基于隧道交通安全系統的電路優化

侯俊濤，楊艷

（攀枝花學院智能制造學院，四川攀枝花，617000）

0 引言

我國中西部地區因為地理條件的緣故，隧道在基礎公路運輸中過程中起著至關緊要的作用。但同時因為中西部偏遠地區經濟條件不優渥，因此導致了基本交通照明設施的落后，甚至有的地區隧道控制電路仍然采用老式的傳統閘刀電路，存在無車狀態下開啟隧道燈光、隧道口處燈光亮度不足等交通安全和資源浪費問題，這不僅導致交通事故的頻發，同時也增加了經濟負擔，與現代智能交通安全、節能、減排的基本理念是背道而馳的。

1 隧道照明要求和控制原理

1.1 隧道照明要求

此次設計要求主要采用led隧道燈，由于隧道特有的封閉結構，駕駛員在進入和駛出隧道時因為“黑洞”、“白洞”效應帶來了短暫的失明。因此為了減緩甚至避免這種效應帶來的道路安全隱患，本文將針對整個隧道的燈光設計進行一些科學、合理的優化，給隧道交通安全和社會帶來一定的收益和保障。

最主要的目的就是解決“黑洞”和“白洞”效應帶給駕駛員的影響，“黑洞”和白洞效應的產生主要來自于外界光線強度的急劇變化，隧道具有獨特的封閉結構，導致了隧道內外的亮度差，駕駛員在短時間內遭遇外界光線強度的急劇變化導致了“黑洞”和“白洞”效應的產生，在這種環境下，駕駛員由于看不清前方的道路狀況，對于本身來說，這無疑時致命的，為此我們將整個隧道分為三個部分，一個內室，以及兩個監控區域，（如圖1）監控區域存在線圈，當監控區域存在車輛，則系統通過交通指示燈進行反饋，用于提醒駕駛員前方的道路狀況。

圖1 隧道縱向剖面圖

在中長型隧道中，內室的長度更長，若將整個隧道的led燈全部統一功率規格，使得整個隧道處于一個高亮度的狀態中，相對應的維護和運行成本隨之升高，同時也不符合系統的節能主旨，因此本文將靠近隧道出入口處的隧道燈安裝改造為功率高且密集，隧道內室則功率低且稀疏，使得隧道整體亮度變化如圖2所示，給駕駛員一個緩慢變化的視線適應過程，減少由于亮度、氣溫等外部因素給駕駛員帶來的影響，從而降低隧道口處的事故發生率。

圖2 隧道照明亮度曲線取自（交通隧道LED照明智能控制系統研究張德錢）

1.2 控制原理

相比于傳統的開關控制電路，本文探討的是一種新型智能化自動控制開關，原理為兩個計數器進行數據比對，當二者數值相等時控制隧道燈光電路處于關閉狀態，同時將數據上傳數據庫，得到即時的道路車輛通行數據。圖5為計數器的原理構造，為了讓計數器能夠達到準確計數的目的，此外本文將鋪設線圈作為計數器1的觸發器，將觸電產生的電流與計數器連通，從而達到每經過一輛車，計數器1產生增值的效果，并與計數器2進行比對，最終達到車輛數據對比來控制隧道燈光電路的效果，以此來解決在無車條件下燈光資源浪費的問題。

圖3 單片機內部計數器原理構造圖

傳統的隧道電路采用閘刀等開關方法來控制燈光，過于死板和固定，即使在無車輛的狀態下也無法關閉燈光電路，浪費了大量的電力資源，因此本文針對此類現象使用雙計數器控制電路，極大的減少電力資源的支出和浪費。

1.3 針對數據對比延誤的問題的措施

本文采用的控制電路主體由邏輯門電路和穩壓電源電路組成，由于系統采用雙計數器對比數據控制電路的結構，故而存在著一定的時間延誤，可能導致系統工作緩慢等情況的出現，增大車輛駛入隧道的安全風險因此本文在電路中加入一個超前進位加法器，以此來減少系統的工作反應時間。使用超前進位加法器來減少整個系統的數據對比和運作的時間，使得隧道燈光燈光能夠在車輛進入入口之前的安全距離就能正常打開，從而使車輛能夠安全進入隧道。

2 數據控制和電路布局

2.1 數據對比控制電路

本文針對電路的具體控制采用PLC可編程控制技術，將計算機技術、自動控制技術以及通信技術實現融合一體化，最終來控制整個燈光電路。

當車輛經過感應線圈后，計數1器發生增值，將數據傳至計數器2處進行比對，輸入兩個計數器的數據至邏輯電路中，最終將結果輸出復制為兩份，一份保存至寄存器用于上傳數據庫，使得整個交通系統達到實時的數據，另一份則轉換至控制電路，通過PLC可編成控制技術來控制系統燈光的開啟；同理，若計數器2發生增值，則判定為是否關閉燈光，若計數器1、2在一定時間內并未相等且長時間無變化，此時將判定為意外狀態，根據實際情況來進行電路的控制。

將計數器1、2的數據輸入數值比較器中，進行邏輯門“與或非”的對比，采用的數值比較器的基本組成為74LS85邏輯板塊，當數據經過74LS85邏輯電路模塊的輸出后，將此信號數據轉換成命令，進行下一步處理，以此來控制整個隧道電路的運轉，達到自動控制燈光和智能交通的目的。

2.2 意外情況的判定和電路布局

當長時間內計數器1和計數器2數據不等且無變化時，則說明隧道內部此時出現了意外情況，隧道內存在車輛長時間未離開車輛，此時應當繼續打開燈光，控制交通指示燈變為警戒色，提示駕駛員隧道道路狀況存在意外情況，同時將此信息上傳至數據庫，再由數據庫反饋給汽車，使得駕駛員得到前方隧道道路的大致情況，并通過隧道口的信號指示燈來進行預防。若長時間內一直為此情況，此時系統開啟自我檢測模式，檢查系統自身的運轉情況，檢測是否為系統故障，最終將系統自我檢測數據和道路數據一同上傳，使得數據庫發現異常狀況，并作出相應的措施（派出維修人員前去檢測維修等）。

例如，隧道路段的最低限速為60碼，全長12公里，則正常狀況下12分鐘即可從出口處離開隧道，計數器2的數值也會產生增值狀況。當數據不等且無變化狀態超過總時長的20%不超過30%時將隧道內的道路狀況判定為“前方道路狀況不明，可能存在意外情況”，當超過30%時將判定為“前方道路出現意外事故”。以上兩種情況都將通過改變交通信號的的顏色來對司機進行警示，并將其上傳數據庫，更新實時數據，以此統計各階段的情況占總交通量的百分比，可作為科研調查的數據。

由圖4可知，優化前的隧道電路運轉模式趨于手動化，同時還要根據不同的時間段，人為去控制電路燈光的模式，過于浪費資源，受外部影響較大，因此圖5在圖4的基礎上對運轉模式進行了數據集中化和減少電力能源支出的優化，使得隧道電路在原先安全的基礎之上增加了節能和自動化的特點。

圖4 優化前的隧道電路運轉模式

圖5 優化后的隧道電路運行模式

3 與無人駕駛技術的聯絡

目前在無人駕駛技術研發階段，采用的技術尚未成熟，但隨著科技和現代化智能交通的不斷發展，無人駕駛技術必然會是大勢所趨。在未來，隨著汽車無人駕駛技術的不斷成熟，交通道路實時數據和無人行駛一體化時必然的，在交通道路行駛的過程中，無人駕駛系統得到有數據庫發來的信息，能夠準確高效的得到前方的道路狀況，從而規劃出最佳路線和最保險的措施，使得駕駛員免于遭受人身財產安全的同時，提高道路的出行效率，真正意義上達到智能交通出行的目的。

就目前看來，無人駕駛技術實行之后采取的道路狀況識別方法是通過紅外感應或者視頻圖像來反饋給數據處理中心，再將駕駛指令反饋給行駛車輛。那么在進出隧道的一時刻，由于亮度、隧道內外紫外線、氣溫等多方面的急劇變化，必然也會出現許多的問題，例如傳感器失靈、無人駕駛系統無法識別前方道路狀況等等，勢必會對正常行駛的無人駕駛汽車的行進和判斷造成極大的干擾，甚至出現交通流滯停、交通事故的情況，這些與無人駕駛技術及智能化交通的初心都是不符合的，為此我們應當減少此類情況的發生。

故而，我們將整個系統得到的道路實時數據上傳到數據庫中，數據包括監控區域的狀況、隧道內的車輛數量等等。在無人駕駛汽車靠近隧道入口時，將會與數據庫產生數據共享鏈接，汽車的智能控制系統將從數據庫中得到前方隧道的所有道路數據，再由智能控制系統分析數據后做出相對應的指令來控制汽車的行進狀態，減少不必要的交通滯留問題。當無人駕駛汽車出現意外情況時，將把滯留的位置、狀況反饋給數據庫，將整個意外情況的信息公開，使得后面行駛的無人駕駛汽車得到準確的位置信息，做出及時、合理的選擇和命令，最大限度上減少因為意外事故給道路交通帶來的不良影響，同時如果意外狀況過于嚴重，通過汽車系統數據的上傳，數據庫可以及時的啟動報警指令，在第一時間搶救駕駛員的生命和財產安全，使得道路交通智能交通發展在無人駕駛技術時代在安全和事故處理方面得到充分的保障，為日后無人駕駛技術在各方面的應用提供一個后勤和安全模板，減少無人駕駛技術在未來的信息化時代的難題。

4 結束語

使用計數器、數值比較器、以及PLC控制技術對整個隧道電路進行改造，達到安全、節能、收集實時交通數據和實現自動、智能化交通的目的，有效改善了老式隧道電路浪費高、節能低，隧道安全性差的現象，同時實現了對整個隧道電路的集中控制和數據采集上傳，并對未來的交通出行模式和交通基礎設施進行模擬和期望，對無人駕駛技術在隧道方面的可能出現的交通問題提出有效的解決方案，為交通智能現代化獻出綿薄之力。