而，只需要分析隧道入口段照明控制方法。入口段照明會(huì)受諸多因素的影響，把車速、車流量、隧道外亮度確定為隧道照明主控制器輸入量，與之相應(yīng)的語(yǔ)言集分別為V、Q、L。

以2014 版《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）為準(zhǔn)，與多名專家進(jìn)行磋商，將L的真實(shí)論域與離散論域設(shè)定為[0,6 500]、[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。洞外亮度隸屬度函數(shù)如圖1 所示。

圖1 洞外亮度隸屬度函數(shù)

在設(shè)計(jì)細(xì)則中，把Q設(shè)定為不同標(biāo)準(zhǔn)，分別為每小時(shí)180 輛、350 輛、650 輛、1 200 輛，真實(shí)論域與離散論域分別設(shè)定為[0,Qmax]、[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。車流量隸屬度函數(shù)如圖2 所示。

圖2 車流量隸屬度函數(shù)

設(shè)LED 燈具輸出量電流的真實(shí)論域?yàn)閇minI,maxI]，取離散論域[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]。該變量模糊化如表1 所示。輸出LED 燈具電流隸屬度函數(shù)如圖3所示。

圖3 輸出LED 燈具電流隸屬度函數(shù)

4 隧道照明主控制器硬件組成與設(shè)計(jì)

4.1 隧道照明主控制器硬件組成

智能隧道照明控制器主要包括接口、主控模塊等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

4.2 輸入量采集設(shè)備選擇

車速、車流量、隧道外亮度設(shè)定為公路隧道照明主控制器輸入量，通過(guò)線圈車輛檢測(cè)器與隧道洞外亮度檢測(cè)器采集數(shù)據(jù)。線圈車輛檢測(cè)器的環(huán)形繞組埋在道路下方。通過(guò)檢測(cè)車輛在繞組磁場(chǎng)中的干擾，可以精準(zhǔn)計(jì)算獲得速度與車流量信息。這種方法成本低廉、易于掌握、技術(shù)成熟。車輛檢測(cè)器選用中央信息技術(shù)控制有限公司設(shè)計(jì)的車輛檢測(cè)器。

4.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備選擇

在無(wú)線傳輸下，由主控制器將隧道照明狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，由此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化監(jiān)控和及時(shí)顯示。選擇無(wú)線通信模塊data-6121，這一模塊可以通過(guò)手機(jī)與短信傳輸遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，且功耗較低。

5 隧道照明主控制器軟件程序流程設(shè)計(jì)

智能隧道照明控制器軟件設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。首先對(duì)所有模塊進(jìn)行初始化處理，然后讀取隧道外的亮度和交通信息。當(dāng)系統(tǒng)處于非人工操作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將檢查隧道條件是否正常。如果出現(xiàn)異常，需要及時(shí)發(fā)出警報(bào)，指明出現(xiàn)錯(cuò)誤的程序，中止總線通信。當(dāng)故障排除、隧道條件恢復(fù)正常之后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)總線通信進(jìn)行檢測(cè)。如果處于正常狀態(tài)下，主智能控制程序?qū)⒈粏?dòng)，把無(wú)級(jí)調(diào)光命令發(fā)送給所有子控制程序，在第一時(shí)間向上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送調(diào)光管理狀態(tài)信息。調(diào)控控制結(jié)束后，系統(tǒng)按預(yù)設(shè)時(shí)間延遲并再次開(kāi)始上述循環(huán)。

圖5 軟件程序流程圖

6 結(jié)論

文章以隧道照明設(shè)計(jì)需求為導(dǎo)向，先分析隧道照明節(jié)控制類型，以天氣、車速、車流量為輸入數(shù)據(jù)，如選擇相關(guān)的采集設(shè)備，然后為系統(tǒng)選擇遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，可以起到遠(yuǎn)程監(jiān)控的良好作用。文章為隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控制器，并對(duì)硬件與軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該主控制器可以依據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成調(diào)光控制，具有良好的節(jié)能效果，有一定的推廣價(jià)值。