光纖傳感在公路隧道智能調光系統中的應用

□余燦李智堅

隨著高速公路隧道里程的增加，隧道照明的費用也在逐漸增長。在隧道照明的費用支出中，有很大一部分是由于過度照明所致。過度照明不僅造成資源的浪費，同時也增加了企業的運營成本。公路隧道監控人員在無法實時掌握管轄各個隧道的天氣情況、交通流量、隧道內光照數值等信息的情況下，僅憑自身的工作經驗來控制燈具，增開照明數量或者增加照明時長，極易造成過度照明資源浪費。采用隧道智能調光系統，利用光強檢測器、車輛檢測器等探測裝置組成智能調光系統，并通過光強控制系統自動調節隧道內照明數量，實現隧道內與隧道外光強照度平衡，既可以營造出良好的行車視覺效果，也能夠減少過度照明造成的電力資源浪費。

目前常用的車輛檢測器主要有感應線圈和視頻檢測器等，電類傳感器具有較高的維護成本，在橋梁、隧道等特殊路段進行安裝時難度較大；視頻檢測在隧道環境內，很容易受到光照、煙塵等干擾因素的影響。筆者利用分布式光纖測振技術，將振動探測光纜沿著隧道鋪設，通過實時采集隧道沿線全域的振動信號，實現對公路隧道的實時車流量統計。該系統易于安裝和維護，不受光照、煙塵等干擾因素影響，可以作為公路隧道智能調光系統的可靠參考依據。

一、控制原理

車流量的數據主要用于控制隧道內全日燈的開關。交通流量采用短時交通流預測理論，通過交通數據判斷全日燈組的開關：若預測的交通量數據N＞350 veh/（h·ln）時，判斷路面道路情況為擁堵，這時增開1組基本照明，確保隧道的行車安全。而在夜間段，一般情況下開啟1組基本照明；若預測交通量N≤350 350 veh/（h·ln）時，根據預設關閉1組基本照明，隧道內只留下應急照明設備，減少用電設備用電，達到按需照明的目的。調光控制邏輯如圖1所示。

圖1 調光控制邏輯

二、信號分析

將振動探測光纜敷設于隧道沿線路面的下方，實時采集隧道沿線路面的振動信號，從而獲得振動信號時間-空間矩陣圖像，用于公路隧道內的車行信號提取和分析。振動信號時間-空間矩陣圖像橫軸為探測點序列，縱軸為時間序列。每個像素點的亮度表征了對應點位振動信號幅值的大小。

1.干擾過濾

在公路隧道內，主要振動干擾源來自隧道內風機運行時產生的振動。通過實地觀察，隧道內風機振動干擾具有位置固定、空間影響范圍較?。ㄒ话悴怀^連續3個探測點）的特點。在振動信號時間-空間矩陣圖像中，表現為多條與空間軸垂直的直線段；而車行信號在短時范圍內，在振動信號時間-空間矩陣圖像中，則表現為多條具有一定斜率的直線段。其中，一條直線段反映了一輛車的行駛軌跡。線段的斜率越大，則對應車輛的行駛速度越低，即在相同時長范圍內，車輛行駛的距離越短。因此，車輛行駛信號形成的斜線段，其斜率是在一定范圍內變動的。

在信號過濾算法設計時，需要通過對振動信號時間-空間矩陣圖像中的直線段斜率進行判斷，找到風機振動產生的垂直線段，并將對應區域的信號進行濾除。同時找到符合車輛行駛特征的斜線段，將對應區域的信號進行提取，以作下一步分析。

風機干擾信號的過濾算法，計算步驟如下：①將單模光纖作為傳感光纜，敷設于隧道沿線路面的下方；②采集隧道內沿線的振動信號，得到光纖振動信號時間-空間矩陣圖像；③使用OTSU算法得到分割閾值，對光纖振動信號時間-空間矩陣圖像進行二值化處理；④使用霍夫變換進行直線檢測，找到光纖振動信號時間-空間矩陣圖像中，所有長度大于50的直線段；⑤找到斜率絕對值≥50°并且≤80°的直線段，認為屬于車行信號區域，統計并記錄其時間和空間涵蓋區域。圖2為一段60秒時長，620探測點（對應空間距離6 200米）的光纖振動信號時間-空間矩陣圖像，在其中找到了多條符合斜率范圍的斜線段，這些斜線段所涵蓋的時間和空間范圍，與車輛行駛信號所涵蓋的時間和空間范圍基本相符；⑥找到斜率絕對值≥89°的線段，認為屬于風機干擾區域，統計其空間涵蓋區域，在光纖振動信號時間-空間矩陣的二值化圖像中，將此類垂直線段空間涵蓋區域的像素值置0，即可以對隧道內風機振動干擾信號進行濾除，如圖3所示。在圖中找到了多條垂直線段，發現這些垂直線段所在的空間位置與開啟風機的位置基本相符。

圖2 車行信號判斷

圖3 風機干擾過濾

2.激勵提取

由于車輛行駛信號產生的振動激勵具有一定的時間寬度，因此在一次連續的車行信號中，會覆蓋有多條斜率相近的直線段，如圖2所示。這些斜線段的涵蓋范圍并不能十分準確地描述一次完整的連續車輛行駛信號。對連續車行信號的提取方法，其計算步驟如下：①使用一個1×4的模板，對光纖振動信號時間-空間矩陣二值化圖像進行閉運算，即先膨脹后腐蝕，用于連接在連續車行信號中被風機干擾過濾隔斷的部分；②使用連通域分割算法，從上步運算結果中，分割出多個連通域；③將每個獨立的連通域，與上節得到的車行信號直線段的起止端進行比較。若某連通域同時覆蓋了某條車行信號直線段的起止端，則認為這個連通域是一次連續的車行信號激勵，并在系統中進行記錄。圖4為示例信號中的車行激勵提取結果，可見提取到了2組車行激勵，這兩組車行信號的車輛行駛方向相反。

圖4 車行激勵提取結果

3.車流量檢測

系統每間隔一段時間，對光纖振動信號時間-空間矩陣圖像進行一次車行信號提取運算，通過對檢測結果的累加和統計，即可得到此時段隧道內的車流量信息。圖5為系統所監測隧道在某一天各個時段的車流量統計結果，與真實情況基本相符。

系統監測到在08:00—09:00時段及16:00—20:00時段，隧道內的車流量相對較大，因此在此時段內，發出增加開啟1組基本照明的信息；而在23:00—次日05:00時段，系統監測到隧道車流量較小，發出關閉1組基本照明的信息。

三、應用效果

某高速交通隧道采用公路隧道智能調光系統，基于光纖傳感系統對隧道內的車流量進行實時檢測，用于控制和調整隧道內的照明系統。經過長期運行測試，能夠很好地達到根據車流量情況調節隧道照明亮度的效果。

2022年1—3月，A線用電量累積38 474.562 5千瓦時，B線用電量52 276.812 5千瓦時，扣除非照明設備用電后B線用電量累積34 276.812 5千瓦時（90天，每日按200千瓦時計算）。節能率（%）=（A線隧道照明設備用電量-B線隧道照明設備用電量）/A線隧道照明設備用電量。由表1可見，累積節省電量為10.22%，系統在保證公路隧道有效照明的同時，節能應用效果顯著。

表1 隧道智能調光系統能耗對比

四、結語

利用分布式光纖測振系統采集隧道沿線全域振動信號，實現對公路隧道實時車流量統計。系統能夠對公路隧道內的車行信號進行有效提取和統計?；诠饫w傳感系統對隧道內的車流量進行實時檢測，用于控制和調整隧道內的照明系統。經過長期運行測試，能夠很好地達到根據車流量情況調節隧道照明亮度的效果，經過運行統計，隧道照明節省電量可達10.22%。系統在保證公路隧道有效照明的同時，有效減少了過度照明帶來的電力能源浪費。