高速公路隧道照明节能控制措施研究

张磊

（贵阳电气控制设备有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

在高速公路的隧道照明节能控制过程中，应重点根据隧道照明系统的特点和隧道的实际情况，制定较为完善的节能控制方案，开发专门的软件系统，增强照明节能控制的有效性和可靠性，合理选择具有节能特点的灯具设备，减少高速公路隧道照明的能源和资源消耗量，有效预防能源损耗问题，提升节能水平。

1 高速公路隧道照明系统分析

1.1 隧道入口照明系统

高速公路的隧道照明系统和普通道路的照明系统存在一定的差异，隧道照明系统需要全天24h 开启，使驾驶员在进入光线较暗的隧道之后，能够获得充足的视觉信息，准确辨识行车方向，避免发生交通事故。隧道入口区域的照明系统，指的是驾驶员从隧道外高照度的环境，进入隧道内照度较低的环境，所需要的照明系统，整个系统由临界部分、缓和部分和变动部分组合而成。其中，临界部分的作用在于使驾驶员在接近隧道的过程中消除黑洞效应，准确辨识行车方向，及时了解和发现前方障碍物；缓和部分的作用在于缓和照明亮度，让驾驶员进入隧道之后能够快速适应亮度下降的环境；变动部分则是指照度循序渐进下降的区间。

1.2 隧道内部照明系统

无论昼夜，隧道内的道路环境与行车视觉影响，都与普通公路有所不同。主要是因为在隧道内，汽车行驶过程中所排放的废气难以快速消散，会形成很大的烟雾，不仅会吸收车前灯光线，降低车灯的照度，还会发生光线散射的问题，形成光幕，导致驾驶员难以了解前方障碍物的情况，降低视觉能力。因此，在高速公路的隧道照明系统设计中，需要结合设计车速对照度的需求，严格控制照明亮度，如表1 所示。

表1 高速公路隧道内照明亮度的控制

2 高速公路隧道照明节能问题

2.1 节能控制设计不合理

我国的高速公路隧道照明系统主要分为分级类型、手动类型和分时间类型几种。其中，分级类型控制方式较为常见，以车辆流量特点、气候特点、隧道外光度特点等划分级别进行照明控制，结合隧道内外的光线强度信息与车流量信息，控制隧道内的光照强度，避免光线不足引发驾驶员视觉障碍问题，以降低交通安全事故的发生率。但是，在此类隧道照明系统设计中，由于没有按照实际情况，科学、合理地进行节能控制设计，仅根据每年最高车流量和最高照明亮度设计照明系统，很容易出现能源浪费的问题。除此之外，在照明系统的设计方面，由于线路的分布回路存在限制，只能设置二级到三级人工控制方式与自动控制方式，在天气参数、车辆行驶速度、车流量数据等方面，所设置的都是最高数据值，隧道内的照明度也处于最大值，难以自适应进行照明，存在比较严重的电力能源浪费问题。

2.2 照明系统的问题

为有效保证隧道内的行车安全性，目前国家已经提出了高速公路隧道内不同阶段照明平均照度数据值的规定标准，但是由于整体照明系统会受到灯具设备、道路走向、路面状态和隧道壁反射等因素的影响，出现了照明平均照度数据值计算的难题，如果不能科学合理地计算各类数据值，则会导致整体照明系统的设计不符合标准。一方面，由于照明系统的平均照度设计值计算不准确，不能科学合理地设计照明系统，使得项目建设的成本过高;另一方面，系统在投入使用后，运营能源消耗量大，后续维护维修的费用较高，难以满足节能环保的需求。

除此之外，在对隧道照明系统进行节能控制的过程中，没有制定完善的节能控制方案，缺乏健全的管理模式和控制机制，难以切实根据照明系统的特点和隧道的情况，针对性地开展各项节能控制工作，不能通过现代化的节能控制方式和手段避免能源浪费和资源损耗的问题，这不利于隧道照明系统的节能发展。

3 高速公路隧道照明节能控制措施

3.1 构建照明管理系统

当前，我国高速公路隧道照明系统的节能控制，主要采用时间控制器进行处理，设定白天与夜晚开灯的时间，而在一年中，白天与夜晚的时间变化存在一定的差异，如果设定固定的时间范围，不结合隧道内与隧道外的照度比数据值进行合理控制，亦会引发电力能源浪费的问题，而管理人员经常到现场调整时间控制器的时间参数，则会浪费大量的人工成本。因此，在隧道照明系统节能控制中，应以降低成本、减少照明期间的能源消耗量为目标，构建相应的照明管理系统，按照隧道车辆速度特点、车辆流量特点和隧道外的光照特点等，科学设定隧道照明的数据值，在保证车辆行驶安全的基础上，提升隧道照明系统运行的高效性和节能性。例如，构建能够进行隧道外亮度数据检测、车辆行驶速度检测与车辆流量检测的隧道照明管理系统，同时配置照明节能控制器设备，开发相应的照明节能控制系统，根据交通参数和环境参数，自动调整照明设备的亮度，有效避免能源损耗问题和行车安全问题。

3.2 明确照明设计标准值

在高速公路隧道内车流量与行车速度固定的状态下，在照明系统的节能控制方面，需要根据隧道外亮度的数据值明确入口阶段和过渡阶段的照明亮度。主要是由于隧道外的光照亮度会受到季节因素、时间因素、洞口朝向因素和绿化植被因素等多方面因素的影响，在上述因素发生改变的情况下，隧道外的亮度数据值会随之发生变化，会对隧道内照明系统的电力能源消耗量产生直接影响。所以，在实际工作中应注重做好实地调查、实地测量、照明系统理论研究和光气候理论分析等方面的工作，结合隧道外植被的状况、光气候的特点等，更精准地确定隧道入口阶段照明亮度的数据值，结合环境特点和交通参数特点等进行节能设计，以有效降低能源消耗。

3.3 合理进行灯源和灯具的选择

近年来，我国在高速公路隧道灯具设备的选择方面，多使用荧光灯、高压钠灯、白炽灯、低压钠灯等设备，不仅光带很窄，配光质量也不高，还存在能源消耗量大和使用寿命短等问题，尤其是在应用高压钠灯设备的过程中，该设备发出的光为黄色，视觉效果不是很好。为此，在高速公路隧道照明节能控制中，应结合隧道的具体情况，科学、合理地选择灯源与灯具设备。第一，建议使用现代化的照明灯具设备，如LED灯具或是无极灯具，将此类照明设备运用到隧道照明系统中，不仅能够准确控制灯具的光通量、显色性和光色，且这类设备本身的使用寿命也较长，能够大幅度降低后续的维护维修成本。第二，在选择隧道照明灯源的过程中，应在现场区域使用金属卤化物灯设备、电磁感应灯设备、节能灯设备和LED 灯设备等进行实地试验，通过反复试验分析，筛选出最佳的灯源设备，保证隧道的照明效果，保证驾驶员的安全性，同时有效避免电能资源浪费的问题。

3.4 节能控制软件的设计

要想有效进行高速公路隧道照明的节能控制，不仅要合理选择灯具和灯源，科学设置光照数据值，还要借助现代化信息技术设计节能控制软件，全面进行对数据信息的采集分析，有效进行各个串口通信，高效完成对照明的节能控制。

3.4.1 软件设计思路

在隧道照明节能控制软件架构设计过程中，应重点将DSP 硬件作为基础部分，实时检测各个端口的电平，设置能够检测隧道内车辆行驶参数的单红外反射传感器设备，准确采集各类脉冲信号，同时配置传输脉冲信号的通信系统与收集脉冲信号的主控制单元，由主控制单元进行数据计算和信号处理，实时分析车辆行驶的位置，对照明信号发生器进行控制，最终达到节能调控照明设备灯光的目的。需要注意的是，隧道照明节能控制软件应采用结构化设计方法与模块化设计方法。第一，设计能够自我检查、系统初始化处理、调用不同模块功能、具备通道选择功能的主程序模块，同时设计能够进行脉冲信号采集与分析的数据采集模块、脉冲信号误差修正的处理模块。第二，设计能够进行车辆检测单元信号分析的故障诊断模块，准确判断隧道照明系统的运行状态和故障情况。第三，设计可以按照系统控制需求使用继电器设备进行照明灯具控制的实时性控制模块。第四，设计可以连接通信接口和上位机监控中心的数据通信模块，用来采集、接收上位机设备所发出的命令信息，同时向上位机设备反馈照明控制成功与否的数据、各个节点控制器应用性能的数据。

3.4.2 完善软件程序设计模式

以车辆行驶位置为基础的隧道照明节能控制软件开发，应合理选择软件集成性开发环境平台，使用C 语言程序编写功能模块，完善、优化各类软件程序，确保通过软件程序提升隧道照明系统的节能控制效果。

（1）主程序的合理设计

在主程序设计过程中，主要采用以云模型为基础的隧道车辆位置估计算法技术，根据隧道内车辆的行驶情况和照明需求等，进行照明系统的节能控制。在软件主程序启动之后的接通电源阶段，自动进行自我检查，明确是否存在组件故障问题，在程序处于正常状态的情况下进行初始化，如果程序有异常问题就要先处理故障，退出主程序，直到程序处于正常状态才能进行初始化；完成初始化以后，主程序对隧道内的车辆进行检测分析，调用脉冲信号采集模块，准确估算车辆行驶的速度，数据采集完成后调用车辆位置估计模块，估计车辆行驶位置，将车辆位置误差控制在1%之内，修正误差后启动车辆行驶区域的照明系统，在距离车辆200m 的周围进行延时照明。

（2）合理设计车辆行驶数据采集程序

该程序设计的主要目的是对行驶车辆的数据信息进行实时化采集、分析，利用A/D 转换的方式测量，在实时性采集数据信息的同时，对数据进行滤波处理、对比放大处理与A/D 转换处理。如果系统对数据信息采集的速率要求很高，而A/D 转换的时间较长，频繁性对A/D 转换形式进行改变，会影响数据测量的精确度受。所以，在软件设计过程中，应保证系统从通电开始就使A/D 转换与时钟电路运行。数据信息采集软件通电之后需要进行自我检查，如果软件没有故障问题，则要先实现串口模块与DSP 模块的初始化，设置中断向量之后，利用通信接口完成车辆检测器设备的初始化处理，设置A/D 采样的通道，之后启动检测器采集数据信息，将数据信息存储到系统内，发送中断信号，使软件的运行中断，对数据信息进行处理之后利用串行通信接口，将数据传送到上位机设备。

（3）车辆位置估算的云模型软件设计

以云模型为基础对高速公路隧道内的车辆位置进行准确的估算分析，能够为照明系统节能控制程序的良好运行提供保障。在软件程序设计过程中，需要实现对隧道内行驶车辆的位置进行检测，同时保证检测结果的精确度，在位置数据精确度符合要求的情况下，进行照明系统节能控制。如果位置检测数据信息不准确，可利用云模型修正车辆位置检测数据的误差，通过正向云发生器与逆向云发生器的有机整合，准确处理车辆通过线圈过程中的时间间隔数据信息，获得数据特征指标，生成相应的云滴，聚集成为云团，以此确保车辆位置和行驶速度估计数据值的精确性。其间，还需合理设计云推理模型，按照车辆行驶的速度与时间等，估计车辆行驶位置，之后向系统输入速度数据值，利用云模型车辆行驶速度估计算法技术，推算速度数据值的数字特征，由此结合车辆行驶速度估算车辆行驶位置。在车辆行驶时间估算分析过程中，也可向系统内传输时间数据值，明确数据值的数字特征，获得能够满足各类条件下语音发生器的定量数据值，使用云推理技术准确估算车辆位置和行驶时间的数值，自动修正数据误差。

（4）照明节能控制子程序软件设计

在隧道照明节能控制子程序软件设计过程中，主要使用继电器控制照明设备，在系统前端全面采集车辆数据信息，之后通过DSP 模块进行数据处理，发送响应动作的指令，实时控制照明设备的开启和关闭，如果控制信号所输出的是高电平，系统会自动吸合继电器，如果输出的是低电平，则自动断开继电器，以此达到对照明系统进行节能控制的目的。

4 结语

综上所述，虽然我国在隧道照明节能控制方面已经取得了一定的成绩，但整体的节能控制效果仍需完善。因此，在高速公路隧道照明节能控制方面，需要进一步构建完善的照明管理系统，合理设定标准值，科学选择灯具设备和灯源，完善节能控制软件设计，进而全面增强隧道照明系统节能控制的有效性和可靠性。