高速公路隧道智能照明系統(tǒng)分析

劉 亮

(遼寧省高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110000)

1 概述

1.1 研究背景及意義

城市隧道越來(lái)越多地進(jìn)入人們的生活,而隧道照明是保障隧道內(nèi)行車(chē)安全和運(yùn)營(yíng)的重要部分。近年來(lái),隧道照明的運(yùn)營(yíng)開(kāi)支較高,交通事故頻發(fā),安全和節(jié)能兩大難題引起相關(guān)部門(mén)的高度重視,隧道照明改造升級(jí)迫在眉睫。

1.2 隧道照明概況

隨著城市化進(jìn)程的加快和智能交通系統(tǒng)的發(fā)展,隧道調(diào)光項(xiàng)目在特定的交通和城市基礎(chǔ)設(shè)施背景下發(fā)展起來(lái)。其旨在通過(guò)先進(jìn)的照明技術(shù)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)照明強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)整,以適應(yīng)不同時(shí)間、天氣條件和交通流量的變化。該項(xiàng)目的核心目標(biāo)是提升隧道內(nèi)行車(chē)安全性,同時(shí)兼顧能源使用率和環(huán)境保護(hù)要求。傳統(tǒng)的隧道照明系統(tǒng)往往采用固定亮度,無(wú)法有效應(yīng)對(duì)光線條件的快速變化和不同需求,可能導(dǎo)致駕駛員視覺(jué)不適,增加反應(yīng)時(shí)間。隧道調(diào)光項(xiàng)目通過(guò)集成傳感器技術(shù)、智能控制系統(tǒng)以及配套的LED照明設(shè)備,顯著降低能源消耗和維護(hù)成本,大大提高了行駛者的舒適性和安全性,體現(xiàn)出現(xiàn)代社會(huì)對(duì)智能化和可持續(xù)發(fā)展的不斷追求。高速隧道照明系統(tǒng)實(shí)況見(jiàn)圖1。

圖1 高速隧道照明系統(tǒng)

2 高速公路隧道智能照明系統(tǒng)技術(shù)路線

系統(tǒng)技術(shù)路線包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)體系和開(kāi)發(fā)工具的選擇。科學(xué)合理的技術(shù)體系能夠充分利用現(xiàn)有IT資源,提高IT效率。采用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具,可以大幅縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期,提升系統(tǒng)開(kāi)發(fā)質(zhì)量,減少項(xiàng)目實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)路線的選擇必須從性能、效率、擴(kuò)展性、開(kāi)放性、穩(wěn)定性、安全性、投資回報(bào)等方面的需求綜合考慮。

系統(tǒng)技術(shù)路線的選擇需考慮兩個(gè)方面:一是設(shè)計(jì)科學(xué)合理的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu);二是選擇合適的開(kāi)發(fā)技術(shù)框架和模式,為整個(gè)智慧照明平臺(tái)服務(wù)。

2.1 分布式體系結(jié)構(gòu)

綜上,文章采用基于Web應(yīng)用的三層分布式體系結(jié)構(gòu),保證系統(tǒng)開(kāi)放性、可擴(kuò)展性、先進(jìn)性和跨平臺(tái)等重要特性的實(shí)現(xiàn),滿足用戶復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯可定制和可管理的個(gè)性化需求。

三層分布式體系結(jié)構(gòu)由Web服務(wù)器接受請(qǐng)求,由運(yùn)行在應(yīng)用服務(wù)器中的業(yè)務(wù)邏輯處理子系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理并返回,客戶端只需一個(gè)瀏覽器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用來(lái)存儲(chǔ)管理信息系統(tǒng)用到的各種數(shù)據(jù)。隨后,充分整合數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等中間件平臺(tái),形成一個(gè)分布式的運(yùn)行支撐環(huán)境。

2.2 地址匹配技術(shù)

地址匹配是指將用戶交互式輸入的一條地址信息或從數(shù)據(jù)庫(kù)記錄中讀取的地址描述信息(以下簡(jiǎn)稱“地址串”)經(jīng)過(guò)語(yǔ)義分析、數(shù)據(jù)排錯(cuò)處理后,對(duì)其進(jìn)行字符串拆分,然后選擇一定的地址匹配策略與基礎(chǔ)空間共享數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)地址信息進(jìn)行比對(duì),并進(jìn)行必要的地址插值計(jì)算處理,從而使該記錄自動(dòng)獲取一個(gè)對(duì)應(yīng)的空間地理坐標(biāo)值,從而準(zhǔn)確定位到電子地圖相應(yīng)空間位置上的過(guò)程[1]。該技術(shù)提供了一種將非空間信息空間化的快捷手段,具體流程如圖2所示。

圖2 地址匹配基本數(shù)據(jù)流程圖

2.3 硬件框架

根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第二冊(cè) 機(jī)電工程》(JTG 2182—2020)規(guī)范要求[2],以小于500m的短隧道為例,將隧道照明按照不同區(qū)段劃分并設(shè)置不同亮度值,如圖3所示。

(1)系統(tǒng)初始狀態(tài),隧道內(nèi)無(wú)車(chē),所有燈具設(shè)置為最低亮度 (5%左右)。

(2)當(dāng)隧道進(jìn)洞口卡口檢測(cè)到來(lái)車(chē)后,聯(lián)動(dòng)調(diào)光控制器,將第一段照明調(diào)亮至設(shè)計(jì)照明亮度(根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)計(jì)算的隧道行車(chē)應(yīng)具備的照明亮度)。

(3)當(dāng)隧道中部攝像頭檢測(cè)到來(lái)車(chē)后,聯(lián)動(dòng)照明控制柜,將第二段照明調(diào)亮至設(shè)計(jì)照明亮度,同時(shí)閉環(huán)確認(rèn)第一段內(nèi)是否有留存車(chē)輛,若無(wú),則將第一段照明調(diào)亮至預(yù)設(shè)的最低亮度。

(4)當(dāng)出口車(chē)檢設(shè)備檢測(cè)到來(lái)車(chē)后,閉環(huán)確認(rèn)第二段內(nèi)是否有留存車(chē)輛,若無(wú),則將第二段照明調(diào)亮至預(yù)設(shè)的最低亮度,同時(shí),復(fù)核整個(gè)隧道內(nèi)是否有留存車(chē)輛。

(5)當(dāng)攝像頭故障,亮度傳感器正常,燈具亮度按照洞外亮度值調(diào)節(jié);亮度傳感器故障,攝像頭正常,有車(chē)輛通過(guò)時(shí)燈具亮度調(diào)節(jié)至70%。

(6)亮度傳感器故障,攝像頭故障,燈具亮度調(diào)節(jié)至70%。

2.4 平臺(tái)架構(gòu)

系統(tǒng)采用有線或無(wú)線調(diào)光控制器,可根據(jù)洞外亮度和車(chē)流量信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)各照明段的亮度,可在無(wú)車(chē)時(shí)將隧道各段燈具調(diào)暗至可調(diào)的最低調(diào)光比例(5%),有車(chē)時(shí)可根據(jù)洞外亮度值將各照明段調(diào)亮至滿足規(guī)范要求的亮度(最亮70%),并逐次點(diǎn)亮車(chē)輛前方安全行駛距離內(nèi)的燈具,實(shí)現(xiàn)“車(chē)來(lái)燈亮,車(chē)走燈暗,燈隨車(chē)行”[3]的動(dòng)態(tài)調(diào)光效果,在保證安全的前提下,實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化。

隧道照明智慧調(diào)光平臺(tái)系統(tǒng)由基本型調(diào)光控制器、附帶車(chē)輛檢測(cè)的調(diào)光控制器、多模網(wǎng)關(guān)、洞外亮度檢測(cè)儀、洞口車(chē)流量車(chē)速檢測(cè)設(shè)備、智能網(wǎng)聯(lián)邊緣控制主機(jī)、亮度可控型公路隧道 LED 照明燈具、自適應(yīng)隧道調(diào)光系統(tǒng)平臺(tái)軟件組成。整個(gè)隧道照明智慧調(diào)光平臺(tái)系統(tǒng)為四級(jí)架構(gòu),分別為用戶層、展現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層[4],具體如圖4所示。

圖4 隧道照明智慧調(diào)光平臺(tái)架構(gòu)圖

3 隧道智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

照明監(jiān)控管理控制系統(tǒng)具備照明智能化設(shè)備管理功能,結(jié)合高速公路照明的應(yīng)用場(chǎng)景,形成完善的設(shè)備控制和設(shè)備監(jiān)測(cè)管理機(jī)制。系統(tǒng)提供光照+經(jīng)緯度+任務(wù)等多種照明設(shè)備的開(kāi)關(guān)燈策略以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求,提供自動(dòng)巡檢、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢、故障告警等功能應(yīng)用和電能統(tǒng)計(jì)、亮燈統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備遠(yuǎn)程控制管理、節(jié)能管理、安全防護(hù)管理和精細(xì)化管理,系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.2 調(diào)光智能控制系統(tǒng)

調(diào)光智能控制系統(tǒng)主要由洞外亮度檢測(cè)儀、隧道調(diào)光智能控制柜、LED 照明燈具、通訊系統(tǒng)和上位機(jī)工作站等組成。

系統(tǒng)能夠根據(jù)交通量信息、設(shè)計(jì)冗余和不同的時(shí)間段調(diào)節(jié)基本照明的亮度。當(dāng)基本照明出現(xiàn)光衰,致使洞內(nèi)基本照明檢測(cè)儀的實(shí)測(cè)結(jié)果低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí),系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)基本照明亮度,使之滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,按需照明。

3.2.1控制原則

隧道照明的設(shè)計(jì)目的是要確保隧道內(nèi)部的光照既安全又舒適,滿足駕駛員的視覺(jué)需求,具體需實(shí)現(xiàn)以下方面:

(1) 隧道照明的基本原則:確定隧道照明的目的和基本要求。例如,提供足夠的亮度,確保駕駛員安全判斷,減少視覺(jué)疲勞等。

(2) 照明區(qū)域分類(lèi):(a)入口段。隧道入口部分,需要高亮度,幫助駕駛員從明亮的外部環(huán)境過(guò)渡到較暗的隧道內(nèi)部。(b)過(guò)渡段。接在入口區(qū)后的部分,亮度逐漸降低,使駕駛員的視覺(jué)逐漸適應(yīng)。(c)中間段。隧道的主體部分,亮度相對(duì)穩(wěn)定且通常較低。(d)出口段。隧道的尾部,亮度逐漸增高,使駕駛員提前適應(yīng)明亮的外部環(huán)境。

(3) 照明設(shè)計(jì)和模擬:應(yīng)用軟件技術(shù)進(jìn)行照明設(shè)計(jì)和模擬,通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)車(chē)輛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟蹤,實(shí)現(xiàn)LED隧道燈開(kāi)關(guān)及亮度的實(shí)時(shí)控制,達(dá)到“車(chē)來(lái)燈亮,車(chē)走燈暗,燈隨車(chē)走”的安全節(jié)能效果。

(4) 節(jié)能與可持續(xù)性:采用高效的燈具和智能控制系統(tǒng),降低能源消耗,提升隧道照明的可持續(xù)性。

(5) 安全與應(yīng)急照明:在電力故障等緊急情況下提供基本照明,確保應(yīng)急措施順利實(shí)施。

(6) 智能照明控制系統(tǒng):使用傳感器和自動(dòng)控制技術(shù),根據(jù)隧道內(nèi)外的實(shí)時(shí)光照條件和交通流量動(dòng)態(tài)調(diào)整照明。

3.2.2控制模式

(1) 分段控制

系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)入口段、過(guò)渡段、中間段及出口段的照明燈具分段調(diào)控,通過(guò)調(diào)光控制器回路設(shè)置,實(shí)現(xiàn)各區(qū)域段照明設(shè)備按比例調(diào)光及開(kāi)關(guān)操作。

(2) 單回路控制

系統(tǒng)支持對(duì)調(diào)光控制器單回路的控制。可對(duì)該回路連接的照明設(shè)備進(jìn)行按比例調(diào)光及開(kāi)關(guān)操作。

(3) 調(diào)光控制模式切換

隧道隨車(chē)調(diào)光控制模式主要包括手動(dòng)控制、預(yù)置模式控制、時(shí)序控制及智能控制。系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求靈活切換控制模式。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 總結(jié)

文章闡述分析的隧道智能照明智慧系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)前沿技術(shù)實(shí)現(xiàn)燈光智能控制。智能照明系統(tǒng)可以提供有關(guān)照明性能和能源使用情況的詳細(xì)數(shù)據(jù),幫助進(jìn)一步優(yōu)化操作,維護(hù)照明計(jì)劃,不僅能夠提高照明效率,還能夠節(jié)約能源,降低維護(hù)成本,帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 展望

智能照明系統(tǒng)下一步發(fā)展方向是車(chē)輛流量數(shù)據(jù)的整合,整合便于更高效地管理隧道或相關(guān)交通系統(tǒng)的流量,間接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)該系統(tǒng)可以常態(tài)監(jiān)控?zé)艟叩臓顟B(tài),預(yù)測(cè)潛在的故障,從傳統(tǒng)的響應(yīng)性維護(hù)升級(jí)為預(yù)測(cè)性維護(hù),降低突發(fā)性修復(fù)的頻率和成本。