公路隧道照明仿真设计智能控制
隧道缩短公路里程、大大提高运输效率，但因隧道内照明环境而引发的交通安全问题也备受关注。隧道的照明与普通道路照明不同，需要昼夜变换不同的照明。为保证隧道内交通安全和照明的节能环保，隧道照明需要考虑车流量、隧道各路段和出入口日照条件等因素进行多方面智能照明控制。通过采集隧道外的照度环境以及洞内车流信息作为参考标准，结合相应的算法计算出洞内所需的环境信息，设计一种隧道照明智能控制系统，具有智能安全和高效节能的特点，为隧道智能化照明设计提供参考。
关键词：隧道照明；无线控制；智能
从2012年至今，隧道交通事故频繁发生，一些路段甚至出现一天内发生多起交通事故的现象。隧道内照明的不合理是导致隧道交通事故频发的重要因素，若想减少隧道交通事故必须要改进对隧道灯光控制的设计，此时智能照明的存在变得尤为重要。传统的隧道照明仅仅是用灯具分布的疏密程度来满足隧道内的不同亮度需求，不仅效果不尽人意，也造成了巨大的的能源浪费。因此笔者基于DIALux软件的隧道灯光仿真设计项目成果，进一步设计了合理的控制系统，可以智能化获取信息（车流量及白天、夜晚、隧道出入口段、中间段的照明亮度）和控制灯具照明，利用单片机、ARDUINO等技术，实现合理的隧道照明控制。
1隧道照明设计技术要求和智能控制
1.1隧道照明设计技术要求
此次设计采用的隧道灯具主要是LED节能灯，灯具主要分布为：前十米入口过渡段密度由大到小，中间十米为过渡段均匀分布，后十米为出口过渡段密度由小到大。如图1所示。由于隧道的半封闭结构，隧道内部和外部的亮度有很大的差距，而肉眼的生理结构导致车辆出入隧道时驾驶员需要较长的适应时间。白天车辆进入隧道时，由于亮度突然降低，人的视觉无法迅速适应，难以去分辨洞内情况。当车辆驶出隧道时，外界光照强度比隧道内高得多，给驾驶员带来了短暂的失明效果。为了避免隧道内部和外部光照强度差距过大而造成的短期视觉障碍，入口处和出口处灯具和传统设计一样采取比较紧密的分布方式，缓解隧道入口外部和内部的光照强度差距给驾驶员带来的不适，大大提高交通安全系数。出于对司机驾驶安全的考虑，隧道灯具的安装方式采用两侧顶灯对射的形式。两排灯光分别位于隧道顶部两侧，不径直射向地面，既能照亮隧道内的空间，同时不会造成灯光的反射，极大地增加了行车的安全。另外，对照明品质产生影响的每一个变数都要充分注意，如隧道内灯光亮度控制和路面亮度均匀性等。汽车尾气聚在一起形成烟雾，汽车尾灯的光被烟雾吸收散射后形成光幕，减少了前方障碍物和背景（路面、墙壁）之间的明暗对比，对行车安全造成恶劣影响。隧道出口处会非常明亮，给驾驶员带来了极大的眩光，使其很难看到道路情况，也容易发生事故。隧道照明是一种特殊的照明情况，我们经过最终分析后认为，要解决人眼的暗适应或明适应问题，需要通过隧道提供的照明系统，让司机可以提前查看道路区间的细节，并保证指定的安全距离，避免事故的发生。隧道中的所有照明使用同样的亮度是不合理的，各个国家的隧道照明对长隧道的各个照明段进行分区的方法不一样，我们根据各个国家的不同分区方法，确定了此次设计中作为依据的隧道亮度随外界环境的变化和分布，如图2所示。夜间车辆数量少，可根据情况降低照明输出。在保证交通安全基础的同时，从晚上23点到凌晨5点减少照明电量，减少能耗。一般根据分区决定亮度值或照明值，决定各区域亮度或照明时应考虑到安全停车距离。安全停车距离是车辆以规定的速度行驶时从刹车到完全停止时所必需的距离，这段距离还包括驾驶员反应并踩下刹车时间内车辆行驶的距离，需要根据当地的交通法规确定。
1.2隧道照明设计智能控制
实际上，隧道照明的亮度在大部分情况下，都不需要达到设计亮度，但是根据实际交通流量和洞口外部亮度的变化需要随时调整隧道亮度，以达到保证行车安全和节约能源的目的。隧道内车流量多时，灯光自然开启；但是当隧道内的车辆并不是很多的情况下，隧道灯光若一直开着就很损耗电能，根本起不到节能的作用。因此本次的隧道照明设计中新增了一款根据车流量控制灯光的系统，在夜间或者车流较小的情况下，灯具控制器控制灯光适当衰减发光功率或呈间隔式关闭部分灯光，做到既能维持基本亮度又能节省大多数能源，尽可能在保证交通安全的前提下达到节能省电的作用。
2隧道照明智能控制系统及其功能实现
2.1隧道照明智能控制系统
系统以安全、智能、节能为主旨，在基于无极控制的基础上设计了隧道照明智能控制系统。该控制系统主要包括采集单元、控制单元、通信单元，由照度传感器、红外传感器、计数器、ZigBee无线网络、数据转换器以及网络化灯具控制器等构成。由于隧道入口对照度的需求是不固定的，因此，照明系统应根据隧道入口外的亮度、车辆速度和车流量，将隧道的照明亮度进行动态调整。本文设计的隧道照明智能控制系统，通过连接网络控制各隧道各照明器具，隧道照明智能控制系统有总线通信接口、隧道照明控制接口、数字和模拟接口，通讯电缆可将所有隧道的照明灯具连接到完整的控制网络，并在网络内连接红外线传感器、计数器、照明传感器和数据转换器，最后由软件程序来控制，以保证系统正常工作。2.1.1采集单元本系统在数据采集过程中，通过部署在隧道外的照度传感器，来采集洞外的实时照度信息。照度传感器包含两个红外传感器，一个A/D调制器，它在I2C下传输一个数字信号，I2C是当前传感器的控制中心。由红外传感器、计数器等对隧道内外的车速信息、车流量信息进行采集。其中，我们运用了两组红外传感器，当车辆经过设立在入口的红外传感器1时，计数器开始计数并接收一个信号将其发送到设备；当车辆经过红外传感器2时，再次传输一个检测信号，令计时器停止。两个传感器之间的距离和指针的方向对应所需的速度和电流。传感器设立位置示意图如图3所示，图中1、2分别为两红外传感器元件，两元件间距设定为隧道实际长度的1/10。出口入口过渡段过渡段隧道内室12图3红外传感器设立位置示意图2.1.2控制单元本系统控制单元将空间采集器的指令发送到空间单元，并在计算和修改光学识别、将隧道灯光亮度变化进行接收与反馈。2.1.3通信单元整个系统中的数据传输，是将ZigBee局域网、无线基站和微型计算机设置成串行总线。无线基站是实现对隧道中每个LED灯的通讯和控制的基础。将LED灯具与无线终端通过一根通讯电缆以并联的方式连接，隧道中所有灯具的电灯控制指示通过线路传送发射到无线终端。
2.2隧道照明智能控制系统功能实现
系统运行过程中，在各单元连接均正常的前提下，控制单元向采集单元发出指令，读取转换处理程序的调整指令后，LED电机模块接收相应的调整信号来实现对各照明单元灯具及照明的亮度控制，系统工作流程图如图4所示。采用无线通信的方式对隧道内的灯具进行控制，隧道外部的亮度监控装置是将在隧道外部感知到的亮度信号转换成0～5VDC模拟信号，一控制LED灯的输出电力，从而完全控制隧道灯光。虽然ZigBee技术的有效范围为10米到75米，但是拥有复杂性低、功耗低、成本低的优点，且其不分间隔的特点使灯具和系统间通信无阻碍，适用于传输灯光照明控制信息。在光控系统里，旋涡终端整合了树网和Mesh网的功能，建立了多速通信网络，以确保通讯强度和执行的执行。ZigBee与LED灯相连，由电灯发出电波发射信号，通过智能控制灯具的电流来调节LED灯的亮度。目前LED的调试方法包括可控硅调试、模拟调试和PWM调试。调光照强度的方法有两种，一种是多路照明，一般最高等级为6，即白天等级4、晚上等级2，这个简单的分级方法仍然存在光照强度无法智能调节问题；第二种是使用无序调试照明，需要一个基本的照明电路和一个提高了的照明电路，而这种无序调试的方法是以LED光源为基础的，可以根据需要随意调整灯的高度。本篇论文使用外部脉冲宽度调制的方法，在不同时间内隧道所需的光的强度不同，根据隧道内亮度和隧道外亮度以及流量的实时变化进行对灯具控制，每个灯具控制器都能将隧道内的亮度从0%自动调到100%，实现“定制亮度”，可以大大节约能源。隧道的紧急照明设备是基本照明设备的两倍，用EPS电源为装置供应电力。主电源被切断后，控制装置中的基本照明设备电源立刻控制在额定电力的15%左右。因此在停电时，由于系统的照明情况与原来的基本照明相同，所以依然可以避免交通事故。
3结论
隧道照明智能控制系统设计应实现两个基本目标：一是实现驾驶员的视觉舒适；二是保证节约能源和行车安全。由此可见，设计优化的隧道照明智能控制系统对于隧道交通安全和低碳环保具有重要的意义。本文通过充分考虑隧道照明的各种制约因素，设计了一种智能节能且安全可靠的隧道照明智能控制系统。该方案采用基于ZigBee的无线通信调光控制系统，具有可以根据隧道出入口昼夜日照情况、隧道各段照明环境要求和车流量情况等信息实时控制每一照明灯具的照明强度，并具有对意外断电等因素的防控功能，大大提高隧道照明的能源利用率和视觉舒适性，充分体现现代照明设计的智慧节能与人文关怀等特性。
参考文献：
[1]《中国公路学报》编辑部.中国隧道工程学术研究综述•2015[J].中国公路学报，2015，28（5）：1-65.
[2]张善伟.公路隧道照明设计中DIALux的适用性及建模方法分析[J].照明工程学报，2014，25（5）：93-97.
[3]傅翼，杨波，陈云庆.公路隧道照明眩光影响仿真与分析[J].现代隧道技术，2014，51（5）：150-154.
[4]胡江碧，李然，马勇.高速公路隧道入口段照明安全阈值评价方法[J].中国公路学报，2014，27（3）：92-99.
[5]王少飞，涂耘，邓欣，等.论公路隧道照明节能[J].照明工程学报，2012，23（3）：106-112.
作者：荣梓淇 高李宁 黄云金 黄兴新 周笔
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