隧道過渡照明動態節能控制方法研究*

陳錦清, 于杰生, 顏 哲, 張永明, 張鵬飛

(1.福州職業技術學院,福建 福州 350108;2.同濟大學,上海 200092)

0 引 言

根據2019年的統計數據顯示,全國道路照明每年耗電量占照明耗電的30%,占全國耗電總量的10%,但每年約有35%的道路照明電能被浪費,從相反角度思考,我國道路照明擁有巨大的節能潛力[1]。由于我國幅員遼闊,各個地區道路交通運輸情況不一致,存在一些交通量低的道路現象。由于隧道結構特殊性,隧道燈具一整天都亮著,在交通量低的隧道中照明損耗是巨大的。

目前,關于隧道照明安全與節能的研究主要以燈具節能和控制方式的節能為主,燈具方面主要是LED節能燈具普及應用[2-3],照明控制的研究大都集中于如何精確獲得洞外亮度和交通量的監測值并實現符合標準規定下的隧道照明,控制方式由先前的回路控制到無級調光控制[4-5]。大多數隧道照明僅僅實現了定時自動開關燈、非智能調光和遠程開關燈功能,并沒有實現快動態控制功能,更沒有極大限度地發揮系統的節能效果[6]。

根據JTG/TD 70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》,智能控制除了根據實時采集的洞外亮度、交通量等參數,還需短時交通流預測理論,突出節能控制的特點,體現綠色照明的追求“按需照明”的理想設計目標,自動調控照明亮度。隨著傳感器技術的進步,采用實時車輛動態流量監測,將其用于低交通量下隧道照明動態控制可大大降低能耗。

在目前的背景下,提出了隧道過渡照明動態節能控制方法,該系統基于線圈車檢器傳感器和車流量傳感器技術,可準確預判隧道車輛通過隧道情況,實現車到提前亮燈、車走則燈暗的動態控制理念。由于駕駛員進出隧道時,視野內光線的明暗均發生急劇變化,瞳孔大小變化來不及適應亮度,視野中會出現明顯的“黑洞效應”和“白洞效應”現象[7]。隧道過渡照明動態節能控制方法是指在隧道入口采用分階段照明,結合動態車流量,在感應到車輛時,隧道提前調整好過渡照明,同時采集當時的隧道內外照度情況,進行計算,調光控制器控制照明燈具亮暗來調整隧道環境亮度。當駕駛員在停車視距外看到隧道時,隧道內照明已經是舒適狀態,駛離隧道時,調光控制器控制隧道口燈具亮度逐級過渡到戶外。綜上所述,本文將設計在增加停車視距和控制系統反應時間下,將自動監測和控制相結合,在現有洞外亮度和交通量參數基礎上,提出一種低交通量下的“按需照明”隧道照明控制方式,由原來的傳統控制模式下“無效照明”造成的能耗浪費,改成通過“車來提前亮燈、車走則燈暗”的控制策略。同時解決隧道過渡照明動態節能控制系統的線圈車檢器和隧道洞口安裝距離,提前亮燈的時間,動態控制隧道入口的過渡照明的控制照明系統問題等。

1 隧道照明特征分析

公路隧道通常分為入口段、過渡段、中間段和出口段[8]。隧道分區段示意圖如圖1所示。入口段的燈具照度應與外部環境照度接近,以順利接入明暗適應曲線。入口段照明應多分層次,逐漸變化;中間段向室內正常照明靠近,出口段接近外部環境。在實際工程中綜合考慮外部光照條件結合車輛通過情況,依據標準,再確認出入口段照度值設計燈具,形成隧道過渡照明動態節能控制系統。燈具控制方式根據不同區段有所不同,在入口段和出口段的隧道照明亮度隨著隧道外環境的光照度的變化而變化,所以在入口段和出口段通常采集隧道外環境光照度來調節這兩段中開關的燈具數量;在中間段,常常通過采集車流量和車速來控制開關的燈具數量。同時,公路隧道照明需要考慮當駕駛員進出隧道時視覺亮度快速變化時眼睛適應問題。

圖1 隧道分區段示意圖

2 隧道過渡照明動態節能控制方法

2.1 動態節能控制方法構成

隧道過渡照明動態節能控制系統包括道路現場層、控制層、執行層。系統構成原理圖如圖2所示。核心是控制層,包括控制中心、網關等,控制中心首先采集車輛數據,車輛數據包括車流量和車速。通過線圈車檢傳感器、車流量傳感器來采集,目的是判斷是否有車,并根據車流量大小來控制隧道內光環境。當有車時,控制中心根據照度傳感器輸入隧道內外的照度值,人眼適應亮度變化范圍,計算出隧道所需的入口段、過渡段和中間段照度。控制中心根據綜合計算結果發出指令,控制調光控制器來調整隧道的燈具點亮控制系統模式。當無車輛進入時,不管外面的天氣是怎樣的,調光控制器僅開最低照明,現場智慧傳感層和控制中心通過互聯網連接在一起,現場控制中心又通過無線網絡技術接入互聯網,實現所有后臺監控管理功能和數據存儲功能,最終隧道交通情況和照明情況在交通主管管理部門隧道管理系統終端出現(含故障報警狀態)。執行層為調光控制器和故障顯示,調光控制器必須具有遠程交換功能,可以接收監控中心的調光命令并將指定命令發送至燈具控制燈的亮暗度。

圖2 系統構成原理圖

2.2 動態節能控制系統方案布置示意圖

從系統構成原理圖可以看出,系統包括道路現場層、控制層、執行層的各個設備。調光控制器一般安裝在隧道配電間內,方便與照明控制開關通信,對照明回路進行多級調光,同時,結合布線要求、安裝難度、經濟成本等綜合因素進行考慮,科學計算隧道燈設間距,各段燈具產生的亮度應該滿足照明標準和調光需求。線圈車檢傳感器及隧道單側各設備安裝示意圖如圖3所示。圖中所示為單側隧道設備安裝圖,另一側隧道各設備相對應布置,配電間按現場情況布置一個即可。

圖3 線圈車檢傳感器及隧道單側各設備安裝示意圖

2.3 傳感器布置距離

基于線圈車檢傳感器技術的隧道過渡照明動態節能控制系統,是指在車即將進入隧道前,將線圈車檢傳感器和車流量傳感器結合,準確預判隧道車輛通過情況,在車輛進入隧道前,隧道燈具根據戶外的天氣亮度,實時動態根據預設的程序調整隧道內照度。由于駕駛員的行駛過程中,會產生行車視距,當看到前方隧道為昏暗,會產生較大視覺震蕩,影響駕駛。本文提出要提前準備好隧道亮度,提前多久亮燈取決于車輛行駛的速度、駕駛員視距,以及控制中心發出命令到燈亮反應時間等因素,根據這些因素計算出線圈車檢傳感器距隧道口的安裝距離。根據JTG/T B01—2014《公路工程技術標準》[9],高速公路、一級公路停車視距如表1所示;二、三、四級公路的停車視距、會車視距、超車視距如表2所示。道路會車視距一般為停車視距的2倍,車速在30～120 km/h,停車視距為30～210 m,檢測車輛到路燈起動反應的時間約0.2 s,比王亞楠[10]提出的公路隧道進出口的停車視覺和現行規范要求的數值增加了20.0～30.0 m,計算得出在隧道入口錄L(見圖3)的距離為150～230 m處安裝線圈車檢傳感器和車流量傳感器。在檢查到有車即將進入隧道前,隧道內燈具已經亮起,同時也調整好隧道過渡段距離,駕駛員在行車過程安全,舒適;在隧道出口側安裝車流量傳感器,車輛駛出隧道時,檢測到未有車輛進入行車視距內且隧道內無車,系統延長數秒后燈亮度降至規范規定的最低照度。照度傳感器分別在隧道進口外、隧道進口過渡照明段、隧道中間段、隧道出口過渡段、隧道出口外這5個區域布置,每個區域布置若干個,每個布置點的照度傳感器測量方法需按照GB/T 5700—2008《照明測量方法》[11]中的規定,測量后取有效照度值。

表1 高速公路、一級公路的停車視距

表2 二、三、四級公路的停車視距、會車視距、超車視距

3 隧道過渡照明動態節能控制系統控制策略

3.1 過渡照明控制模式研究

由于隧道入口段和隧道外部環境相連,是整個照明變化曲線的初始階段,而且又是對駕駛員直接影響最關鍵的一部分,依據ISO 15469:2004/CIE 011:2003《日光空間發布·CIE標準普通天》和GB/T 20148—2006《日光的空間分布CIE一般標準天空》指導文件中所列的15種標準天空模型,結合隧道照明受空氣污染物、洞外環境、路面材料、交通量等因素,分成5個階段照度值。照度值區域劃分如表3所示。除夜間、陰雨天、晴天這3個階段照度外,還有早晨、黃昏和有路燈或明亮的月光夜晚這兩個階段照度[12]。根據這5個區間照度,采取5種控制過渡方式分別對應此區間,此外還有第六種控制模式為無車通過時按照JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》設計的最低照度值照明。

表3 照度值區域劃分

3.2 動態控制邏輯

隧道過渡照明動態節能控制系統流程首先由控制中心采集線圈車檢傳感器和車流量傳感器數據,當控制中心接收到線圈車檢車輛傳感器和車流量傳感器傳入數據時,計算出無車情況,控制中心發出指令控制調光控制器,輸出調光模式為最低照度。當經控制中心計算得出隧道內即將有車經過隧道時,控制中心對隧道內外照度傳感器照度進行綜合計算,發出相對應的控制模式,調整隧道出入口處的過渡照明。動態流程圖如圖4所示。當控制器發出的指令顯示故障時,調光控制器發出控制模式5的控制方式。除此之外,與控制模式相對應的是對隧道入口的過渡照明亮度的調整,控制模式1～5時過渡階段照度值分3個階段平穩過渡[13]到隧道內照度,隧道內照度按照JTG/TD 70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》規定的照度值設定。

圖4 動態流程圖

4 結 語

綜上所述,隧道過渡照明動態控制不僅能降低駕駛人的“黑白洞效應”,提高行車安全性,而且能根據交通運輸情況動態調整照明,節能降碳。光照強度越強,需要在隧道補光越多,將來還可以增加光伏發電板,根據光照強弱來做變量,在發電板上安裝燈具,作為補充光源,與室外光照平滑過渡到隧道內照度,并佐以直接控制器智能綜合調光控制系統。