基于LoRa 無線技術的隧道智能照明控制系統

林華彬

（福建省高速公路集團有限公司寧德管理分公司，寧德 352100）

1 引言

當前大多數的隧道照明控制系統采用時序分級控制方式進行調光， 還不能根據隧道洞內外實時環境自動調節燈具照明亮度和燈具的開啟數量[1]，且現有的智能控制方式大多數沒有進行洞內亮度的閉環反饋控制， 無法實現按需照明，資源浪費較大。 另一方面，公路隧道一般位于丘陵山區或城市過江地段，具有數量多、分布廣、隧道長、遠離城市中心且穿越崇山峻嶺的特點，使得工作人員和管理人員對隧道照明、 風機等用電設備的有效控制和維護極為不便，每年產生巨大的人力資源、電能損耗[3]。此外，由于設備故障檢查與維護不及時，更是給行車安全帶來了極大的危險[6]。 因此，如何根據隧道環境，如天氣狀態、時間、車流量等實時信息，自適應地完成隧道照明控制，在保障安全行車的同時，又能最大可能的節約電能，成為了交通行業節能技術研究的重點方向[7]?；谥悄芑凸澞艿脑O計目標，本文提出一種基于LoRa 無線技術的隧道照明智能控制系統， 在實現照明節能和智能控制的同時，還能實時返回隧道照明燈具故障狀態，極大地提高了照明維護效率。

2 系統總體方案

2.1 系統總體結構

圖1 基于LoRa 無線技術的隧道智能照明控制系統總體結構圖

基于LoRa 無線技術的隧道智能照明控制系統總體結構如圖1 所示， 系統主要由智慧隧道監控與運營服務平臺、 系統主控制器、LoRa 無線協調器、LoRa 無線單燈控制器和LED 照明燈具組成，圖中n 表示主控制器控制的無線網絡個數、L1表示第一個LoRa 無線網絡的大小、Ln 表示第n 個LoRa 無線網絡的大小。 系統主控制器采用工業控制計算機或者PLC 控制器，通過RS485 總線與n 臺無線協調器連接，構成隧道管理所級別的LoRa 無線隧道智能照明控制系統。

2.2 LoRa 無線網絡拓撲

LoRa 無線網絡技術是系統的關鍵技術之一，無線協調器通過組建LoRa 無線網絡， 可實現與同一網絡內所有無線單燈控制器的數據通信， 實現對現場設備的狀態采集、燈具0～10V 智能調光和單燈電源開關控制。 整個無線網絡具備通信距離遠和抗干擾能力強的優點，增加了隧道智能照明系統的可靠性。 LoRa 無線網絡的組網結構拓撲如圖2 所示，采用星型網絡結構。 整個無線網絡由無線協調器和各個無線單燈控制器組成，協調器作為網絡的中心節點， 各個無線單燈控制器直接與之進行無線通信，不需要路由轉接。 星型網絡拓撲具有以下優點[10]：

（1）結構簡單，容易管理維護；

（2）重新配置靈活；

（3）方便故障檢測與隔離；

（4）控制簡單，便于建網；

（5）網絡延遲時間較小，傳輸誤差較低。

圖2 LoRa 無線星型網絡拓撲結構

無線協調器向每個無線單燈控制器發送控制命令時，采用廣播方式進行數據發送，同一網絡內的所有無線單燈控制器均接收該命令，并予以解析。若收到的命令中地址域的ID 為本無線單燈控制器ID， 則無線單燈控制器對命令進行校驗。 若校驗正確，則根據命令中功能碼、數據執行相應動作， 否則， 單燈控制器對該命令不予理睬。當命令是采集燈具故障信息時，無線協調器采用輪詢的方式訪問每個無線單燈控制器， 可有效地防止數據傳輸的擁堵，提高了通信效率。

3 系統各部分的功能

（1）智慧隧道監控與運營服務平臺：由多個隧道控制系統通過專網組成， 平臺可以實現對區域所管轄隧道運行狀態的全局監管，完成隧道能耗分析、機電設備故障報警統計分析、 隧道機電設備資產管理和隧道機電設備健康狀態評估預測。還可形成隧道營運與調度策略，減少或不需要隧道人工排查， 有利于及時地維護與檢修燈具和風機等設備， 有效減少因照明設備故障維護不及時對交通運行安全的影響。 智慧隧道監控與運營服務平臺的首頁效果如圖3 所示。

圖3 智慧隧道監控與運營服務平臺首頁

（2）系統主控制器：主控制器可以實時采集隧道環境信息，如實時車流量、車速、洞外亮度、氣候和時間等參數，其調光控制策略有四種運行模式：手動模式、智能模式（默認模式）、時序模式和故障應急模式，各模式的功能如下：

①手動模式： 主要在隧道現場設備調試或檢修時使用。 手動模式下可以對軟件界面各參數（包括時間參數、亮度參數回路開關等）進行設置，其他模式切換至手動模式可以實現無縫切換， 使隧道內照明亮度在保持之前照明狀態的情況下進行手動設置。

②智能模式：主控制器運行日出日落時間算法，早上當洞外亮度高于一定閥值時自動開啟所有的加強照明回路， 晚上當洞外亮度低于一定閥值時自動關閉所有的加強照明回路。 此外， 主控制器根據隧道環境信息和LED燈具的衰減特性設計一種自適應調光算法─變步長增量式調光算法， 當車檢器在一定時間內未檢測到有車輛進入隧道時自動將亮度調至最暗， 當檢測到有車輛進入時則快速采用自適應調光算法將洞內亮度調到需求值。 當洞外亮度儀發生故障或出現其他異常情況導致洞外亮度信號值有異常時，系統會自動切換到時序模式。

③時序模式： 系統會按照預設的時間段和亮度級別調節加強照明亮度，在智能模式不能正常工作的情況下，各控制器將按照時序模式運行。 時序運行模式根據歷史車輛量信息和白晝規律事先進行設置。

④故障應急模式： 所有的加強照明回路和基本照明回路全部開啟， 加強照明燈具和基本照明燈具都按最大功率輸出。 同時在軟件界面上能手動開啟和關閉各照明回路，該模式用于檢修或其他緊急情況下使用。

另一方面， 主控制器通過RS485 串口通信向LoRa無線協調器發送隧道燈具調光、 電源控制和故障檢測命令， 并由無線協調器無線轉發相應的命令給各個無線單燈控制器， 對燈具進行控制和采集各燈具運行狀態與故障信息。 同時，主控制器與隧道配電系統通信，采集配電參數，完成相應功能。主控制器還可通過互聯網與智慧隧道監控與運營服務平臺通信，組成高級監管平臺與系統，實現隧道遠程監管。

（3）LoRa 無線協調器。 LoRa 無線協調器具備三大功能：通過RS485 總線接收上位機發來的命令或者返回燈具和無線單燈控制器的故障狀態信息；創建LoRa 無線網絡，在網絡內自動修改無線單燈控制器的ID 號、組號和網絡號等組網參數； 與所在網絡中的每個無線單燈控制器進行無線通信，發布單燈或者群燈的調光命令、電源控制命令、燈具故障檢測命令，獲取燈具運行狀態和故障信息。

（4）LoRa 無線單燈控制器：通過LoRa 無線通信方式與無線協調器進行通信， 解析并處理無線協調器發來的控制命令， 根據命令解析結果， 相應地完成對所連LED燈具的調光控制、電源開關控制，或者返回燈具故障狀態值與定位數據。

4 系統應用分析

自2019 年元月20 日至2019 年3 月31 日， 寧德沈海線吳樓隧道使用基于LoRa 無線技術的隧道智能照明控制系統進行改造試點， 隧道由隧道照明智能控制柜和隧道LoRa 無線協調器、無線單燈控制器組網構成獨立的隧道照明智能控制系統， 實現了隧道的單燈無級調光控制、開關控制和燈具故障智能巡檢功能，實現了受洞內外照度變化、車流量變化控制的隧道加強照明智能調光；且以隧道管理所為單元， 部署了智慧隧道照明監控與運營服務平臺。 該平臺通過光纖互聯隧道管理所下轄的所有隧道照明智能控制系統， 構建了隧道管理所隧道照明局域網，實現了固定資產、能耗、隧道運行信息的統一管理、實時監控，產生了顯著的節能效果。

4.1 應用效果

吳樓采用雙向四車道高速公路標準建設。 本次改造采用可以進行無級調光的LED 照明燈具， 調光范圍寬，可較好地進行智能控制。照明效果如圖4 所示，其顯示的是對燈具進行單燈控制后的效果，采用LoRa 無線單燈調光控制， 加強燈從洞口經過渡段到基本段所產生的洞內亮度可呈現非常舒適柔和的由亮到暗的變化。 當隧道內所有的加強照明燈具均調至最暗仍不能使亮度降低到要求時， 本系統通過單燈控制可實現加強照明燈具間隔開燈調光運行，如圖5 所示吳樓隧道照明效果。相比于傳統的關斷一半加強照明回路方式， 單燈控制的加強照明燈具間隔開燈調光運行在節能的同時， 能保證道路表面的亮度均勻度，給駕駛員提供一個舒適的行車環境。

圖4 吳樓隧道LoRa 無線單燈調光控制照明效果

圖5 吳樓隧道加強照明燈具間隔開燈調光運行照明效果

4.2 節能分析

2019 年10 月10 日， 為了分析LoRa 無線隧道智能照明控制系統運行的節能效果， 由寧德高速公路管理處提供了隧道總長度、 燈具安裝數量相近的吳樓高速公路隧道和使用高壓鈉燈具的徐江、 馬頭崗高速公路隧道照明系統2019 年4～9 月份電費對比，如表1 所示。

表1 三個隧道照明系統電費對比

由表1 可以看出，吳樓隧道基于LoRa 無線技術的隧道智能照明控制系統的節能效益顯著。

5 總結

本文基于LoRa 無線技術研究設計了隧道智能照明控制系統，根據隧道特點及其實際的功能需求，設計開發了智慧隧道監控與運營服務平臺、 智能控制柜、LoRa 無線協調器和無線單燈控制器， 實現了隧道按需照明和實時獲取隧道交通及機電設備的運行狀態， 既保障了隧道行車安全，又降低了隧道電能消耗；同時還實現了對區域所轄隧道運行狀態的全局監管， 完成了隧道能耗分析和機電設備的故障報警統計分析、 資產管理及健康狀態評估預測，形成了隧道營運與調度策略，可減少或不需要隧道人工排查，有利于及時地維護與檢修燈具，有效減少因照明設備故障維護不及時對交通運行安全的影響。 系統在多條隧道中的實際運行效果驗證了系統的有效性和可靠性，該系統具有實際工程應用價值。

隧道照明是隧道設計及道路設計中的一個重要組成部分，對安全行車及降低能耗有著至關重要的作用，而照明控制系統的好壞直接影響到隧道照明效果及節能效果。傳統的采用鈉燈燈具的路燈照明項目中，一般都依靠開關加強照明燈具進行調光，如通過時鐘控制、光敏開關或者手動控制來開關加強照明燈具來調整照度， 即使有些工程采用了調光控制， 但也僅限于有限的幾級調光控制，如變功率鎮流器或者整體調壓；這些調光控制方式不僅無法滿足照度的調整控制要求 （入口段等路段照度無法與外界實際照度相匹配），而且節能效果也無法滿足要求，存在大量的能源浪費。 隨著LED 照明技術的不斷發展成熟， 智能化控制系統及設備不停的更新換代， 給照明、調光、控制等提供了越來越多的可能性，相應地，隧道照明的控制系統也有了巨大的改變， 不再局限于過去簡單而低效的控制方式。 相信不久的將來會有更先進完善的控制及照明方式出現，點亮我們的生活，讓我們的世界更加璀璨。