隧道照明智能調(diào)控系統(tǒng)

摘要：隧道照明能源的節(jié)約已成為隧道建設(shè)最重要的部分。通過分析現(xiàn)有隧道的發(fā)展和當(dāng)前智能控制算法的研究，簡述當(dāng)前智能調(diào)控存在的問題。并通過利用模糊神經(jīng)系統(tǒng)控制的算法對影響隧道照明的五個(gè)因素進(jìn)行MATLAB建模對LED燈具進(jìn)行無極調(diào)控，再通過對復(fù)雜天氣“亮度跳變”的問題進(jìn)行量級(jí)較大的分級(jí)調(diào)控。從而提高隧道的智能度和能源的消耗度。關(guān)鍵詞：智能調(diào)控；模糊神經(jīng)控制；無級(jí)調(diào)控；分級(jí)調(diào)控 引言隧道在城市網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，而隨著隧道的不斷增加，必然會(huì)衍生出一系列的問題。截止2016年底，中國公路隧道為15181座，總里程達(dá)14039.7km。雖然近年來，隧道照明發(fā)展很快，產(chǎn)生了多種智能調(diào)控的技術(shù)和方法[1]，但是在隧道照明智能調(diào)控系統(tǒng)實(shí)際的應(yīng)用中卻不是很成熟。全國仍有大量的隧道照明用的還是固定照明系統(tǒng)，并且其中大多數(shù)燈具都還是高壓鈉燈，極大的浪費(fèi)了能源。因此建立一個(gè)隧道只能調(diào)控系統(tǒng)就變得尤為重要，能夠極大的減少人力和能源消耗。1國外研究現(xiàn)狀歐美等少數(shù)科技較先進(jìn)的國家從20世紀(jì)50年代就開始對隧道智能照明技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)，將人工控制的照明集成在一起形成協(xié)調(diào)、高效的集成智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人操作，極大地減少了人力資源。到了20世紀(jì)80年代，國際照明委員會(huì)制定了多項(xiàng)關(guān)于隧道照明的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與規(guī)范，形成了統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為隧道照明的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。其中1982年制定的標(biāo)準(zhǔn)《CIENo.30.2，1988》一直被世界各國廣泛的應(yīng)用。國外隧道的燈具和照明智能控制系統(tǒng)都比較先進(jìn)，并且研發(fā)了大量各具特色系統(tǒng)。澳大利亞邦奇電子推出的Dynalite照明智能系統(tǒng)、奇勝科技推出的C-Bus系統(tǒng)，美國路創(chuàng)公司推出的GRAFIK隧道照明控制系統(tǒng)等。特別是飛利浦公司創(chuàng)造的智能照明系統(tǒng)在家居、零售、辦公、建筑和城市景觀照明領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展已經(jīng)變得尤為成熟，為其他國家隧道照明的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國公路隧道照明的發(fā)展相對較晚，科技的發(fā)展的也比較落后，國外的產(chǎn)品和技術(shù)需要極長的時(shí)間才能滲入國內(nèi)。直到21世紀(jì)，隧道照明的建設(shè)才通過參照國外的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，由交通部頒發(fā)并實(shí)施了第一部《公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范》。到2014年7月，再次頒布了《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》。兩部規(guī)范的實(shí)施極大地推進(jìn)了我國公路隧道照明的發(fā)展，隧道不再是只有高壓鈉燈照明、不再只有耗費(fèi)人力的人工控制以及。同時(shí)各地方依據(jù)規(guī)范均制定出復(fù)合其自身獨(dú)特環(huán)境和地理特性，極大的推進(jìn)和豐富了中國隧道照明的進(jìn)程和內(nèi)容[2]。2.1隧道智能調(diào)控算法從傳統(tǒng)人工控制到分級(jí)調(diào)控，公路隧道照明不斷充實(shí)，到今天的照明智能控制系統(tǒng)，隧道照明已經(jīng)越發(fā)成熟，為建設(shè)綠色的、節(jié)能的公路照明系統(tǒng)做出巨大了貢獻(xiàn)。當(dāng)前的智能控制系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和交通參數(shù)之后建立參數(shù)模型，我們考慮的控制變量越來越多，控制算法越來越多樣化，隧道照明模型更加精準(zhǔn)、更加節(jié)能、更加高效。而且隨著無線傳感技術(shù)的高速發(fā)展，如Zigbee、藍(lán)牙、wifi等短距離低成本的無線傳感技術(shù)，使得隧道照明智能調(diào)控更加精確和高效[3]。應(yīng)用最多的智能調(diào)控系統(tǒng)為對洞外亮度、車速、以及車流量進(jìn)行建模的算法。2017年郭曉杰，方春平利用自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，從而調(diào)節(jié)照明設(shè)備，對于LED燈具，可以實(shí)現(xiàn)隧道的無級(jí)調(diào)光。對于高壓鈉燈，則可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)調(diào)光。2017年7月張德錢，洪遠(yuǎn)泉，周永明利用數(shù)學(xué)擬合，仿真分析了不同車速下的車流量、洞外亮度和隧道坡度變化對照明功率的影響。隧道照明的改造空間很大，智能控制系統(tǒng)的開發(fā)和完善對于交通的安全和節(jié)能有著重要的意義，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和依據(jù)。2.2智能調(diào)控存在的問題王興平，史玲娜，涂耘在公路隧道系統(tǒng)性照明節(jié)能技術(shù)應(yīng)用思路中，設(shè)計(jì)了一種將太陽能薄膜光伏遮光棚技術(shù)和LED無級(jí)調(diào)光技術(shù)相結(jié)合的綜合性照明節(jié)能思路，能夠極大的減少能源的消耗。對智能調(diào)控領(lǐng)域當(dāng)前仍存在許多未解決的細(xì)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)真正的全方位無人的、高效的智能照明。具體問題如下：（1）不同特點(diǎn)的隧道沒有相對應(yīng)的算法和控制系統(tǒng)。（2）現(xiàn)有控制系統(tǒng)影響因素考慮不全面。（3）隧道照明控制實(shí)時(shí)性差。（4）隧道照明算法的多樣性沒有產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)的理論。3解決方案3.1模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)下的分級(jí)調(diào)光系統(tǒng)模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)是現(xiàn)在交通行業(yè)運(yùn)用比較廣泛的一個(gè)算法，在大量非線性問題中得到了成功運(yùn)用。此方案為實(shí)現(xiàn)隧道遠(yuǎn)程無人智能調(diào)控，并在云層大量突變條件下采用量級(jí)超過100的分級(jí)調(diào)控系統(tǒng)，從而解決隧道的盲視效應(yīng)、亮度跳級(jí)以及資源的浪費(fèi)。交通量的增加會(huì)使隧道照明的亮度增加；而行車速度和隧道的坡度能夠影響人的反應(yīng)時(shí)間；路面亮度影響駕駛員的視野。而洞口亮度s20是隧道洞內(nèi)亮度變化的主要因素。因此我們根據(jù)洞外亮度、車流量、車速以及隧道坡度、路面亮度等多因素條件下進(jìn)行模糊神經(jīng)系統(tǒng)建模。并且利用燈光檢測器對洞外s20進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)亮度發(fā)生較大變化時(shí)采用量級(jí)較大的分級(jí)調(diào)控[4]。3.2研究步驟1）利用CAD畫出隧道，輸入隧道各參數(shù)進(jìn)行三維建模。2）利用洞外亮度s20、車流量q、車速v以及隧道坡度d、路面亮度L這五個(gè)因素建立一個(gè)模糊神經(jīng)控制的函數(shù)即隸屬度函數(shù)。函數(shù)可選用三角形隸屬度函數(shù)，此函數(shù)相對簡單方便。3）對大量的隧道數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB仿真，得出一個(gè)上s20與四個(gè)變量的曲線關(guān)系。并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校對，查證可行性。4）將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，利用公式D=a·L20（t）。D為隧道洞內(nèi)亮度，a為亮度系數(shù)，S20（t）為各因素影響下關(guān)于時(shí)間的控制函數(shù)，從而控制LED的無極調(diào)控。5）通過對隧道進(jìn)行洞外亮度不同天氣（晴天，多云，少云，雨天，霧天）等多種情況下的s20檢測，從而確定一個(gè)分級(jí)調(diào)控的量級(jí)，并確定一個(gè)輸出時(shí)間和周期刷新率，提高控制的實(shí)時(shí)性。夏倩，黃長久，李宏杰在公路隧道照明調(diào)光與行車安全分析中，利用云南楚大高速公路九頂山特長隧道及西寧南繞城高速公路隧道群得出系統(tǒng)的調(diào)光間隔時(shí)間至少在2s以內(nèi)，調(diào)光的亮度等級(jí)達(dá)到100級(jí)以上。現(xiàn)場的隧道照明控制通信系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感技術(shù)。LED隧道燈采用上海三思最新制作的C0810—OC陶瓷像素隧道燈，其有雙透鏡設(shè)計(jì)，每顆像素包含2顆芯片。產(chǎn)品具有防潮、防水、通透散熱、每顆像素功率大，且易安裝、易拆卸、易維護(hù)等特點(diǎn)。遠(yuǎn)程智能調(diào)控系統(tǒng)位于監(jiān)測中心，能夠?qū)崟r(shí)對現(xiàn)場進(jìn)行通信和監(jiān)測。監(jiān)控中心可對隧道的所有參數(shù)和設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，可以采集大量的實(shí)時(shí)隧道數(shù)據(jù)，便于后期的處理。并在發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控人員能及時(shí)通過該界面進(jìn)行緊急控制，使燈具亮度最大，從而便于對事故的處理和隧道的檢測。參考文獻(xiàn)[1]張磊.基于交流LED光引擎的公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].長安大學(xué)，2017.[2]楊顯立.基于WiFi的隧道照明無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華南理工大學(xué)，2013.[3]潘海龍.大功率LED隨道照明智能控制系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.[4]潘國兵，梁波，皮宇航，等.基于反應(yīng)時(shí)間的隧道照明縮尺模型集成系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53（3）：26-32.[5]張德錢，洪遠(yuǎn)泉，周永明.公路隧道照明優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算方法研究[J].隧道建設(shè)，2017，37（7）：803-807.作者簡介：黃澤（1994.07-），男，重慶人，職務(wù)/職稱：學(xué)生，學(xué)歷：本科，單位：重慶交通大學(xué)，研究方向：交通運(yùn)輸工程。