公路隧道LED燈無極調(diào)光控制技術(shù)

韋承禮

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

公路隧道在道路中屬于一種特殊的路段，在隧道的內(nèi)部和外部存在著明顯的亮度差，側(cè)向凈寬小，擴(kuò)展活動(dòng)的范圍不大，噪聲很明顯，而且當(dāng)車輛的行駛速度變大且車流量變多時(shí)，就易爆發(fā)交通問題，存在著安全隱患，公路的優(yōu)越性也在減弱[1]。公路隧道和其他公路路段相比，具有通行能力差、行車速度慢等缺點(diǎn)，給交通造成了很大的影響，環(huán)境也受到了很嚴(yán)重的污染。而為了解決隧道內(nèi)部和外部的亮度差的問題，可以在隧道的內(nèi)部進(jìn)行機(jī)械能照明，確保車輛能夠安全行駛，讓道路暢通無阻[2]。所以，隧道的入口照明也要適應(yīng)亮度的逐步變化，而通過在隧道照明中加入無線控制終端，依靠人工設(shè)計(jì)讓隧道的出入口能夠隨著隧道燈光的亮度改變而被照亮[3]。

秦慧芳等[4]對(duì)于照明中所產(chǎn)生的能耗問題提出了一種新的辦法，原理是基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，根據(jù)對(duì)隧道洞外的亮度照明、車輛速度和過往的車流量等數(shù)據(jù)的采集來作為照明系統(tǒng)的輸入值，而把隧道內(nèi)的回路調(diào)光段作為輸出值，在這個(gè)基礎(chǔ)上建立一個(gè)“3輸入-單輸出”的控制模型，以增加隧道的照明度，這種方式經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證，從而給現(xiàn)在的隧道照明提供了一些方法。何素梅等[5]也充分利用LED光源在隧道照明中的優(yōu)點(diǎn)，采用大功率的LED照明光源，在對(duì)照明進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，用人工的方法解決隧道照明所需的光源，在RS485總線上產(chǎn)生通信結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)閉環(huán)回路，生成燈節(jié)點(diǎn)的地址代碼，而且每個(gè)燈節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)編碼，獨(dú)自控制256級(jí)灰度，再用GPRS系統(tǒng)收集和調(diào)節(jié)光控制數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，對(duì)故障實(shí)施報(bào)警，通過光敏源來檢查隧道外面的亮度，以解決調(diào)節(jié)隧道照明的問題。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)此操作是可行的，并提高了隧道的安全性能。

基于以上研究背景，本文設(shè)計(jì)一種公路隧道LED燈無極調(diào)光控制技術(shù)，用于公路隧道LED燈的無極調(diào)光控制，從而提高公路隧道LED燈無極調(diào)光的控制效果。

1 公路隧道LED燈無極調(diào)光控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 融合公路隧道LED燈無極調(diào)光控制參數(shù)

公路隧道LED燈無極調(diào)光控制參數(shù)包括交通量參數(shù)、洞內(nèi)亮度參數(shù)和洞外亮度參數(shù)。在對(duì)無極調(diào)光控制參數(shù)進(jìn)行融合處理之前，應(yīng)先采集無極調(diào)光控制參數(shù)。

采集公路隧道交通量數(shù)據(jù)是根據(jù)雷達(dá)探測(cè)法對(duì)通行車輛及其他交通量數(shù)據(jù)進(jìn)行定位和探測(cè)，采用側(cè)掛式方法，在扇形區(qū)域形成發(fā)射低功率微波的區(qū)域，經(jīng)過連續(xù)發(fā)射后在路面上形成長(zhǎng)條投影[6]。微波車檢器能夠?qū)ξ⒉úㄊ?.3 m以上的方向進(jìn)行分層檢測(cè)，形成50°發(fā)射角、12°方位角的微波波束。微波波束安裝完畢后，在公路上形成一個(gè)橢圓形投影，該投影有254個(gè)平面。針對(duì)用戶對(duì)確定的檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行分層檢測(cè)，微波車輛檢測(cè)器通過測(cè)量目標(biāo)的交通信息，根據(jù)被測(cè)目標(biāo)返回的回波計(jì)算，定期發(fā)送無線通信模塊，從而控制隧道照明系統(tǒng)。

公路隧道亮度采集采用特殊的亮度檢測(cè)器，以光學(xué)成像結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用人眼光譜響應(yīng)模式和機(jī)械性能模擬法，對(duì)隧道內(nèi)平均亮度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。探測(cè)范圍為2.5～3 m，隨著外部環(huán)境亮度的不斷變化，相應(yīng)的亮度值也不斷變化，形成4～20 mA的電流輸出信號(hào)，與亮度值成正比，從而控制隧道照明設(shè)備[8]。光度表的電源是供配電，用于通過隧道的出口變電量進(jìn)行照明或增加照明的供電回路。

亮度檢測(cè)儀將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過鎧裝電纜引入變電所燈光控制柜，并接入柜內(nèi)隧道智能照明系統(tǒng)控制器。采用模擬信號(hào)傳輸亮度信號(hào)的主要原因是調(diào)光的實(shí)時(shí)性要求[9]。該系統(tǒng)利用模擬信號(hào)使隧道內(nèi)加強(qiáng)段的亮度隨著隧道外亮度的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)連續(xù)調(diào)光。亮度檢測(cè)儀設(shè)置如圖1所示。

圖1 亮度檢測(cè)儀設(shè)置示意圖

根據(jù)交通量參數(shù)、洞外亮度參數(shù)和洞內(nèi)亮度參數(shù)的采集結(jié)果，按照式(1)進(jìn)行計(jì)算，將公路隧道LED燈無極調(diào)光電壓輸出，實(shí)現(xiàn)公路隧道LED燈無極調(diào)光控制參數(shù)的融合。

Lth1(t)=k(N)×L20(t)

(1)

式中：k——亮度折減系數(shù)；

N——交通量；

Lth1(t)——入口段TH1的實(shí)際亮度；

L20(t)——洞外實(shí)際亮度。

利用微波車檢器對(duì)公路隧道內(nèi)的車輛和交通量進(jìn)行檢測(cè)和定位，采集公路隧道內(nèi)的交通量參數(shù)；根據(jù)亮度儀信號(hào)采集原理，通過專用的亮度檢測(cè)儀，采集公路隧道的洞外亮度參數(shù)和洞內(nèi)亮度參數(shù)。按照公路隧道LED燈無極調(diào)光電壓輸出公式，融合處理公路隧道LED燈無極調(diào)光控制參數(shù)。

1.2 構(gòu)建公路隧道LED燈無極調(diào)光模型

公路隧道路面的平均水平照度公式表示為式(2)：

(2)

式中：η——公路隧道內(nèi)LED燈的利用系數(shù)；

φ——公路隧道內(nèi)LED燈的額定光通量；

M——公路隧道內(nèi)LED燈的養(yǎng)護(hù)系數(shù)；

N——公路隧道內(nèi)LED燈的布設(shè)系數(shù)；

W——公路隧道的路面寬度；

S——公路隧道內(nèi)LED燈的間距。

利用轉(zhuǎn)換系數(shù)[10]，將公路隧道內(nèi)路面的平均水平照度轉(zhuǎn)換為公路隧道內(nèi)路面的平均水平亮度，轉(zhuǎn)換公式為式(3)：

(3)

式中：Lav——公路隧道內(nèi)路面的平均水平亮度；

x——換算系數(shù)。

為了保證在公路隧道LED燈打開的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)公路隧道LED燈無極調(diào)光，選擇具有遠(yuǎn)程控制negligence的整流器。根據(jù)公路隧道洞口外部的照明情況，調(diào)整公路隧道LED燈的實(shí)際功率，滿足公路隧道內(nèi)部不同路段對(duì)燈光亮度的要求，實(shí)現(xiàn)公路隧道LED燈的無極調(diào)光[11]。

公路隧道LED燈無極調(diào)光的具體流程如下：

(1)依據(jù)公路隧道內(nèi)不同段長(zhǎng)度及照明要求，確定公路隧道內(nèi)各段回路的層數(shù)，并根據(jù)各段回路的層數(shù)，采用插值方法得到公路隧道內(nèi)各段的分層子回路要求亮度[12]。

(2)加強(qiáng)公路隧道內(nèi)各路段分層子回路LED燈的光通量，計(jì)算公式為式(4)：

(4)

式中：Φi——公路隧道內(nèi)各分層子回路的光通量；

Eav，i——公路隧道內(nèi)各分層子回路的照度需求。

(3)在公路隧道內(nèi)各分層子回路中，確定LED燈需求光通量與調(diào)光功率之間的關(guān)系為：

(5)

式中：Pi——公路隧道內(nèi)各分層子回路的LED燈功率；

λ——LED燈的光效系數(shù)；

Φi——隧道內(nèi)各分層子回路的LED燈需求光通量。

根據(jù)公路隧道路面的平均水平照度公式，利用轉(zhuǎn)換系數(shù)，將公路隧道內(nèi)路面的平均水平照度轉(zhuǎn)換為公路隧道內(nèi)路面的平均水平亮度，通過設(shè)計(jì)公路隧道LED燈無極調(diào)光流程，構(gòu)建了公路隧道LED燈無極調(diào)光模型。

1.3 設(shè)計(jì)公路隧道LED燈無極調(diào)光控制流程

首先是處理隧道外的人流量和交通流量，根據(jù)所收集的隧道外的亮度信息和車流量信息，進(jìn)行時(shí)序信息和參數(shù)處理，通過計(jì)算生成模擬信號(hào)，控制隧道內(nèi)LED的亮度。該亮度儀分別放置在洞口和洞口中間部位，用于采集洞口位置的亮度信息，然后與標(biāo)準(zhǔn)值比較，如果相符則繼續(xù)使用，反之則重新采集。這些測(cè)試的數(shù)據(jù)每20s就會(huì)傳送到中控室，中控室根據(jù)實(shí)際情況的變化隨時(shí)修改指令[14]。公路隧道LED燈無極調(diào)光控制流程如圖2所示。

圖2 公路隧道LED燈無極調(diào)光控制流程圖

公路隧道內(nèi)照明數(shù)據(jù)的處理程序比較復(fù)雜，必須排除各種干擾。其中，最嚴(yán)重的干擾是隧道內(nèi)的亮度。燈的亮度不僅受隧道內(nèi)交通量的影響，還受隧道外交通燈的影響[15]。數(shù)據(jù)處理程序必須從隧道噪聲中提取有效信號(hào)，使隧道內(nèi)亮度不會(huì)突然變化。

綜上所述，通過采集公路隧道的交通量參數(shù)、洞內(nèi)亮度參數(shù)和洞外亮度參數(shù)，融合處理了公路隧道LED燈無極調(diào)光控制參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)公路隧道LED燈的無極調(diào)光，利用轉(zhuǎn)換系數(shù)，將公路隧道內(nèi)路面的平均水平照度轉(zhuǎn)換為公路隧道內(nèi)路面的平均水平亮度，構(gòu)建了公路隧道LED燈無極調(diào)光模型，結(jié)合公路隧道LED燈無極調(diào)光控制流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了公路隧道LED燈無極調(diào)光的控制。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所提出的公路隧道LED燈無極調(diào)光控制技術(shù)的無極調(diào)光控制效果，采用某一公路隧道作為計(jì)算仿真實(shí)例。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

在實(shí)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，以時(shí)間為自變量，引入文獻(xiàn)[4]的公路隧道LED燈無極調(diào)光控制技術(shù)和文獻(xiàn)[5]的公路隧道LED燈無極調(diào)光控制技術(shù)作為對(duì)比，分別對(duì)公路隧道LED燈的耗電量和公路隧道的洞外亮度進(jìn)行測(cè)試。公路隧道LED燈的耗電量測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 公路隧道LED燈的耗電量測(cè)試結(jié)果曲線圖

圖4 公路隧道的洞外亮度測(cè)試結(jié)果曲線圖

3 結(jié)語

本文提出的公路隧道LED燈無極調(diào)光控制技術(shù)，對(duì)公路隧道內(nèi)LED燈具的控制參數(shù)進(jìn)行綜合處理，將公路隧道內(nèi)路面的平均水平照度轉(zhuǎn)化為公路隧道內(nèi)路面的平均水平亮度，建立了公路隧道內(nèi)LED燈具的無極調(diào)光控制模型，實(shí)現(xiàn)了公路隧道內(nèi)LED燈具的無極調(diào)光控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該控制技術(shù)，可使公路隧道LED燈具無極調(diào)光控制效果達(dá)到最佳。