高速公路隧道照明節能控制措施研究

張磊

（貴陽電氣控制設備有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

在高速公路的隧道照明節能控制過程中，應重點根據隧道照明系統的特點和隧道的實際情況，制定較為完善的節能控制方案，開發專門的軟件系統，增強照明節能控制的有效性和可靠性，合理選擇具有節能特點的燈具設備，減少高速公路隧道照明的能源和資源消耗量，有效預防能源損耗問題，提升節能水平。

1 高速公路隧道照明系統分析

1.1 隧道入口照明系統

高速公路的隧道照明系統和普通道路的照明系統存在一定的差異，隧道照明系統需要全天24h 開啟，使駕駛員在進入光線較暗的隧道之后，能夠獲得充足的視覺信息，準確辨識行車方向，避免發生交通事故。隧道入口區域的照明系統，指的是駕駛員從隧道外高照度的環境，進入隧道內照度較低的環境，所需要的照明系統，整個系統由臨界部分、緩和部分和變動部分組合而成。其中，臨界部分的作用在于使駕駛員在接近隧道的過程中消除黑洞效應，準確辨識行車方向，及時了解和發現前方障礙物；緩和部分的作用在于緩和照明亮度，讓駕駛員進入隧道之后能夠快速適應亮度下降的環境；變動部分則是指照度循序漸進下降的區間。

1.2 隧道內部照明系統

無論晝夜，隧道內的道路環境與行車視覺影響，都與普通公路有所不同。主要是因為在隧道內，汽車行駛過程中所排放的廢氣難以快速消散，會形成很大的煙霧，不僅會吸收車前燈光線，降低車燈的照度，還會發生光線散射的問題，形成光幕，導致駕駛員難以了解前方障礙物的情況，降低視覺能力。因此，在高速公路的隧道照明系統設計中，需要結合設計車速對照度的需求，嚴格控制照明亮度，如表1 所示。

表1 高速公路隧道內照明亮度的控制

2 高速公路隧道照明節能問題

2.1 節能控制設計不合理

我國的高速公路隧道照明系統主要分為分級類型、手動類型和分時間類型幾種。其中，分級類型控制方式較為常見，以車輛流量特點、氣候特點、隧道外光度特點等劃分級別進行照明控制，結合隧道內外的光線強度信息與車流量信息，控制隧道內的光照強度，避免光線不足引發駕駛員視覺障礙問題，以降低交通安全事故的發生率。但是，在此類隧道照明系統設計中，由于沒有按照實際情況，科學、合理地進行節能控制設計，僅根據每年最高車流量和最高照明亮度設計照明系統，很容易出現能源浪費的問題。除此之外，在照明系統的設計方面，由于線路的分布回路存在限制，只能設置二級到三級人工控制方式與自動控制方式，在天氣參數、車輛行駛速度、車流量數據等方面，所設置的都是最高數據值，隧道內的照明度也處于最大值，難以自適應進行照明，存在比較嚴重的電力能源浪費問題。

2.2 照明系統的問題

為有效保證隧道內的行車安全性，目前國家已經提出了高速公路隧道內不同階段照明平均照度數據值的規定標準，但是由于整體照明系統會受到燈具設備、道路走向、路面狀態和隧道壁反射等因素的影響，出現了照明平均照度數據值計算的難題，如果不能科學合理地計算各類數據值，則會導致整體照明系統的設計不符合標準。一方面，由于照明系統的平均照度設計值計算不準確，不能科學合理地設計照明系統，使得項目建設的成本過高;另一方面，系統在投入使用后，運營能源消耗量大，后續維護維修的費用較高，難以滿足節能環保的需求。

除此之外，在對隧道照明系統進行節能控制的過程中，沒有制定完善的節能控制方案，缺乏健全的管理模式和控制機制，難以切實根據照明系統的特點和隧道的情況，針對性地開展各項節能控制工作，不能通過現代化的節能控制方式和手段避免能源浪費和資源損耗的問題，這不利于隧道照明系統的節能發展。

3 高速公路隧道照明節能控制措施

3.1 構建照明管理系統

當前，我國高速公路隧道照明系統的節能控制，主要采用時間控制器進行處理，設定白天與夜晚開燈的時間，而在一年中，白天與夜晚的時間變化存在一定的差異，如果設定固定的時間范圍，不結合隧道內與隧道外的照度比數據值進行合理控制，亦會引發電力能源浪費的問題，而管理人員經常到現場調整時間控制器的時間參數，則會浪費大量的人工成本。因此，在隧道照明系統節能控制中，應以降低成本、減少照明期間的能源消耗量為目標，構建相應的照明管理系統，按照隧道車輛速度特點、車輛流量特點和隧道外的光照特點等，科學設定隧道照明的數據值，在保證車輛行駛安全的基礎上，提升隧道照明系統運行的高效性和節能性。例如，構建能夠進行隧道外亮度數據檢測、車輛行駛速度檢測與車輛流量檢測的隧道照明管理系統，同時配置照明節能控制器設備，開發相應的照明節能控制系統，根據交通參數和環境參數，自動調整照明設備的亮度，有效避免能源損耗問題和行車安全問題。

3.2 明確照明設計標準值

在高速公路隧道內車流量與行車速度固定的狀態下，在照明系統的節能控制方面，需要根據隧道外亮度的數據值明確入口階段和過渡階段的照明亮度。主要是由于隧道外的光照亮度會受到季節因素、時間因素、洞口朝向因素和綠化植被因素等多方面因素的影響，在上述因素發生改變的情況下，隧道外的亮度數據值會隨之發生變化，會對隧道內照明系統的電力能源消耗量產生直接影響。所以，在實際工作中應注重做好實地調查、實地測量、照明系統理論研究和光氣候理論分析等方面的工作，結合隧道外植被的狀況、光氣候的特點等，更精準地確定隧道入口階段照明亮度的數據值，結合環境特點和交通參數特點等進行節能設計，以有效降低能源消耗。

3.3 合理進行燈源和燈具的選擇

近年來，我國在高速公路隧道燈具設備的選擇方面，多使用熒光燈、高壓鈉燈、白熾燈、低壓鈉燈等設備，不僅光帶很窄，配光質量也不高，還存在能源消耗量大和使用壽命短等問題，尤其是在應用高壓鈉燈設備的過程中，該設備發出的光為黃色，視覺效果不是很好。為此，在高速公路隧道照明節能控制中，應結合隧道的具體情況，科學、合理地選擇燈源與燈具設備。第一，建議使用現代化的照明燈具設備，如LED燈具或是無極燈具，將此類照明設備運用到隧道照明系統中，不僅能夠準確控制燈具的光通量、顯色性和光色，且這類設備本身的使用壽命也較長，能夠大幅度降低后續的維護維修成本。第二，在選擇隧道照明燈源的過程中，應在現場區域使用金屬鹵化物燈設備、電磁感應燈設備、節能燈設備和LED 燈設備等進行實地試驗，通過反復試驗分析，篩選出最佳的燈源設備，保證隧道的照明效果，保證駕駛員的安全性，同時有效避免電能資源浪費的問題。

3.4 節能控制軟件的設計

要想有效進行高速公路隧道照明的節能控制，不僅要合理選擇燈具和燈源，科學設置光照數據值，還要借助現代化信息技術設計節能控制軟件，全面進行對數據信息的采集分析，有效進行各個串口通信，高效完成對照明的節能控制。

3.4.1 軟件設計思路

在隧道照明節能控制軟件架構設計過程中，應重點將DSP 硬件作為基礎部分，實時檢測各個端口的電平，設置能夠檢測隧道內車輛行駛參數的單紅外反射傳感器設備，準確采集各類脈沖信號，同時配置傳輸脈沖信號的通信系統與收集脈沖信號的主控制單元，由主控制單元進行數據計算和信號處理，實時分析車輛行駛的位置，對照明信號發生器進行控制，最終達到節能調控照明設備燈光的目的。需要注意的是，隧道照明節能控制軟件應采用結構化設計方法與模塊化設計方法。第一，設計能夠自我檢查、系統初始化處理、調用不同模塊功能、具備通道選擇功能的主程序模塊，同時設計能夠進行脈沖信號采集與分析的數據采集模塊、脈沖信號誤差修正的處理模塊。第二，設計能夠進行車輛檢測單元信號分析的故障診斷模塊，準確判斷隧道照明系統的運行狀態和故障情況。第三，設計可以按照系統控制需求使用繼電器設備進行照明燈具控制的實時性控制模塊。第四，設計可以連接通信接口和上位機監控中心的數據通信模塊，用來采集、接收上位機設備所發出的命令信息，同時向上位機設備反饋照明控制成功與否的數據、各個節點控制器應用性能的數據。

3.4.2 完善軟件程序設計模式

以車輛行駛位置為基礎的隧道照明節能控制軟件開發，應合理選擇軟件集成性開發環境平臺，使用C 語言程序編寫功能模塊，完善、優化各類軟件程序，確保通過軟件程序提升隧道照明系統的節能控制效果。

（1）主程序的合理設計

在主程序設計過程中，主要采用以云模型為基礎的隧道車輛位置估計算法技術，根據隧道內車輛的行駛情況和照明需求等，進行照明系統的節能控制。在軟件主程序啟動之后的接通電源階段，自動進行自我檢查，明確是否存在組件故障問題，在程序處于正常狀態的情況下進行初始化，如果程序有異常問題就要先處理故障，退出主程序，直到程序處于正常狀態才能進行初始化；完成初始化以后，主程序對隧道內的車輛進行檢測分析，調用脈沖信號采集模塊，準確估算車輛行駛的速度，數據采集完成后調用車輛位置估計模塊，估計車輛行駛位置，將車輛位置誤差控制在1%之內，修正誤差后啟動車輛行駛區域的照明系統，在距離車輛200m 的周圍進行延時照明。

（2）合理設計車輛行駛數據采集程序

該程序設計的主要目的是對行駛車輛的數據信息進行實時化采集、分析，利用A/D 轉換的方式測量，在實時性采集數據信息的同時，對數據進行濾波處理、對比放大處理與A/D 轉換處理。如果系統對數據信息采集的速率要求很高，而A/D 轉換的時間較長，頻繁性對A/D 轉換形式進行改變，會影響數據測量的精確度受。所以，在軟件設計過程中，應保證系統從通電開始就使A/D 轉換與時鐘電路運行。數據信息采集軟件通電之后需要進行自我檢查，如果軟件沒有故障問題，則要先實現串口模塊與DSP 模塊的初始化，設置中斷向量之后，利用通信接口完成車輛檢測器設備的初始化處理，設置A/D 采樣的通道，之后啟動檢測器采集數據信息，將數據信息存儲到系統內，發送中斷信號，使軟件的運行中斷，對數據信息進行處理之后利用串行通信接口，將數據傳送到上位機設備。

（3）車輛位置估算的云模型軟件設計

以云模型為基礎對高速公路隧道內的車輛位置進行準確的估算分析，能夠為照明系統節能控制程序的良好運行提供保障。在軟件程序設計過程中，需要實現對隧道內行駛車輛的位置進行檢測，同時保證檢測結果的精確度，在位置數據精確度符合要求的情況下，進行照明系統節能控制。如果位置檢測數據信息不準確，可利用云模型修正車輛位置檢測數據的誤差，通過正向云發生器與逆向云發生器的有機整合，準確處理車輛通過線圈過程中的時間間隔數據信息，獲得數據特征指標，生成相應的云滴，聚集成為云團，以此確保車輛位置和行駛速度估計數據值的精確性。其間，還需合理設計云推理模型，按照車輛行駛的速度與時間等，估計車輛行駛位置，之后向系統輸入速度數據值，利用云模型車輛行駛速度估計算法技術，推算速度數據值的數字特征，由此結合車輛行駛速度估算車輛行駛位置。在車輛行駛時間估算分析過程中，也可向系統內傳輸時間數據值，明確數據值的數字特征，獲得能夠滿足各類條件下語音發生器的定量數據值，使用云推理技術準確估算車輛位置和行駛時間的數值，自動修正數據誤差。

（4）照明節能控制子程序軟件設計

在隧道照明節能控制子程序軟件設計過程中，主要使用繼電器控制照明設備，在系統前端全面采集車輛數據信息，之后通過DSP 模塊進行數據處理，發送響應動作的指令，實時控制照明設備的開啟和關閉，如果控制信號所輸出的是高電平，系統會自動吸合繼電器，如果輸出的是低電平，則自動斷開繼電器，以此達到對照明系統進行節能控制的目的。

4 結語

綜上所述，雖然我國在隧道照明節能控制方面已經取得了一定的成績，但整體的節能控制效果仍需完善。因此，在高速公路隧道照明節能控制方面，需要進一步構建完善的照明管理系統，合理設定標準值，科學選擇燈具設備和燈源，完善節能控制軟件設計，進而全面增強隧道照明系統節能控制的有效性和可靠性。