CN117145553A - 一种隧道通风照明的系统及方法 - Google Patents

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CN117145553A CN202310806786.5A CN202310806786A CN117145553A CN 117145553 A CN117145553 A CN 117145553A CN 202310806786 A CN202310806786 A CN 202310806786A CN 117145553 A CN117145553 A CN 117145553A
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Abstract

本发明公开了一种隧道通风照明系统，所述隧道通风照明系统包括风速风向检测模块、亮度检测模块、车辆检测模块、环境监测模块、CO浓度检测模块、烟雾浓度检测模块、射流风机检测模块、照明模块与主控模块。本申请系统设计过程中，根据控制系统的总体设计要求，把握其总体设计方案，充分、合理利用先进控制设备，准确选择PLC和触摸屏的配置，实现自动监控和运行管理，具有技术先进性；本申请通过PLC控制器采用S7‑200SMART系列，每个控制柜内置两个CPU，构成冗余系统，当其中一个CPU发生故障时，自动切换到另一个CPU运行，提高了控制系统的可靠性。PLC之间通过工业以太网交换机构成环网结构，数据通过环网送至监控中心的总控制器，具有稳定可靠性。

Description

一种隧道通风照明的系统及方法
技术领域
本发明属于隧道通风照明技术领域，具体为一种隧道通风照明的系统及方法。
背景技术
随着公路建设的脚步逐渐踏进广漠高原、迈向崇山峻岭、深入离岸江海，长大公路隧道数量的不断增多，大大缩短了通行距离、提高了通行效率。我国的隧道建设技术也在逐步提升，隧道建设技术在很多方面都有了新的突破，我国已经逐渐步入世界隧道强国之列。
在隧道快速发展的同时也带来了新的困难与挑战，隧道的能源消耗巨大，长大隧道耗能一年的电费就高达数千万，给运营商带来了巨大的压力。由于隧道是一个狭长的半封闭空间，空气流动不畅且光线较暗，汽车在隧道行驶过程排放的一氧化碳和烟尘如果不及时排出隧道，不仅会对司乘人员的健康产生危害，还会影响驾驶安全。一氧化碳浓度过高会致使司机头晕恶心；烟尘浓度过高不仅仅会降低隧道的能见度和车辆安全行驶的视距，还会影响隧道照明效果。由于隧道内外的亮度差，驾驶人员在出入隧道会产生“黑洞效应和白洞效应”。这两种效应轻则会使驾驶员出现视觉迟滞现象，重则会导致严重的交通事故，尤其是在节假日、春运期间，由于车流量较大，一旦发生交通事故，后果不堪设想。据有关资料显示，车辆追尾是隧道口最易发生的交通事故，而发生这一事故最大的原因就是隧道洞口内外亮度差异过大导致的。
由于隧道环境的特殊性，需要全天候提供人工照明；本着安全驾驶以人为本的原则，目前照明系统的设计以照明细则为依据，按照洞外最大亮度和预测的最大车流量进行洞内亮度调节，使得洞内实际亮度普遍高于设计要求值；无独有偶，为了给驾驶人员提供良好的呼吸环境，隧道运营单位将风机常开，但是公路隧道内的交通流量以及车流速度是时刻变化的，其排放的有害气体、烟尘以及产生的交通风量也是在不断变化的，这就要求隧道内的通风设备及其运行方式做出相应的调整，使系统在达到控制标准的同时节约能源；据调查显示，隧道内过度照明导致70％电力资源浪费；通风中所需的电力消耗与通风量大约呈三次方的关系，通风照明的能耗占运营能耗的90％。
综上所述，面对目前隧道通风、照明耗能如此巨大的情况，制定出可行的通风照明节能方案，并研究一种可以根据隧道实时环境做出正确决策的智能控制系统对减轻运营部门的负担和实现可持续健康发展有着十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种隧道通风照明的系统及方法，解决了控制方法问题、控制策略问题与隧道通风照明设计、设置不合理能耗浪费现象严重的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧道通风照明系统，所述隧道通风照明系统包括风速风向检测模块、亮度检测模块、车辆检测模块、环境监测模块、CO浓度检测模块、烟雾浓度检测模块、射流风机检测模块、照明模块与主控模块；
所述风速风向检测模块、亮度检测模块、车辆检测模块、环境监测模块、CO浓度检测模块、烟雾浓度检测模块、射流风机检测模块、照明模块均与主控模块电信号连接；
所述风速风向检测模块、亮度检测模块、车辆检测模块、环境监测模块、CO浓度检测模块、烟雾浓度检测模块、射流风机检测模块采集数据环网传输至主控模块，主控模块运算通过PLC控制照明模块运行。
优选的，所述隧道通风照明系统具体如下：除隧道入口外每间隔250m架设一组风机，一个PLC控制柜控制附近的3组风机，另用一个PLC控制柜对隧道照明设备进行控制，每个PLC控制柜内置两个CPU，构成冗余系统；当其中一个CPU发生故障时，自动切换到另一个CPU运行。
优选的，每个PLC控制柜之间通过工业以太网交换机构成环网结构，数据通过环网送至监控中心的总控制器。
优选的，6个PLC机柜的附近安装一组一体式CO/VI检测仪，对隧道环境进行监测，采用就近启动原则，隧道哪个测量点的传感器测得的浓度需要开启风机时，开启就近风机。
本发明还提出了一种隧道通风照明方法，所述隧道通风照明方法具体如下：
Q1、隧道的左右洞洞口分别安装亮度检测仪；
Q2、采集的亮度传输至PLC，计算各个区段所需的光亮度；
Q3、隧道入口段、过渡段、中间段、出口段的需要的光亮度不同，入口段的需求亮度最高；
Q4、为避免发生在事故灾害，隧道无灯可用，相隔25米安装紧急照明灯。
优选的，所述Q3中为满足入口段的需求亮度，布设较高密度灯具的同时选择100W的LED灯。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本申请系统设计过程中，根据控制系统的总体设计要求，把握其总体设计方案，充分、合理利用先进控制设备，准确选择PLC和触摸屏的配置，实现自动监控和运行管理，具有技术先进性；
本申请通过PLC控制器采用S7-200SMART系列，每个控制柜内置两个CPU，构成冗余系统，当其中一个CPU发生故障时，自动切换到另一个CPU运行，提高了控制系统的可靠性。PLC之间通过工业以太网交换机构成环网结构，数据通过环网送至监控中心的总控制器，具有稳定可靠性；
本申请系统具有人性化设计的上位机界面，能够及时提供实时数据和实时画面，使整个工艺流程清晰可见，以便出现故障时，可以方便工作人员操作，实现快速检修；
本申请设计过程中，综合考虑各种因素，以降低成本，提高效益，减少设备的投资和运行费用；
本申请考虑到以后整个系统的扩展性，I/O点数应留有相应的余量，系统具备一定的可扩充能力，同时也满足在预留I/O点数范围内的扩展不会影响整个系统的正常运行。
附图说明
图1为本发明LED灯、风机、传动器布置及接线示意图；
图2为本发明系统总体框架示意图；
图3为本发明环形线圈检测器检测过程示意图；
图4为本发明主程序设计流程图；
图5为本发明模糊PID控制算法结构示意图；
图6为本发明E输入量隶属度函数示意图；
图7为本发明EC输入量隶属度函数示意图；
图8为本发明Δkp输出隶属度函数示意图；
图9为本发明Δki输出隶属度函数示意图；
图10为本发明Δkd输出隶属度函数示意图；
图11为本发明simulink仿真示意图；
图12为本发明三种控制算法阶跃响应示意图；
图13为本发明三种控制算法加入10％干扰信号后阶跃响应示意图；
图14为本发明E模糊输入隶属度函数示意图；
图15为本发明EC模糊输入隶属度函数示意图；
图16为本发明Δkp输出隶属度函数示意图；
图17为本发明Δki输出隶属度函数示意图；
图18为本发明Δkd输出隶属度函数示意图；
图19为本发明输出ΔKp三维曲面示意图；
图20为本发明输出ΔKi三维曲面示意图；
图21为本发明输出ΔKd三维曲面示意图；
图22为本发明算法仿真示意图；
图23为本发明亮度变化曲线示意图；
图24为本发明照明调节亮度变化曲线示意图；
图25为本发明不同控制方法对比示意图；
图26为本发明结合交通流预测控制示意图；
图27为本发明通风控制流程示意图；
图28为本发明照明控制流程示意图；
图29为本发明系统上位机监控功能结构示意图；
图30为本发明控制机电路设计示意图；
图31为本发明PLC接线端子设计示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种隧道通风照明的系统，隧道通风照明系统从结构上分为物理感知层、网络数据层、应用层，物理感知层采集的隧道环境信息通过网络数据层传输至应用层，应用层通过触摸屏、云平台、PC端、手机等设备显示具体数值，并对现场设备的运行状态进行监控和控制，如图2所示。
物理感知层作为控制系统的基本层，主要包含数据监测模块和执行机构两部分；数据监测模块主要由各类传感器构成，负责采集隧道内的环境信息；执行机构主要主要由LED灯、风机等设备构成，根据上位机发来的指令对设备进行控制；网络数据层主要起着连接物理感知层和应用层的作用，是两者的数据通道，实现两者之间的数据传输和控制指令传达。应用层是整个控制系统的核心，主要对隧道的环境信息进行显示和保存，并且对数据进行分析处理得出通风照明控制策略，并将控制指令通过网络数据层发送至物理感知层进行执行操作。
一、系统硬件选型
1、PLC选型
PLC选型不仅仅要满足控制系统的要求，更重要的是安全可靠；目前生产PLC的厂家很多，虽然都能满足控制要求，但是在性价比、安全可靠性等方面还有较大差异，通过分析本控制系统需求的I/O点数、PLC储存容量以及通讯接口对PLC进行选择。在选型时，不仅仅要考虑系统目前所需要的I/O点数，还要考虑将来系统拓展升级，需预留15％的I/O点数；
综上，本系统选择西门子S7-200SMART系列中的CPUST60作为控制器。
S7-200SMARTCPU的储存器容量较大，即使不增加扩展模块依旧可以满足系统的储存容量需求，同时，PLC集成的以太网支持西门子S7协议与开放式以太网通信，满足任何小型自动化系统的通信需求，设备主要性能参数如表1所示。
表1 CPUST60性能参数
2、触摸屏选型
人机交互界面(HMI)的设计，一方面隧道运营人员通过触摸屏查看了解隧道内的环境参数和隧道内设备的运行状态，实时掌握隧道的环境状况；另一方面，隧道管理人员可以对控制器进行参数设置并通过触摸屏向现场设备发送动作指令；
因此触摸屏的选择应满足隧道潮湿、灰尘大等恶略的运行环境，同时更应该注重运行的可靠性。综上，本系统选用SMART700IEV4触摸屏；性能参数如表2所示。
表2 SMART700IEV4性能参数
3、物联网通讯模块选型
本系统选取PLC云网关实现PLC与云平台的链接，PLC云网关可以帮助PLC联网，可以将采集的数据上传至云平台进行查看与保存，同时实现PLC的远程监控和数据透传(远程调试，程序上下载)。本系统选用USR-PLCNET210型号的PLC网关。上网方式选择安装移动SIM卡，将4G天线安装在4G接口上，利用4G网络将数据传输之云平台。PLC网关与PLC之间用LAN网口连接，利用USR-PlcNet软件对网关进行参数设置、网关添加，实现PLC的远程调试以及程序的上下载。USR-PLCNET210性能指标如表3所示：
表3 USR-PLCNET210性能指标
利用有人云物联网平台，通过互联网将不同区域的工业设备接入有人云平台，利用云平台搭建监控界面、管理界面，和手机端管理界面，运营商可以远程对隧道进行监测和远程调控。也可利用手机小程序随时随地对隧道进行监控，为运营商监控隧道提供了极大便利。
4、CO/VI检测器
本系统选用一体式CO/VI检测器(SM-SDCV3型)，他能自动检测隧道内的CO浓度值和烟雾透过率。该检测器根据透射原理工作，该CO/VI测量仪由发射和接受头组成，两者相对安装，利用支架固定对准后，光学部件发出的高聚焦光束成为一条检测光束，安装距离为三米(往返双光路，实测光程为6米)，经过大气信道对光信号衰减后，接收器得到信号经处理后为测定值。该智能检测仪内部自带补偿功能，在光学镜头被污染后，能自动进行增益补偿。SM-SDCV3型一体式CO/VI检测器性能指标如表4所示。
表4 SM-SDCV3性能指标
5、风速风向检测器
风速检测仪用于自动检测隧道内的风向、风速。本系统选用SM-SDSX5型超声波风速风向检测器，采用超声波时差原理，将两个超声波探头分别安装在隧道内的两侧墙壁上，当隧道内气流经过两个超声波探头之间时，超声波通过彼此发射波束往返的时差从而得出隧道内的风速和风向值，采用超声波检测原理，不受环境温度影响。SM-SDSX5性能指标如表5所示。
表5 SM-SDSX5性能指标
6、车辆检测器
车辆检测器主要用于检测交通数据，每一通道皆可以检测出不同类型的机动车，并对每车道的小型车、大型车分别计数。目前车辆检测器主要包括从磁频车辆检测、波段车辆检测器和视频车辆检测器。本系统选用磁频车辆检测器，该检测器不仅仅能检测到是否有车辆经过，还能检测车速、车型等信息。其工作原理如图3所示，当车辆前端进入环形线圈的工作范围内时，输出高电平；当车辆驶出环形线圈时，输出低电平。由图可知环形检测器的有效长度为车辆的长度加上线圈的长度，通过固定距离设置两个环形线圈测量出车辆长度和车速。
7、亮度检测仪
由于隧道内外的亮度差异过大，人的视力一时间难以适应，很容易发生交通事故，为了降低隧道内外亮度差异，需要实时监测隧道内外的光强变化，调节隧道内的光照强度，帮助驾驶人员更好的适应环境差异。本系统选用VV111-M47073型光强检测仪，它利用高性能光电转换模块，将采集的光信号快速转换为电信号处理后得到测量结果。在实际工程中，隧道外安装一个，安装于4米高左右立杆上，距隧道口50～200m的位置；隧道内安装一个，安装在4m高的侧壁上，隧道内选用SM-SDSF3亮度检测仪，隧道外选用SM-SDSF4亮度检测仪。由系统根据洞外光亮检测器测定值和设定的阈值比较来控制洞内不同的亮度等级。主要技术参数如表6所示：
表6亮度检测仪参数
8、射流风机
射流风机属于通风控制系统的执行元件，用于将控制对象控制在设定值以内.在发生火灾时，隧道内的射流风机也可用于控制烟雾的蔓延。本系统选用西北工业大学研究的华翼射流风机，可以在-25℃～+45℃的环境下长期工作，发生火灾时，也可在250℃的高温下运行一小时；同时可配备双速电机，在自然风较强时，可低速运行，减少能耗。
9、照明设备
本系统选用SM-SDD型号的照明设备对隧道提供照明。目前我国公路隧道在不断进行节能改造，相比于市场上传统的隧道照明方式，本系统选用的苏米科技LED隧道照明灯具具有智能调光控制技术，可大量缩减隧道照明运行成本和管理成本，实现公路隧道照明节能减排的战略目标。
二、火电厂输煤控制系统软件方案
隧道通风照明控制系统主要包括通风控制和照明控制。本控制系统采用结构化编程思路，将具有不用运算功能和控制功能的子程序分别组成相互独立的子程序模块，通过系统主程序编程完成各个子系统模块的调用。
三、主程序设计
为保证控制系统的运行可靠性，将将通风照明控制系统分为自动控制和手动控制两种控制方式。自动控制时，系统根据监测的环境信息经PLC运算后对执行机构进行输出；手动控制，可以人工对执行机构下达控制指令。主程序设计流程图如图4所示。
四、控制算法研究及仿真
由于隧道环境的特殊性，且多因素相互耦合，被控对象和控制器输入量之间难以获得精确的数学模型。模糊控制可以解决隧道环境复杂难以建立精确数学模型的问题，但单一模糊控制算法静态误差过大，系统调控周期长，不易达到稳定状态；传统PID控制算法性能较好，但超调量较大难以适应干扰因素；自适应模糊PID控制算法结合两者优点，既可以解决难以建模的问题，又可以结合控制规则和PID控制，系统可以根据具体情况自行调节实施相应。模糊PID控制算法结构图如图5所示。
五、通风自适应模糊PID控制器设计
(1)系统模糊化
系统模糊化主要是将被控变量精确的偏差和偏差变化率映射到模糊语言变量值的过程，方便模糊规则的设定和推理。
1)模糊子集的设定
本系统主要控制的环境指标是CO浓度和VI值，根据依托工程的环境参数，确定CO浓度的控制指标为200ppm；VI值最大为0.007m-1；对于CO模糊控制器，取CO浓度误差量的真实论域为[-30,30]，变换为模糊子集论语E为[-6,6]，比例因子为0.2；同时取CO浓度误差变化量的真实论域为[-6,6]，变换为模糊子集论域依然为[-6,6]，比例因子为1。PID参数修正量ΔKpΔKiΔKd的论域为[-3，3]、[-3，3]、[-0.5,0.5]。
2)隶属度函数确定
再确定模糊子集之后，选取隶属度函数。隶属度函数的形状越尖锐，模糊集的分辨率和控制灵敏度就越高，本系统选用三角形隶属度函数。输入E和EC的隶属度函数如图6、图7所示，输出ΔKp、ΔKi、ΔKd隶属度函数如图8、图9、图10所示。
(2)模糊控制规则和推理
模糊PID利用模糊逻辑并根据模糊规则对PID参数进行不断优化，以克服传统PID参数无法实时调节的缺陷。通过传感器采集的污染物浓度，确定污染物浓度与设定值得误差E以及当前误差和上次误差的变化EC，根据模糊规则表进行推理。模糊控制器输出的ΔKpΔKiΔKd与原PID的参数共同对风机进行控制，以便及时排出污染物。系统模糊规则表如表7所示：
表7系统模糊规则表
(3)反模糊化
输出数据经模糊推理后得到模糊化的输出量，但是模糊化的PID参数无法直接用于PID控制，因此需要进行反模糊化处理。重心法通过获取横坐标与隶属度函数曲线所围成的面积的中心作为输出值，控制效果较好，因此本文选此方法进行反模糊化。
式中，μB(μj)为输入量为μj时的隶属度。
在反模糊化后，得出参数调整量ΔKpΔKiΔKd，将调整量与Kp Ki Kd进行计算，完成PID参数的自动调整。
(4)仿真与验证
1)通风系统近似模型
由于隧道通风控制对象存在非线性、滞后性等特点，难以建立精确地传递函数。本系统对其进行等效处理。
当风机启动时，隧道内的气压保持不变，将此过程看成滞后环节；当风机工作一段时间之后，隧道内的压力逐渐稳定在设定值，将此环节看作一阶惯性环节。因此压力的数学模型为一阶纯滞后惯性环节：
将隧道内CO浓度变化看作一节纯滞后惯性环节：
式中：K1，K2为静态增益；T1、T2为惯性常数；τ1、τ2为滞后时间。
综上可得本系统中隧道内CO通风量控制对象的数学模型为：
根据实际情况，目标隧道采用纵向通风，可以对交通风和自然风充分利用[12]，节约能源。在本文中，设置静态参数K1＝3、K2＝6；惯性常数T1＝2、T2＝3；滞后时间τ1＝2、τ2＝1。
2)simulink仿真模型搭建
为验证自适应模糊PID控制算法的优越性，将搭架传统PID控制算法、模糊PID控制算法和自适应模糊PID控制算法模型，给定阶跃型号，比较三种控制算法的输出波形，从调控时间、超调量等方面对控制算法的性能进行比较。simulink仿真图如图11所示。
给系统一个阶跃函数输入值为1，系统在三种不同控制方式下的响应曲线如图12所示。
由图12可得，模糊控制不仅响应慢，调节时间也长达21.37s，超调量高达21.9％。不适于单独用于隧道通风系统。传统PID控制算法的响应时间、调节时间以及控制效果相对稳定。但是超调量超过10％。相较于传统PID控制算法自适应模糊PID控制系统的最大超调量仅为4％。系统从初始状态达到稳定状态的超调量仅为6.71s。
由于隧道环境复杂且易受外界影响，第50s加入10％的干扰信号，加入干扰信号后的三种智能控制算法阶跃响应对比如图13所示。由图得出，模糊PID控制效果最好，在2.13s内可以使系统再次达到稳态，模糊控制的调节时间最长，PID算法的调节时间适中但是超调量在三者中最大为10.7％。
表8三种控制算法阶跃响应比较
三种智能算法经过阶跃响应的对比见表8。由此可知模糊PID控制算法，能有效缓解隧道通风耗能大的问题。能有效避免模糊控制和传统PID控制超调量大以及控制时间长的问题，并可有效应对隧道环境变化大的问题。
六、照明自适应模糊PID控制器设计
(1)系统模糊化
系统模糊化主要是将被控变量精确的偏差和偏差变化率映射到模糊语言变量值的过程，方便模糊规则的设定和推理。
1)模糊子集设定
根据按需照明的亮度值，确定偏差和偏差变化率的论域，本文依托工程速调长度4000m，洞外亮度最大值约为3600cd/m2，隧道设计速度为80km/h，则隧道入口段的亮度折减系数K约为0.0372，则隧道入口段最大照明亮度为133.92cd/m2。
故设定偏差论域为[-120,120]，偏差变化率论域为[-60,60]，PID参数修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd的论域为[-3,3]、[-3,3]、[-0.3,0.3]。为简化模糊化过程，将模糊控制器的输入输出均划分为{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}7个模糊子集。
2)隶属度函数的建立
在确定模糊子集之后，进行隶属度函数的确定。隶属度函数的形状越尖锐，模糊集的分辨率和控制灵敏度就越高，相反，如果隶属函数的形状较宽，模糊集的分辨率和控制灵敏度则较低，但系统的稳定性会更好。本系统模糊控制器的输入变量E和EC选择高斯性隶属度函数，如图14、图15所示。模糊输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd选择三角型隶属函数如图16、图17、图18所示。
(2)模糊控制规则和推理
模糊控制规则的制定与PID控制器各个参数的性质有关，在系统调节时，比例系数Kp越大，响应速度越快，但过大会导致系统不稳定，故在调节中会先增大Kp加快响应速度，然后减小Kp提高系统稳定性；Ki越大超调量越小，但会降低系统的反应速度，因此开始时，减小Ki增加相应速度，后增加Ki提高稳态精度；当Kd过大会使系统产生振荡，过小可能会出现超调，因此在调节时，先增加Kd避免超调，待系统稳定时减少Kd避免系统产生振荡。根据上述原理，制定自适应模糊PID控制规则表如表9所示。
表9模糊控制规则表
(3)反模糊化
与通风控制器一样，照明控制器也选用重心法进行反模糊化。
(4)仿真与验证
1)照明系统传递函数数学模型建立
隧道灯光照明模型是一个多输入多输出模型，隧道内不同区段的灯光亮度是相互影响的。多输入输出模型中照明亮度与输入殿下的PWM的占空比之间的离散时间的传递函数如式(41)下所示。
式中y(k)为系统输出；u(k)为系统输入；q-n为移位算子；a为缩放增益，b为偏移量。由文献得知，设备的输入电压与LED亮度存在线性关系。将线性关系带入上式模型，可得照明系统的传递函数如式43所示：
2)模糊控制器的设定
在进行SIMULINK仿真前，先对模糊控制器进行设定，在matlab命令行中输入“fuzzy”打开FIS编辑器。该模糊控制器为两输入三输出，偏差E和偏差变化率EC作为输入，ΔKpΔKiΔKd作为输出，采用重心法进行反模糊，通过rules模糊规则控制器设定模糊控制规则，设定好的模糊控制规则可使用surface选项观察模糊控制器输出值ΔKpΔKiΔKd的三维曲面。三维曲面如图19、图20、图21所示。
(5)仿真比较
仿真模型如图22所示。第一部分为按需照明控制，以入口段亮度调节为例，将实际光照强度作为输入，基于隧道实际环境，入口段亮度折减系数为0.0372，光照强度和折减系数运算后作为模糊PID控制的输入；第二部分为车进灯亮控制，当检测到有车辆行驶时，控制器输出需求亮度，当无车辆行驶时，照明设备调至低耗能模式；第三部分为基于交通流预测控制，先根据预测的交通流量选择控制方法，当交通流大于设定阈值，选择按需照明控制方法，当交通流量小于阈值，选择车进灯亮控制方法。
在汽车进入隧道时，司机受光照强度的影响最大，所以隧道入口段的光照调节是重中之重，所以本次实验仿真主要模拟隧道入口段亮度调节。根据照明细则中的规定Lth1＝k×L20(S)对入口段的需求亮度进行计算。L20(S)为隧道外实时采集的光照强度，k取值按照依托工程的详细参数查表得0.0372。为验证算法的控制效果，选择室外亮度变化较大的一段时间对亮度进行监测。亮度变化曲线图如图23所示：
根据细则中的公式Lth1＝k×L20(S)对需求亮度进行计算，由公式可得需求亮度与实际光照强度成比例关系。将需求亮度作为控制器的设定值，利用模糊PID控制器对照明设备进行调节，照明调节亮度变化曲线如图24所示，由图可得，模糊PID控制的输出亮度与需求亮度之间的偏差很小，能够满足设计需求。
图25为两种控制方法的仿真输出，对比车进灯亮控制调光和按需照明调光，车进灯亮调光在没有车辆进入时将亮度等级调为20cd/m2；当有车辆进入时，调至需求亮度。按需照明调光忽略了交通流量，隧道内的亮度等级不断根据隧道外光照强度的变化进行调节。两种调光方法相比，车近灯亮调光可以做到节能最大化，但是当车流量较大时，灯具频繁起停会造成损耗，降低灯具的使用寿命甚至损坏灯具。按需照明控制可以满足隧道的照明需求且减少开关损耗，但当车流量较小时，更多的是无用功还会造成电能的浪费。
图26为结合交通流预测的调光控制，该控制方法既避免了车流量较大时，灯具频繁调光，又能避免车流量较小时，隧道无用照明，在满足隧道需求亮度的同时最大程度的节约耗能。
通过对比三种控制方法，计算得出，结合交通流预测的控制方法相较于车近灯亮控制方法开关损耗减少84.3％；相较于按需照明控制方法节能8.49％。
七、照明控制
(1)按需照明控制方法
按需照明控制策略主要是在根据隧道外的实时光照强度，不断对隧道各区段的照明亮度进行调整。相较于分段式控制，按需照明控制可以实时对照明亮度进行精细调整，不仅可以营造良好的隧道环境，还可以节约能源；但是当深夜或者淡季交通流量较小时，更多的是无效照明导致电能极大浪费。
(2)车进灯亮控制策略
该控制器需要在隧道外和隧道内各区段放置传感器，当有车辆进入隧道时，主控制器根据隧道外光亮度计算隧道内各区段的照明亮度等级，对照明设备发送调光指令。当隧道外没有车行驶时，隧道内各区段依次检测当前区段是否有车辆行驶，当无车辆行驶时，将各区段照明设备调至低耗能模式，对隧道照明进行更精细化的控制。
(3)基于交通流预测的控制方法
按需照明控制可以实时对隧道内的照明亮度进行调节，但当隧道内车流量较小时，更多的是无用照明；车进灯亮控制方法，当隧道内交通流量较大时，各区段照明设备频繁调光会造成调光设备的损耗，降低设备的使用寿命。提出基于交通流预测的隧道照明控制方法，根据交通流量的大小选择不同的控制方法，既能在车流量较小时减少损耗，又能在车流量较大时避免频繁调光造成开关损耗。控制流程图如图28所示。
八、上位机界面设计
公路隧道监控系统分为云端监控和本地监控均能反应系统当前的工况以及现场环境的实时数据，还可以对现场设备进行调试和参数进行设定，本地监控和云端监控为隧道稳定运营上了双保险，提高了隧道运营的可靠性。本系统本地监控使用winccflexible软件对监控页面进行组态设计，上位机使用有人云平台进行监控页面组态。
公路隧道智能控制系统要求上位机能够反映隧道的实时环境信息、设备的运行状态，还可以对控制变量进行设置，当检测到执行机构或传感器出现故障时，在云端监控显示报警信息。控制系统上位机监控功能结构图如图29所示。
九、PLC接线端子设计
控制系统内的设备信号分为数字量输入和数字量输出两种。根据I/O分配表，CPUST60模块的接线端子如图31所示。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种隧道通风照明系统，其特征在于：所述隧道通风照明系统包括风速风向检测模块、亮度检测模块、车辆检测模块、环境监测模块、CO浓度检测模块、烟雾浓度检测模块、射流风机检测模块、照明模块与主控模块；
所述风速风向检测模块、亮度检测模块、车辆检测模块、环境监测模块、CO浓度检测模块、烟雾浓度检测模块、射流风机检测模块、照明模块均与主控模块电信号连接；
所述风速风向检测模块、亮度检测模块、车辆检测模块、环境监测模块、CO浓度检测模块、烟雾浓度检测模块、射流风机检测模块采集数据环网传输至主控模块，主控模块运算通过PLC控制照明模块运行。
2.根据权利要求1所述的一种隧道通风照明系统，其特征在于：除隧道入口外每间隔250m架设一组风机，一个PLC控制柜控制附近的3组风机，另用一个PLC控制柜对隧道照明设备进行控制，每个PLC控制柜内置两个CPU，构成冗余系统；当其中一个CPU发生故障时，自动切换到另一个CPU运行。
3.根据权利要求2所述的一种隧道通风照明系统，其特征在于：每个PLC控制柜之间通过工业以太网交换机构成环网结构，数据通过环网送至监控中心的总控制器。
4.根据权利要求2所述的一种隧道通风照明系统，其特征在于：6个PLC机柜的附近安装一组一体式CO/VI检测仪，对隧道环境进行监测，采用就近启动原则，隧道哪个测量点的传感器测得的浓度需要开启风机时，开启就近风机。
5.一种隧道通风照明方法，其特征在于：所述隧道通风照明方法具体如下：
Q1、隧道的左右洞洞口分别安装亮度检测仪；
Q2、采集的亮度传输至PLC，计算各个区段所需的光亮度；
Q3、隧道入口段、过渡段、中间段、出口段的需要的光亮度不同，入口段的需求亮度最高；
Q4、为避免发生在事故灾害，隧道无灯可用，相隔25米安装紧急照明灯。
6.根据权利要求5所述的一种隧道通风照明方法，其特征在于：所述Q3中为满足入口段的需求亮度，布设较高密度灯具的同时选择100W的LED灯。
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