隧道照明“兩光源互補”智能控制系統設計

蘇明虎

廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510000

0 引言

隧道行車具有較大的安全隱患，因此打造智能化的照明系統已經成為當前多方關注的重點。利用信息技術構建自動化的照明體系，不僅能夠結合隧道實際運營情況提供不同的照明服務，也可以結合具體的地理位置及環境因素打造能源節約體系[1]?！皟晒庠椿パa”主要是建立在智能光源及自然光源的基礎上構建的互補方案，可以有效實現區域資源的再利用?；诖?，文章以案例分析法及文獻研究法作為主要方式，綜合隧道“兩光源互補”的智能控制體系展開探討，能夠為當前的能源節約及隧道安全照明體系建立奠定基礎。

1 基礎技術背景分析及案例概況

1.1 “兩光源互補”照明體系的研究背景

發展至今，我國當前的交通體系已經較為成熟，尤其是在隧道工程領域。隨著我國交通系統覆蓋范圍的不斷擴大，在部分環境及地形地貌較為獨特的區域，隧道成為聯通交通網絡的重要節點。這就要求隧道內部為行車提供有針對性的服務體系，其中照明系統是最關鍵的內容。當前，絕大部分的隧道以穿山隧道為主，周邊環境較為復雜，同時光照極為不良，利用人工照明的方式來營造完善的出行環境至關重要。目前，隧道照明體系的研發呈現多樣化特點，尤其是在綠色環保理念的推行下，結合隧道出行的實際特點打造智能化的聯動系統，能夠為能源節約提供有效保障[2]。

綜合隧道行車的具體規律，在常規條件下，白天的車流量較大，具有極強的連續性，而夜晚車流量會逐步減少。因此在晚間會存在部分時間段隧道內部無車輛通行，這種情況下長時間進行光照會浪費較多的能源。當前，照明體系趨于智慧化發展，各種檢測技術越來越智能，應用智能照明系統，可以結合隧道內部具體的行車情況，及時調控隧道照明的亮度及模式。除此之外，引入自然光源實現太陽光的二次利用，也可以為能源節約提供有效保障。

1.2 工程概況

某工程段全程長409.2 km，設置了多條隧道，為了進一步節約電能，同時提供高效的照明服務體系，必須進行智能化照明系統的整改和創新。該工程由于地理環境較為獨特，已建成的高速公路中涉及大量的隧道，而且受到地理環境及獨特條件的影響，人們的出行習慣與其他區域有著一定的差異性，白天的車流量各時段分布不夠均勻，且晚間的車流量相對較少，因此無間斷的照明方式會導致資源浪費。

綜合我國當前的智能化照明系統發展情況來看，以可持續及人性化作為主要原則，部分地區已經通過逆光證明及二次配光技術構建了新型的感應系統，如電磁感應無極燈、光纖維隧道燈、Kz系列光源、飛利浦Coamo照明系統等，而節能的主要策略往往以光電控制和智能調控為主，結合新形式的鋪裝材料來實現能源節約。綜合以上既有的技術體系，在物聯網物物聯動原則的基礎上，以滿足該區域交通需求為主要內容，介入外界光照來自動調節隧道內部的光照強度，結合隧道的入口段、過渡段、中間段、出口段打造不同光照強度的智能化控制系統，能夠有效實現能源節約，并提供有效的光照服務。

2 基于物聯網的“兩光源互補”隧道照明智能控制系統設計

2.1 硬件系統的設計及結構

（1）系統硬件的整體結構。建立在以上運行需求及既有技術體系的基礎上，以物聯網為依據，強化各個環節之間的關聯。從整體設計角度看，主要的關聯包括外部自然光照環境與內部隧道智能控制體系之間的關聯、車流量與智能遙感系統的關聯、光照強度與不同隧道段的關聯、自然資源與電能資源的關聯等，以此為依據構建硬件總體結構。該區域具有較為豐富的太陽能資源，因此整體的智能控制系統以人工供電及太陽能供電方式為主。人工供電主要提供最基礎的供電保障，以維持整體系統的正常運行；而太陽能供電系統主要涉及光伏陣列、蓄電池組、充放電控制器、逆變器等結構，智能化控制器以PLC自動控制器為主，該種類型的控制器在當前多個領域都有應用，尤其是在工業生產領域，大部分的智能機器人及自動化控制系統都是以其為依據，同時借助了物聯網物物關聯的特點，構建了針對性的系統結構。在PLC自動控制器的基礎上，又配備了光纖云臺控制器，其能夠提供多種信息的遙感和檢測。其中，具體檢測模塊涉及雷達測速儀、光照度傳感器、光電傳感器。這些傳感器模塊是直接打造物與物關聯網絡的重要節點。物聯網模塊則可以將采集到的相關數據結合隧道內部各段的具體光照需求傳送到中心云平臺上，有助于系統及人員快速地監測隧道內部的整體運行狀態，從而提升行車的安全性[3]。

（2）太陽光輸送模塊。所謂“兩光源互補”，主要是指將自然光源傳輸到隧道內部，從而實現電能的節約。綜合太陽光輸送模塊具體涉及云臺、云臺支架、透鏡組、控制器、限位開關、光纖束、驅動電機等結構。云臺的具體設計涉及兩個層次，上層需要固定10組透光鏡來實現太陽光的聚光，在與其相距5 cm的位置設置下層，以陽光收集器為主。在陽光收集器的下方設置收集光纖，云臺支架可以自由轉動，實現單軸+60°～-60°的太陽光跟蹤。同時，在收集器中設置了自動啟動裝置，在每日的清晨7點該裝置會自動啟動，云臺處于上限位置進行太陽光追蹤，此時云臺的平面和太陽光的入射呈現垂直狀態，確保能夠最大限度地利用太陽光源，而光纖導入隧道內的太陽光會直接通過散光裝置進行均勻分布和散射，確保實現隧道內部照明。在傍晚19點，云臺處于下限位置，會通過翻轉的方式回歸到上限位置，并自動停止轉動。

（3）光照智能控制系統。光照智能控制系統主要涉及光照傳感器、PLC電源模塊、中心處理器模塊、Modbos總線、LED燈組及固態繼電器（SSR）等。在白天有自然光線時，陽光輸送器會將收集到的光源分散到隧道內部，若光照強度能夠滿足實際的隧道內部車輛通行需求，以及不同隧道段的照明需求，整體系統處于關閉狀態。若自然光照經過輸送和散射之后，難以滿足區域的光照強度，這種情況下系統會自動啟動并且調節內部的照明系統，直至滿足實際的光照標準。在夜晚，隧道內部所有的照明燈都將處于低功耗模式，結合LED燈自身的不同亮度實現能源節約。

（4）智能檢測模塊。智能檢測模塊的主要功能是統計隧道內部的車輛運行情況，結合具體的時間、車輛數量、隧道內部車輛的超速情況進行判斷，同時可以實現隧道內部堵車情況及隧道外部光照強度的檢測，最重要的是可以結合不同區段的光照強度進行測定，從而聯動PLC自動控制系統實現智能調節。分析其具體的工作原理，需要檢測隧道內外的實際光照強度，綜合隧道內部的溫度及隧道兩端的車輛進出情況進行計算，分析車輛超速情況及行駛速度，這樣能夠有效把控當前該路段的車流量及具體的行車概況，并有效實現周邊區域的交通疏導。最終采集到的信息都可以通過物聯網傳輸到手機終端及監測網站，從而實現宏觀調控[4]。

（5）物聯網模塊。我國當前以物聯網技術為基準打造的智能模塊存在多樣化特點，項目工程中選用的是西門子工業物聯網結構，具體使用時，需要在前期在平臺上設置相關通信參數，控制好變量，并且結合變量的類型及特點進行編譯，然后將保存好的參數下載到云盒子中再上傳到云平臺。物聯網云盒子監控平臺示意圖如圖1所示。

圖1 物聯網云盒子監控平臺

2.2 軟件系統的核心設計

（1）自然光跟蹤軟件。自然光跟蹤方式具有多樣化特點，但在原理上具備一定的統一性，主要包括開環控制和閉環控制兩種模式。目前的應用以閉環控制為主，開環控制的精準度沒有閉環控制高，但是其結構簡單，在部分系統中也有應用。開環控制主要是建立在勻速運動追蹤的基礎上，實現的主要原理是結合太陽在不同季節的東升西落規律進行精準分析。通常，太陽方位角以每小時15°的規律運動，每24 h移動一周，以此方法進行累計計算，但是誤差較大。另外，也可以基于視日運動跟蹤，通過分析不同時間、經緯度、季節等因素了解太陽的具體運動軌跡，然后將所有的相關數據輸入控制器中，結合時間和空間同步的原則進行太陽軌跡計算，但是該種方式也存在一定的不足，若太陽軌跡出現變化，所有的變量數據都需要調整。閉環控制主要是利用傳感器檢測光線的具體入射角度，然后調整接收器的表面位置，以彌補二者之間的偏差。在當前的部分智能光照系統中，利用閉環控制來實現智能自然光的檢測是較為常見的方式[5]。

（2）光控系統。光控系統主要是結合不同隧道區段的運行需求，進行光照亮度及時間的調節。通常隧道涵蓋了入口段、過渡段、中間段、出口段等區段，在我國的相關條例中也指出了不同區段具體的規范亮度，因此綜合不同區段的實際亮度需求，可以進行隧道內部光照亮度及空間的調整。常規的調整曲線如圖2所示。這其中涉及對隧道不同時間使用情況的分析，白晝的交通量和晚上的運行狀態有一定的差異性，因此在交通量較大的環境下，會適當調整隧道內的光照強度。案例工程中某段隧道內的日交通量進行統計之后，呈現出的數據如圖3所示。

圖2 隧道照明亮度曲線

圖3 某交通隧道日交通量統計

由于光照的亮度與空間及時間之間有著決定性關系，因此需要及時地調整LED輸出功率。同時，還需要考慮“兩光源互補”的實際原理，光伏需要轉化成具體的電能，然后再將其轉化成人造光，太陽光的輸送系統直接通過光纖進行補光，二者的相互配合才能夠達到具體的工作需求。在計算光照參數時，可以綜合具體的時間段及隧道內部車流量進行分析。若是在晚上，時間參數應控制在20：00～23：00、0：00～7：00這兩個時間段內，這時外界的自然光已經消失，隧道內的主要照明體系為蓄電池儲存電能及光纖補光。這期間隧道內的交通量較少，因此LED燈將轉化為低功耗模式，同時配合PLC自動控制系統，及時監測隧道出入口的車輛行駛情況，實時性地調整不同區段的光照強度。

在時間參數11：00～14：00、18：00～20：00這兩個區間時，由于交通量正處于高峰期，因此隧道內的整體光照強度應該要高于設定值。在這個過程中，整體智能化系統會直接通過既有的參數及模糊算法進行帶入，展開計算。結合計算出來的實際結果，再聯動自動控制系統及調光系統，能夠及時地控制隧道內的具體光照情況。這種方式具有較強的時效性，同時通過遠程的中心控制站及監測體系進行遠程監督，也可以利用人工的方式，配合人機交互界面實現人工調控，進而有效解決隧道內部突發情況下的光照問題。

3 結束語

在當前節能環保的社會發展理念下，通過自然補光轉化來打造“兩光源互補”的智能化隧道照明體系，對于有效節省能源有一定的促進作用，并進一步強化我國道路交通管控的智能化及自動化特點。文章建立在某隧道工程智能化照明系統設計的基礎上，憑借其典型性及代表性優勢，論述了具體的硬件系統及軟件體系，由此可以證明“兩光源互補”技術的應用具有可行性，能夠有效實現隧道內部不同區間光照情況的調節，也可以綜合多種變量及時地提供高效的光照服務。在不斷推廣和應用的過程中，也需要不斷創新，這樣才可以進一步提升隧道行駛的安全性，并打造綠色節能的交通系統。