隧道閉環(huán)反饋智慧照明系統(tǒng)的設計

胡葉舟，秦會斌

（杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

實際生活中，在汽車駕駛員進入隧道的過程中由于隧道內照明不充分，內外亮度差會產生“黑洞效應”；而在駛出隧道時由于外界光線過亮，又會產生 “白洞效應”。這些效應將會降低駕駛員的可見度，加大駕駛的危險性，極易發(fā)生交通事故。同時，國內外的隧道照明均以亮度值作為標準，未考慮光源色溫對照明效果和視覺功效的影響。因此，解決駕駛員的視覺適應性問題將是隧道照明設計的關鍵[1～2]。

本文設計了一種具有閉環(huán)反饋調節(jié)能力的隧道照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集洞外的亮度、色溫值和交通流量參數，根據隧道照明規(guī)范計算出隧道內的照明亮度、色溫需求值，并據此調節(jié)隧道內變色溫燈的亮度和色溫。同時系統(tǒng)會將隧道內的實際照明值作為反饋變量，實時調整變色溫燈的工作狀態(tài)，確保了實際照明值與需求值的一致性。

1 隧道智慧照明系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由隧道外的控制單元、數據采集單元、照明調光單元、照明監(jiān)測單元組成。現場控制主機與本地設備通過RS485建立通訊，控制主機與遠端監(jiān)控中心通過光纖網絡建立通訊。隧道智慧照明系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示[3～4]。

圖1 隧道智慧照明系統(tǒng)結構示意圖

洞外/洞內環(huán)境探測器、八回路開關控制器和二路調光驅動器均基于STM32設計。

（1）MCU：STM32F103 處理器。

（2）存儲：板載一片8kB的 EEPROM芯片（型號：AT24C08），儲存設備實時工作狀態(tài)信息和控制單元下發(fā)的工作列表。

（3）電源：AC220-DC12V/5V/3.3V 開關電源。

（4）地址：每一設備在本系統(tǒng)中均有唯一地址以保證通訊正常。設備地址大小為8bit，分為高4位類型地址和低4位編號地址。其中，類型地址為設備的類型標識，固定不可變，寫入在設備驅動中；編號地址為同種設備在一個系統(tǒng)中的區(qū)分標識，由用戶使用4位撥碼開關自由配置。

（5）通訊：遵從RS485總線協(xié)議。為了提高系統(tǒng)數據傳輸實時性，設備結合數據接收中斷和定時器中斷方式實現CSMA/CD協(xié)議[5]，突破傳統(tǒng)主從模式的限制。設備實時監(jiān)聽總線狀態(tài)，在總線空閑時可以主動向控制單元發(fā)送數據。

1.1 控制單元

該單元是整個系統(tǒng)的“大腦”，由現場控制主機和遠端監(jiān)控中心組成。以洞外環(huán)境數據和車流量數據為基礎，根據調光策略計算出各個照明段照明亮度和色溫需求值，對照明調光單元發(fā)布調控指令，并根據監(jiān)測單元采集的實際值進行反饋調節(jié)，以保證隧道內的照明實際值達到需求值要求（實際值允許誤差范圍為-1%～+5%）。隧道智慧照明系統(tǒng)閉環(huán)反饋調節(jié)原理示意圖如圖2所示[6]。

圖2 隧道智慧照明系統(tǒng)閉環(huán)反饋調節(jié)示意圖

1.2 數據采集單元

該單元是整個系統(tǒng)的感知部分，由洞外環(huán)境探測器和線圈車檢器組成。主要是采集隧道調光策略需要的數據信息，包括隧道外環(huán)境的光照強度、色溫、溫濕度以及車流量值。

（1）洞外環(huán)境探測器主要通過控制光強傳感器、色溫傳感器、溫濕度傳感器以及GPS定位模塊采集數據。其中光強和色溫值是制定調光策略的主要參數；溫濕度值用于判斷環(huán)境是否有霧，在云貴川等多霧地區(qū)，該數據對于調光策略的制定十分重要；定位信息用于輔助判斷隧道位置。洞外環(huán)境探測器結構框圖如圖3所示。

圖3 洞外環(huán)境探測器結構框圖

（2）線圈車檢器用于檢測車流量值。利用埋設在路面下方的環(huán)形線圈，通過LC諧振電路和整形電路將線圈產生的正弦波振蕩信號整形成方波信號，STM32處理器通過定時器輸入捕獲功能來測算方波信號的頻率變化從而判斷是否有車輛通過。當有車輛通過線圈上方時，線圈產生的電感量將會變化，LC諧振電路的正弦振蕩信號頻率隨之變化，STM32處理器接收到的方波頻率也隨之變化。每個線圈車檢器的監(jiān)測通道為兩個。當單獨使用一個通道時，用于檢測車流量；當同時使用兩個通道時，記錄車輛分別通過兩個線圈的時間T1、T2，計算該車速度為V=S/（T2-T1），S為兩個線圈間隔距離。線圈車檢器結構框圖如圖4所示。

圖4 線圈車檢器結構框圖

1.3 照明調光單元

該單元是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分，由八回路開關控制器和二路調光驅動器組成。主要是根據控制單元下發(fā)的指令來控制回路內燈具的工作狀態(tài)。

（1）二路調光驅動器主要調節(jié)變色溫燈具的亮度、色溫值，同時對燈具功率進行檢測。二路調光驅動器結構框圖如圖5所示。

圖5 二路調光驅動器結構框圖

主要分為：①STM32處理器輸出4通道PWM信號，經過一級電壓放大，二級電流放大，得到0～10V調光電壓，控制變色溫燈的黃光、白光控制端[7]。4通道分為2個回路，可調節(jié)兩個回路區(qū)間內的燈具，同一區(qū)間燈具照明狀態(tài)相同。②STM32處理器控制兩路光耦繼電器，分別控制每個照明回路內的第一盞變色溫燈，接入方式為常閉態(tài)。③功率檢測主要通過電流互感器檢測照明回路內第一盞變色溫燈工作電流，判斷該照明段內燈具調光狀態(tài)是否正常。互感器交流輸入端與光耦繼電器輸出端串聯(lián)。使用實際電流比K=2000∶1的電流互感器將一次側大電流轉換成二次側小電流，通過RC采樣電路和電壓放大電路后，供ADC采集[8]。計算可獲得該燈具的工作電流，計算公式如下：

式中：I—— 工作電流，A；

K——電流互感器實際電流比；

VADC——STM32中ADC采集的電壓數值，V；

R——采樣電阻阻值，Ω；

N—— 電壓放大倍數。

（2）八回路開關控制器主要控制各個照明段回路的供電的通斷。

根據交通運輸部發(fā)布的《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01-2014），將隧道根據照明需求劃分成八個照明段[2]，各照明段劃分示意圖如圖6所示。開關控制器采用STM32處理器控制一級光耦繼電器，一級光耦繼電器控制二級交流大功率繼電器的方式，分別控制每個照明段回路內所有燈具供電的通斷。

圖6 隧道照明段劃分示意圖

1.4 照明監(jiān)測單元

該單元是整個系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，設備為洞內環(huán)境探測器。洞內環(huán)境探測器主要是控制光強傳感器、色溫傳感器采集洞內實際照明數據，作為系統(tǒng)的反饋信息。

2 隧道智慧照明調光策略

為使駕駛員安全、穩(wěn)定、舒適地通過隧道，同時滿足經濟、節(jié)能的隧道調光需求，應同時考慮交通量 N、隧道外亮度 L20（S）、隧道外色溫 Kct二個因素，采用合理的調光原則調控隧道內光環(huán)境。

高速公路隧道設計速度通常分為60km/h、80km/h、100km/h、120km/h。不同環(huán)境下的隧道內燈具光源的最佳色溫值也是不同的。根據實驗，隧道入口段的最適宜色溫在5000K左右，而隧道中間段的最適宜色溫在3600K[10]。在燈具優(yōu)先滿足照明亮度需求的前提下，可以對色溫進行調節(jié)，使隧道內光環(huán)境達到最適宜駕駛的狀態(tài)。根據設計細則，隧道內不同照明段的照明亮度值標準和色溫值標準如表1所示。

表1 隧道不同照明段的照明亮度值標準和色溫值標準

表中：k——入口段亮度折減系數。

（1）為了達到最優(yōu)的照明狀態(tài)，k可參考表2進行取值。

表2 隧道入口段亮度折減系數標準

（2）根據實驗測試，色溫與變色溫燈的白黃光比值滿足公式（2）：

式中：Kct——色溫，K；

P——變色溫燈的白光與黃光比值。

維持白光與黃光比值P恒定，通過改變白光或黃光值大小，即可實現保持色溫不變，調節(jié)照明亮度的目的。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)于某年一月份在貴州省畢節(jié)市某隧道進行現場測試，該隧道為分離式隧道，左線洞長1270m，右線洞長1235m，設計時速80km/h。測試時間段內有階段性團霧。主要目的是驗證系統(tǒng)是否能根據隧道外界環(huán)境變化準確調整隧道內部燈具的照明狀態(tài)。

實驗器材：工控機管理軟件、柯尼卡色彩亮度測量儀，以及本系統(tǒng)的各單元設備。

測試方法：對入口TH1段進行測試。測量隧道口環(huán)境的光強和色溫值，通過計算獲得入口段所需要調節(jié)的照明亮度和色溫值，對比柯尼卡測量儀實際采集到的亮度和色溫值。每隔半個小時自動采集一次數據，測試時間為24小時。

24小時內隧道洞外環(huán)境亮度、色溫值如圖7所示，隧道入口段照明亮度、色溫需求值和實際值對比如圖8所示。

經現場測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，調光的實際效果能夠根據外界環(huán)境值實時變化，并且符合設計規(guī)范。

圖7 24小時內隧道洞外環(huán)境亮度、色溫值a）亮度值 b）色溫值

圖8 24小時內隧道入口段照明亮度、色溫值a）亮度值 b）色溫值

4 結語

本文設計了一種基于閉環(huán)反饋的隧道智慧照明控制系統(tǒng)，給出了具體的照明亮度、色溫調節(jié)策略，對傳統(tǒng)隧道照明的缺陷進行改進。根據隧道外環(huán)境參數和車流量數值，自動調節(jié)隧道內照明狀態(tài)，閉環(huán)反饋方式保證了照明實際效果的準確性。通過實際現場測試，本文提出的系統(tǒng)能夠準確執(zhí)行制定的調光方案，避免了隧道口的“黑洞效應”和“白洞效應”，提高了行車安全性，具有推廣價值。