光纖傳感在公路隧道智能調(diào)光系統(tǒng)中的應(yīng)用

□余燦李智堅

隨著高速公路隧道里程的增加，隧道照明的費(fèi)用也在逐漸增長。在隧道照明的費(fèi)用支出中，有很大一部分是由于過度照明所致。過度照明不僅造成資源的浪費(fèi)，同時也增加了企業(yè)的運(yùn)營成本。公路隧道監(jiān)控人員在無法實(shí)時掌握管轄各個隧道的天氣情況、交通流量、隧道內(nèi)光照數(shù)值等信息的情況下，僅憑自身的工作經(jīng)驗(yàn)來控制燈具，增開照明數(shù)量或者增加照明時長，極易造成過度照明資源浪費(fèi)。采用隧道智能調(diào)光系統(tǒng)，利用光強(qiáng)檢測器、車輛檢測器等探測裝置組成智能調(diào)光系統(tǒng)，并通過光強(qiáng)控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)隧道內(nèi)照明數(shù)量，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)與隧道外光強(qiáng)照度平衡，既可以營造出良好的行車視覺效果，也能夠減少過度照明造成的電力資源浪費(fèi)。

目前常用的車輛檢測器主要有感應(yīng)線圈和視頻檢測器等，電類傳感器具有較高的維護(hù)成本，在橋梁、隧道等特殊路段進(jìn)行安裝時難度較大；視頻檢測在隧道環(huán)境內(nèi)，很容易受到光照、煙塵等干擾因素的影響。筆者利用分布式光纖測振技術(shù)，將振動探測光纜沿著隧道鋪設(shè)，通過實(shí)時采集隧道沿線全域的振動信號，實(shí)現(xiàn)對公路隧道的實(shí)時車流量統(tǒng)計。該系統(tǒng)易于安裝和維護(hù)，不受光照、煙塵等干擾因素影響，可以作為公路隧道智能調(diào)光系統(tǒng)的可靠參考依據(jù)。

一、控制原理

車流量的數(shù)據(jù)主要用于控制隧道內(nèi)全日燈的開關(guān)。交通流量采用短時交通流預(yù)測理論，通過交通數(shù)據(jù)判斷全日燈組的開關(guān)：若預(yù)測的交通量數(shù)據(jù)N＞350 veh/（h·ln）時，判斷路面道路情況為擁堵，這時增開1組基本照明，確保隧道的行車安全。而在夜間段，一般情況下開啟1組基本照明；若預(yù)測交通量N≤350 350 veh/（h·ln）時，根據(jù)預(yù)設(shè)關(guān)閉1組基本照明，隧道內(nèi)只留下應(yīng)急照明設(shè)備，減少用電設(shè)備用電，達(dá)到按需照明的目的。調(diào)光控制邏輯如圖1所示。

圖1 調(diào)光控制邏輯

二、信號分析

將振動探測光纜敷設(shè)于隧道沿線路面的下方，實(shí)時采集隧道沿線路面的振動信號，從而獲得振動信號時間-空間矩陣圖像，用于公路隧道內(nèi)的車行信號提取和分析。振動信號時間-空間矩陣圖像橫軸為探測點(diǎn)序列，縱軸為時間序列。每個像素點(diǎn)的亮度表征了對應(yīng)點(diǎn)位振動信號幅值的大小。

1.干擾過濾

在公路隧道內(nèi)，主要振動干擾源來自隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的振動。通過實(shí)地觀察，隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)振動干擾具有位置固定、空間影響范圍較小（一般不超過連續(xù)3個探測點(diǎn)）的特點(diǎn)。在振動信號時間-空間矩陣圖像中，表現(xiàn)為多條與空間軸垂直的直線段；而車行信號在短時范圍內(nèi)，在振動信號時間-空間矩陣圖像中，則表現(xiàn)為多條具有一定斜率的直線段。其中，一條直線段反映了一輛車的行駛軌跡。線段的斜率越大，則對應(yīng)車輛的行駛速度越低，即在相同時長范圍內(nèi)，車輛行駛的距離越短。因此，車輛行駛信號形成的斜線段，其斜率是在一定范圍內(nèi)變動的。

在信號過濾算法設(shè)計時，需要通過對振動信號時間-空間矩陣圖像中的直線段斜率進(jìn)行判斷，找到風(fēng)機(jī)振動產(chǎn)生的垂直線段，并將對應(yīng)區(qū)域的信號進(jìn)行濾除。同時找到符合車輛行駛特征的斜線段，將對應(yīng)區(qū)域的信號進(jìn)行提取，以作下一步分析。

風(fēng)機(jī)干擾信號的過濾算法，計算步驟如下：①將單模光纖作為傳感光纜，敷設(shè)于隧道沿線路面的下方；②采集隧道內(nèi)沿線的振動信號，得到光纖振動信號時間-空間矩陣圖像；③使用OTSU算法得到分割閾值，對光纖振動信號時間-空間矩陣圖像進(jìn)行二值化處理；④使用霍夫變換進(jìn)行直線檢測，找到光纖振動信號時間-空間矩陣圖像中，所有長度大于50的直線段；⑤找到斜率絕對值≥50°并且≤80°的直線段，認(rèn)為屬于車行信號區(qū)域，統(tǒng)計并記錄其時間和空間涵蓋區(qū)域。圖2為一段60秒時長，620探測點(diǎn)（對應(yīng)空間距離6 200米）的光纖振動信號時間-空間矩陣圖像，在其中找到了多條符合斜率范圍的斜線段，這些斜線段所涵蓋的時間和空間范圍，與車輛行駛信號所涵蓋的時間和空間范圍基本相符；⑥找到斜率絕對值≥89°的線段，認(rèn)為屬于風(fēng)機(jī)干擾區(qū)域，統(tǒng)計其空間涵蓋區(qū)域，在光纖振動信號時間-空間矩陣的二值化圖像中，將此類垂直線段空間涵蓋區(qū)域的像素值置0，即可以對隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)振動干擾信號進(jìn)行濾除，如圖3所示。在圖中找到了多條垂直線段，發(fā)現(xiàn)這些垂直線段所在的空間位置與開啟風(fēng)機(jī)的位置基本相符。

圖2 車行信號判斷

圖3 風(fēng)機(jī)干擾過濾

2.激勵提取

由于車輛行駛信號產(chǎn)生的振動激勵具有一定的時間寬度，因此在一次連續(xù)的車行信號中，會覆蓋有多條斜率相近的直線段，如圖2所示。這些斜線段的涵蓋范圍并不能十分準(zhǔn)確地描述一次完整的連續(xù)車輛行駛信號。對連續(xù)車行信號的提取方法，其計算步驟如下：①使用一個1×4的模板，對光纖振動信號時間-空間矩陣二值化圖像進(jìn)行閉運(yùn)算，即先膨脹后腐蝕，用于連接在連續(xù)車行信號中被風(fēng)機(jī)干擾過濾隔斷的部分；②使用連通域分割算法，從上步運(yùn)算結(jié)果中，分割出多個連通域；③將每個獨(dú)立的連通域，與上節(jié)得到的車行信號直線段的起止端進(jìn)行比較。若某連通域同時覆蓋了某條車行信號直線段的起止端，則認(rèn)為這個連通域是一次連續(xù)的車行信號激勵，并在系統(tǒng)中進(jìn)行記錄。圖4為示例信號中的車行激勵提取結(jié)果，可見提取到了2組車行激勵，這兩組車行信號的車輛行駛方向相反。

圖4 車行激勵提取結(jié)果

3.車流量檢測

系統(tǒng)每間隔一段時間，對光纖振動信號時間-空間矩陣圖像進(jìn)行一次車行信號提取運(yùn)算，通過對檢測結(jié)果的累加和統(tǒng)計，即可得到此時段隧道內(nèi)的車流量信息。圖5為系統(tǒng)所監(jiān)測隧道在某一天各個時段的車流量統(tǒng)計結(jié)果，與真實(shí)情況基本相符。

系統(tǒng)監(jiān)測到在08:00—09:00時段及16:00—20:00時段，隧道內(nèi)的車流量相對較大，因此在此時段內(nèi)，發(fā)出增加開啟1組基本照明的信息；而在23:00—次日05:00時段，系統(tǒng)監(jiān)測到隧道車流量較小，發(fā)出關(guān)閉1組基本照明的信息。

三、應(yīng)用效果

某高速交通隧道采用公路隧道智能調(diào)光系統(tǒng)，基于光纖傳感系統(tǒng)對隧道內(nèi)的車流量進(jìn)行實(shí)時檢測，用于控制和調(diào)整隧道內(nèi)的照明系統(tǒng)。經(jīng)過長期運(yùn)行測試，能夠很好地達(dá)到根據(jù)車流量情況調(diào)節(jié)隧道照明亮度的效果。

2022年1—3月，A線用電量累積38 474.562 5千瓦時，B線用電量52 276.812 5千瓦時，扣除非照明設(shè)備用電后B線用電量累積34 276.812 5千瓦時（90天，每日按200千瓦時計算）。節(jié)能率（%）=（A線隧道照明設(shè)備用電量-B線隧道照明設(shè)備用電量）/A線隧道照明設(shè)備用電量。由表1可見，累積節(jié)省電量為10.22%，系統(tǒng)在保證公路隧道有效照明的同時，節(jié)能應(yīng)用效果顯著。

表1 隧道智能調(diào)光系統(tǒng)能耗對比

四、結(jié)語

利用分布式光纖測振系統(tǒng)采集隧道沿線全域振動信號，實(shí)現(xiàn)對公路隧道實(shí)時車流量統(tǒng)計。系統(tǒng)能夠?qū)匪淼纼?nèi)的車行信號進(jìn)行有效提取和統(tǒng)計。基于光纖傳感系統(tǒng)對隧道內(nèi)的車流量進(jìn)行實(shí)時檢測，用于控制和調(diào)整隧道內(nèi)的照明系統(tǒng)。經(jīng)過長期運(yùn)行測試，能夠很好地達(dá)到根據(jù)車流量情況調(diào)節(jié)隧道照明亮度的效果，經(jīng)過運(yùn)行統(tǒng)計，隧道照明節(jié)省電量可達(dá)10.22%。系統(tǒng)在保證公路隧道有效照明的同時，有效減少了過度照明帶來的電力能源浪費(fèi)。