CN106993363A - 用于公路隧道的照明控制系统 - Google Patents

Abstract

本专利属于道路照明控制技术领域，本发明针对现有的照明系统在晚上驾驶过程中依然会存在光线突变以及对能源浪费较多的技术问题，具体公开了用于公路隧道的照明控制系统，包括：洞外传感器，洞外传感器有若干个，安装在洞外，洞外传感器用于检测洞外亮度和是否有车辆驶入隧道内；控制器，控制器用于接收洞外传感器的反馈；照明模块，照明模块安装在洞内，照明模块有若干个，照明模块分别接受控制器的控制信号，控制器根据时间、洞外传感器的反馈结果和照明模块的位置分别控制照明模块的光照强度，所述控制器对照明模块施行由暗到亮的5‑10个亮度调光等级，控制器均控制隧道两端端部的照明模块为最接近洞外自然光亮度的调光等级。

Description

用于公路隧道的照明控制系统

技术领域

本发明涉及道路照明控制技术领域，具体涉及一种隧道的照明控制系统。

背景技术

21世纪，我国公路隧道照明技术随着公路隧道修筑技术和运营管理水平的提升而不断发展，随着长大公路隧道及隧道群不断出现，公路交通量不断上升，公路隧道照明技术也由此逐渐得到关注和重视。

现有的照明系统能耗非常高，普遍存在公路隧道照明系统“建得起、用不起”的现象，公路隧道照明系统运营电费及养护开支成为沉重的负担。如我国最长的山区高速公路隧道——秦岭终南山公路隧道，全长18.02km，每月照明费用在200万元以上；山西雁门关隧道全长约11km，每月电费开支近30万元。

并且现有的照明系统，在驾驶人员进入隧道中，在白天容易出现“黑洞效应”(主要是由于光线突变造成的)，即从亮度高的隧道外，进入到较为黑暗的隧道中时人眼有一段时间的适应过程，在此过程中，人眼是对隧道内的景象是看不清除的；在从隧道中出来时，又容易出现“白洞效应”，驾驶员在驶入隧道和驶出隧道的过程中，驾驶员的眼睛均会受到光线突变的影响，会有一个短时间不能视物的危险期，这种现象，极不利于驾驶安全。

针对这种情况，中国专利公开号为CN202955617U的文献中，公开了一种隧道口加强照明系统，所述入口段和出口段内设置有若干照明器，设置于所述入口段或出口段的所述照明器隧道口向隧道内所设置的分布区域由密至疏分布设置，即所述照度自隧道口向隧道内依次递减。上述方式在一定程度上解决了白天时，光线突变的问题，但是在晚上驾驶过程中依然会存在光线突变的情况。而且还有一个问题就是对能源浪费也较多。

发明内容

本发明针对现有的照明系统在晚上驾驶过程中依然会存在光线突变以及对能源浪费较多的技术问题，提供了一种用于公路隧道的照明控制系统。

本发明提供的基础方案为：用于公路隧道的照明控制系统，包括：

洞外传感器，洞外传感器有若干个，安装在洞外，洞外传感器用于检测洞外亮度和是否有车辆驶入隧道内；

控制器，控制器用于接收洞外传感器的反馈；

照明模块，照明模块安装在洞内，照明模块有若干个，照明模块分别接受控制器的控制信号，控制器根据时间、洞外传感器的反馈结果和照明模块的位置分别控制照明模块的光照强度，所述控制器对照明模块施行由暗到亮的5-10个亮度调光等级，控制器控制入口段和出口段的照明模块的调光等级为最接近洞外亮度的调光等级。

本发明的工作原理及优点在于：国家对隧道照明设计是出台了相关规定的，如在《公路隧道照明设计细则》(2014版)中提出了隧道分为了接近段、入口段(驶入段)、过渡段、中间段以及出口段(驶出段)，洞外亮度是指距洞口一个停车视距处、离路面1.5m高，正对洞口方向20°视场范围内环境的平均亮度。中间段的亮度是为驾驶员行车提供最低亮度要求的亮度。

在本方案中，洞外传感器能够检测洞外亮度，控制器能够接收到洞外传感器的反馈，控制器根据不同照片模块处于隧道的不同位置，对照明模块进行控制。即控制隧道中间段的照明模块的亮度符合国家标准，入口段和出口段的照片模块的亮度可以根据洞外亮度进行调节。在白天时，洞外的亮度高，中间段的亮度低，因此照明模块为隧道两端亮，中间暗的“U”形亮度曲线；在天黑时，洞外的亮度低，中间段的亮度高，照明模块为隧道中间亮，两端暗的“Π”形亮度曲线。这样能够有效的防止光线突变对驾驶员造成的影响。

由于控制器根据时间、洞外传感器的反馈结果和照明模块的位置分别控制照明模块的光照强度，在0点到天亮这段时间，车流量较少，在无车驶入隧道的情况下，控制模块可以控制照明模块关闭，达到节约能源的目的。

本发明用于公路隧道的照明控制系统，一方面可以根据洞外亮度动态调节入口段和出口段的照明模块的亮度，让入口段和出口段的照明模块的亮度与洞外亮度非常接近，达到防止光线突变对驾驶员造成影响的效果。通过在在0点到天亮这段时间，车流量较少，在无车驶入隧道的情况下，控制模块可以控制照明模块关闭，达到节约能源的目的。

进一步，洞外传感器还用于检测驶入隧道车辆的平均车速和平均车距，若平均车速低、平均车距大，控制器的反馈控制隧道中间段的照明模块降低亮度，反之提高中间段的照明模块的亮度。根据《公路隧道照明设计细则》中对中间段亮度的相关规定，中间段的亮度是与行车速度相关的标量，行车速度越高中间段的亮度也要求越高，因此在本方案中，可以根据进入隧道中的行车速度，调节隧道内中间段的亮度，在平均车速慢、平均车距大的情况下降低中间段的光照强度，达到节约能源的目的。

进一步，所述洞外传感器包括雷达、红外传感器和若干光敏传感器，光敏传感器均匀分布在正对洞口方向20°范围内的非行车道上，红外传感器用于检测车流量，雷达用于检测平均车速。这是公开了一种洞外传感器的具体设计和安装方式，能够较为有效的检测所需的物理量，安装多个光敏传感器，在经过处理的情况下，可以得到排除干扰(受到非自然光如车灯、人为光源、闪电等的干扰)后的平均亮度。

进一步，所述照明模块包括驶入段照明、中间段照明和使出段照明模块，所述控制器包括上位机和与上位机连接的若干PLC，上位机接收洞外传感器的反馈，PLC分别与驶入段照明、中间段照明和使出段照明模块连接。PLC的控制非常稳定，设置上位机能够有效的协同控制PLC和照明模块。

进一步，还包括洞内传感器，洞内传感器用于检测隧道内的亮度和车流量、平均车速，洞内传感器将检测结果反馈到上位机。洞内传感器用于对洞外传感器检测的结果进行复核。

进一步，所述上位机通过模糊控制技术，处理洞外传感器、洞内传感器的检测结果与照片模块亮度的关系。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制具有比传统控制以及其他一些控制策略更好的鲁棒性。在隧道照明控制，鲁棒性要求较高，而对控制的精度要求较低，故选择模块控制技术。

附图说明

图1是本发明用于公路隧道的照明控制系统实施例的结构框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

实施例1

基本如附图1所示：用于公路隧道的照明控制系统，包括：

洞外传感器，洞外传感器有若干个，安装在洞外，洞外传感器用于检测洞外亮度和是否有车辆驶入隧道内、检测驶入隧道车辆的平均车速和平均车距。具体的来说，洞外传感器包括雷达、红外传感器和若干光敏传感器，光敏传感器均匀分布在正对洞口方向20°范围内的非行车道上，红外传感器用于检测车流量，雷达用于检测平均车速。

控制器，控制器包括上位机和与上位机连接的若干PLC，上位机接收洞外传感器的反馈，PLC将接收到的反馈传递给上位机；

照明模块，照明模块安装在洞内，照明模块有若干段。具体的来说，照明模块包括驶入段照明、中间段照明和使出段照明模块，PLC分别与驶入段照明、中间段照明和使出段照明模块连接。，照明模块分别接受控制器的控制信号，控制器根据时间、洞外传感器的反馈结果和照明模块的位置分别控制照明模块的光照强度，所述控制器对照明模块施行由暗到亮的5个亮度调光等级，控制器控制入口段和出口段的照明模块的调光等级为最接近洞外亮度的调光等级；

洞内传感器，洞内传感器用于检测隧道内的亮度和车流量、平均车速，洞内传感器将检测结果反馈到上位机。

在具体使用时：上位机通过模糊控制技术处理洞外传感器、洞内传感器的检测结果与照片模块亮度的关系。具体是的是隧道照明的输入信号包括时间段、洞外亮度、洞内亮度、平均车速、(最近3辆车的)平均车距，时间段可以划分为三个论域：白天(依靠洞外传感器检测到洞外亮度达到标准，具体为200cd/m²以上，原因是这个数值是冬天阴雨天的亮度)、夜间(200cd/m²以下到0点)、深夜(0点到200cd/m²以上)；洞内亮度的调光等级定为：很亮、亮、合适、暗、很暗(5个调光等级)；此外，平均车速(40-50km/h、50-60km/h、60-80km/h、80-100km/h、100-120km/h，未往上继续划分是中国高速路的设计最高时速为120)、平均车距(10-20m、20-30m、30-40m、40-60m、60-100m)也划分成合适的论域。

根据各个变量的论域，以及隧道照明的设计要求和专家经验，拟出各种情况下的模糊规则库。控制器采集各个变量的信号，经过模糊化、模糊推理(从模糊规则库中检索相应的控制规则，并计算控制参数)、去模糊化后形成控制信号，完成照明控制。

对比例1

现有的控制系统是依靠时间控制照明模块亮度。即保证中间段的亮度不变，在白天(具体为亮度在200cd/m²以上)时，入口段和出口段的亮度提高到规定值。在夜晚(具体为亮度在200cd/m²以下)，入口段和出口段的亮度减弱到规定值。解释说明：规定值是指符合《公路隧道照明设计细则》2014版的亮度值。

为证明本方案的节能效果，特选用某道路上，临近的(具体相距50km以内，保证地理环境、气候环境相类似)两条隧道作为对象，这两条隧道的长度均为3km，设计速度为60km/h双向4车道。

在对比例中照明模块的参数如表1所示：

对比例1隧道照明模块参数

对比例中照明控制仅分为白天模式和夜晚模式，照明能耗计算按照白天所有灯具全开，夜晚入口、出口段400W高压钠灯加强照明开1/3，250W过渡段开一半，基本照明全开来计算。故隧道照明白天年使用总能耗为(不考虑镇流器功率)：

(400W×108+250W×72+100W×2130)×12×365/1000＝1200996(kWh)

夜晚年使用总能耗为(不考虑镇流器功率)：

(400W×108×1/3+250W×72×1/2+100W×2130)×12×365/1000＝1035472(kWh)

电费按实际发生的综合价格：0.7元/度计，则隧道现状年照明费用为：

(1200996+1035472)×0.7＝1565499.6(元)＝156.5(万元)

实施例1中的照明模式分为白天、夜晚和深夜，白天模式与夜晚模式主要依据洞外亮度和时钟，深夜模式采用感应控制主要受交通量影响。实施例1中隧道照明控制模式效果如表2所示。

表2隧道照明改造方案控制效果

白天模式根据时钟和洞外亮度，确定不同时段的照明等级，灯具平均开启数量为9/10，具体隧道白天使用总能耗为(不考虑镇流器功率)：

(400W×108+250W×72+100W×2130)×9/10×12×365/1000＝1080896.4(kWh)

夜晚模式单位小时能耗与现状一致，但时间只持续5小时，故照明使用总能耗为(不考虑镇流器功率)：

(400W×108×1/3+250W×72×1/2+100W×2130)×5×365/1000＝431446.7(kWh)

车辆感应照明控制系统主要应用于深夜模式，持续时间7小时，假设交通量服从泊松分布，深夜平均车流量为120辆/h。则深夜1分钟内没有一辆车经过隧道的概率为：

P(X＝0)＝e^-5＝13.53％

在实际观察该隧道连续30天的通车情况，在深夜模式中，平均每天无车通行可关闭照明累加时间为204.07分钟。

故深夜照明使用总能耗为(不考虑镇流器功率)：

(400W×108×1/4+250W×72×1/3+100W×2130×1/2)×(1-0.1353)×7×365/1000

＝272407.7(kWh)

改造后，隧道年照明使用能耗为：

(1080896.4+431446.7+272407.7)＝1784750.8(kWh)

电费按实际发生的综合价格：0.7元/度计，则项目实施完成后，隧道现状年照明费用为：

1784750.8×0.7＝1249325.5(元)＝124.9(万元)。

以上是理论一年本方案与现有技术相比可节省用电约45.2万度，节约照明费用31.6万元，综合节电率可达25％。

事实上通过一个月的实际对比，发现在实际使用过程中，实施例1与对比例1相比，节电率在19.1％，我们分析，应该是PLC和上位机消耗了部分电能和深夜行车的概率分布与理论存在误差的情况，造成实际与理论的误差。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.用于公路隧道的照明控制系统，其特征在于，包括：

洞外传感器，洞外传感器有若干个，安装在洞外，洞外传感器用于检测洞外亮度和是否有车辆驶入隧道内；

控制器，控制器用于接收洞外传感器的反馈；

照明模块，照明模块安装在洞内，照明模块有若干个，照明模块分别接受控制器的控制信号，控制器根据时间、洞外传感器的反馈结果和照明模块的位置分别控制照明模块的光照强度，所述控制器对照明模块施行由暗到亮的5-10个亮度的调光等级，控制器控制入口段和出口段的照明模块的调光等级为最接近洞外亮度的调光等级。

2.根据权利要求1所述的用于公路隧道的照明控制系统，其特征在于，洞外传感器还用于检测驶入隧道车辆的平均车速和平均车距，若平均车速低、平均车距大，控制器的反馈控制隧道中间段的照明模块降低亮度，反之提高中间段的照明模块的亮度。

3.根据权利要求1所述的用于公路隧道的照明控制系统，其特征在于，所述洞外传感器包括雷达、红外传感器和若干光敏传感器，光敏传感器均匀分布在正对洞口方向20°范围内的非行车道上，红外传感器用于检测车流量，雷达用于检测平均车速。

4.根据权利要求1所述的用于公路隧道的照明控制系统，其特征在于，所述照明模块包括驶入段照明、中间段照明和使出段照明模块，所述控制器包括上位机和与上位机连接的若干PLC，上位机接收洞外传感器的反馈，PLC分别与驶入段照明、中间段照明和使出段照明模块连接。

5.根据权利要求1所述的用于公路隧道的照明控制系统，其特征在于，还包括洞内传感器，洞内传感器用于检测隧道内的亮度、车流量和平均车速，洞内传感器将检测结果反馈到上位机。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于公路隧道的照明控制系统，其特征在于，所述上位机通过模糊控制技术，处理洞外传感器、洞内传感器的检测结果与照片模块亮度的关系。