高速公路隧道智能照明控制系統研究

潘 冬，郭 林，李玉善

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

引言

在進入高速公路隧道時，視野內光線的明暗會發生較大變化，不利于行車安全。因此，在照明滿足安全行車的基礎上，減小電力消耗，對公路隧道照明控制提出了很高的要求[1]。孫巧燕等[2]通過對LED 燈和高壓鈉燈全壽命周期內經濟效益與社會效益比較得出前者具有巨大優勢的結論。劉軍[3]提出了一種基于模糊控制方法的隧道照明控制系統，但未考慮車速對照明控制的要求；秦慧芳等[4]運用模糊神經網絡控制方法搭建了一種三輸入-單輸出的控制模型，但未監測實際的照明控制情況；沙欣[5]提出了一種神經網絡模糊控制模型，但未考慮速度的影響；秦莉[6]提出了一種能夠根據車輛有無、車輛行為信息和環境信息實時調整照明狀態以實現按需照明的方法。

1 系統設計

1.1 控制系統結構

該控制系統應能實時采集隧道內外的光亮度，駛經車輛的流量及車速，對隧道內的燈具進行合理控制。控制系統結構見圖1，首先利用車輛檢測器、亮度檢測器以及照度檢測器分別檢測車速、交通量、隧道洞外亮度以及隧道洞內亮度等信息，然后通過智能照明系統控制器實現對LED 燈的智能控制。

圖1 控制系統結構

1.2 車輛檢測器

車輛檢測方法有無線地磁檢測、環形線圈檢測、視頻檢測、紅外線檢測、雷達檢測、超聲波檢測和激光檢測等[7]。其中地磁檢測技術檢測精度高，安裝維護方便、價格便宜、使用壽命長、易更換。

為了保證行車安全，確定隧道內照明燈具的工作狀態，需在隧道的駛入段設置兩組車輛檢測器，分別作為預檢檢測器和入口檢測器。預檢檢測器對車輛的預檢，既能避免車輛到達隧道時臨時開燈帶來的不適感，也能防止隧道內照明頻繁的開閉。入口檢測器得到的數據作為控制算法的輸入數據，出口檢測器用來確認車輛是否駛出隧道。

1.3 隧道照明亮度、照度儀

隧道洞外亮度是入口段亮度控制的重要參數，入口段亮度決定了隧道其他分段的照明[8]。亮度檢測器檢測洞外亮度，照度檢測儀用于檢測隧道內燈光的照度，反饋照明情況。系統的洞外亮度檢測器將檢測到的隧道洞內外光照通過RS485 總線采用MODBUS 協議上傳至本地控制器。檢測系統結構見圖2。

圖2 洞外亮度、照度檢測工作系統結構

1.4 LED 調光

LED 光源的調光模式主要有燈管陣列控制、燈群組控制和無極調光三種方式。三種調光方式的照明需求曲線[9]差別很大。傳統照明方式保持亮度不變，燈陣列或燈群組控制的亮度調節呈階梯狀，只有無級調光能近似實現線性調節，符合各種情景下的亮度需求。目前市場上使用較多的LED 無級調光模式主要有模擬調光、可控硅調光和PWM 調光等。模擬調光的調節范圍具有局限性，可控硅調光對工作環境要求比較高，故本系統方案采用PWM 調光方式。

PWM 通過對驅動器施加數字脈沖信號，反復開關驅動器以控制燈源實際功率，從而達到調光目的。通過改變數字脈沖信號的占空比就可以等效的改變控制電流，從而平滑的實現256 級甚至更大范圍的調光需求。

2 系統控制策略

由于隧道最主要的調光部分是在入口段，并且過渡段亮度是依據入口段亮度得來，所以本系統把入口段亮度作為控制的輸出。影響入口段亮度的因素有洞外亮度、車速、交通量等，故將其作為模糊系統輸入變量，其對應的模糊語言集分別是L20（洞外亮度）、V（車速）及N（交通量）。模糊PID 控制方法可以自動調整系統的控制參數，提高系統的響應速度和穩定性。

2.1 模糊化

依據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014），洞外亮度L20的真實論域為[0 6000]，離散論域取[-6 6]，隸屬度函數圖像選擇三角形；車速的真實論域為[0 120]，取離散論域為[-4 4]，隸屬度函數圖像選擇梯形；交通量的幾個分界值為 2 400 veh/h、1 300 veh/h、700 veh/h、360 veh/h[10]，其實際論域為[0 2400]，取離散論域為[-4 4]。本系統選擇入口段亮度M 作為模糊控制的輸出，入口段調光的最大亮度為Lth=k×L20（S）=0.070× 6 500=455，其真實論域為[0 455]，取離散論域為 [-6 6]，隸屬度函數圖像選擇梯形。

2.2 模糊規則的確定

參照專家經驗及實際的控制經驗，制定模糊規則見表1。

表1 模糊規則

在進行模糊控制時，L20、V、N，并不能直接作為模糊運算的輸入變量，還需要通過量化因子進行量化，每一個輸入變量都有其對應的量化因子：

式中：ke—量化因子；m—輸入變量離散論域范圍；eh—輸入變量真實論域的最大值；el—輸入變量真實論域的最小值。

對于模糊控制輸出的M，同樣需要比例因子的換算才能得到實際的輸出結果：

式中：ku—比例因子；uh—輸出變量真實論域的最大值；ul—輸出變量真實論域的最小值；l—輸出變量離散論域范圍。

依據公式（1）和（2），可以得出輸入的量化因子和輸出的比例因子。在確定了量化因子和比例因子后，輸入變量L20、V、N 可通過公式（3）～（5）轉換為模糊控制的輸入l、v、n：

模糊控制器的輸出M 可以由公式（6）轉化成實際輸出m：

2.3 模糊推理

對于if L and v and n and p then M 的模糊規則，依據Mamdani 推理可得輸入與輸出關系：

式中：Ri—輸入與輸出對應的第i 條規則，i=1，2……63；T—矩陣轉置。

模糊關系矩陣：

則可以依據模糊關系矩陣求出對應的調光亮度：

2.4 解模糊

常用的解模糊法有最大隸屬度法、加權平均法和重心法。最大隸屬度法未考慮輸出隸屬度函數的形狀，只考慮了最大隸屬度處的輸出值，容易丟失許多有用信息，所以不宜選用；與最大隸屬度法相比，重心法有著更加平滑的輸出，當輸入信號發生微小變化時，輸出也會發生變化。

重心法是取隸屬度函數曲線與橫坐標圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值，重心法：

入口段亮度Lth由模糊控制法確定以后，過渡段、基本段和出口段按照如下方法來確定。

根據規范要求，過渡段亮度由TR1、TR2、TR3三個照明段組成，與之對應的亮度可按表2 取值。

表2 過渡段亮度

基本段照明亮度僅與交通量和車速有關，亮度值可按表3 取值。

表3 基本段亮度

出口段亮度宜取基本段亮度的5 倍：

3 控制系統仿真實驗

3.1 實驗系統搭建

實驗系統硬件由控制器模塊、亮度檢測模塊、PWM 調節電子開關控制板、隧道模型等構成[11]。控制器模塊采用的是工業級51 芯片STC89C52RC 單片機，負責接收數據和發送命令；亮度檢測模塊采用的是GY-30 數字光強傳感器；PWM 調節電子開關控制板采用Risym 公司生產的部件，實現LED 燈亮度的終端控制；兩節5 號電池提供LED 照明所需的電量，工程應用中，應該根據實際燈具功率及工作電壓的要求選擇合適的電源電壓供電；搭建了簡易的隧道模型框架，隧道長60 cm，隧道口寬度為 20 cm，高30 cm；內設30 顆LED 燈珠，采用透明塑料板罩以便于觀察調光效果。

電腦端通過數據線把程序下載到單片機控制器，GY-30 模塊采用IIC 通信，通過SDA、SCL 引腳分別接STC89C52RC 單片機的P2.0、P2.1 引腳，將采集光強數據傳輸到單片機內部存儲器，并把采集到的外界亮度信息通過單片機相應引腳顯示到LCD 屏上，信息經單片機調用處理后產生PWM 調光信號，利用PWM 電子開關控制板模塊通信傳來的調光信息調節LED 燈亮度。

3.2 結果分析

當外界環境（亮度）變化時，隧道模型內LED燈的亮度能夠根據預先調試好的程序實現智能照明。隨著外界亮度的增加，LED 亮度也隨之增加；外界亮度減小，LED 亮度也隨之減小。

通過對試驗系統的搭建和測試，驗證了方案中對LED 驅動模塊設計的可行性，能夠根據上位機發來的調光數據實現LED 終端的智能調光控制。由現場情況可以看出系統響應速度快，能夠根據外界環境因素的變化，平穩快速的實現LED 的平滑調光，有利于交通安全、節約能源，適用于高速公路隧道照明。

4 結語

設計了高速公路隧道智能照明控制系統，得出隧道內部照明亮度可根據洞外環境亮度、交通量、車速等實現自動調節。該系統方案可以根據實際要求、隧道具體自然地理條件和隧道設計規格修改，具有更大的靈活性，節能的潛力更大。