高速公路隧道照明智能檢測技術研究

程智清 楊金銓 楊仕強 王立軍

摘要：隧道照明智能檢測系統(tǒng)可通過自動采集照度信息，并進行智能化處理，對隧道照明狀況進行客觀、準確的評價，檢測速度快、數據準確、封道時間短，可以為隧道的運營和維護決策提供準確的數據支持?，F闡述了高速公路隧道照明智能檢測系統(tǒng)的軟硬件設計要點，分析了隧道照明智能檢測系統(tǒng)的關鍵技術。

關鍵詞：高速公路;隧道照明;照度;智能檢測系統(tǒng)

0 引言

隧道照明環(huán)境的好壞是影響車輛安全行駛的關鍵因素之一，其檢測主要將照度、亮度以及均勻度、縱向均勻度作為指標，而亮度由于受到檢測條件限制難以進行有效檢測，因此，在隧道照明環(huán)境檢測時多采用照度作為指標。

1 研究目標及特點

本文所研發(fā)的隧道照度快速檢測系統(tǒng)是將照度傳感器安裝在汽車后部，通過該照度傳感器可以自動采集隧道內縱向面的照度數據，并繪制照度曲線。該系統(tǒng)大大提高了檢測效率和準確性，極大地縮短了檢測時的封道時間，減輕了檢測人員的勞動強度，保證了檢測人員的人身安全。

2 隧道照明智能檢測系統(tǒng)設計

2.1? ? 設計原則及原理

2.1.1? ? 設計原則

隧道照明智能檢測系統(tǒng)的設計總體原則為：技術先進、經濟合理、維護方便、設備簡潔緊湊，同時必須符合檢測標準的要求，有利于檢測技術的發(fā)展。軟件設計的原則為：標準性、成熟性、實用性、安全性和可擴展性。

系統(tǒng)研究時還要注重需求牽引原則，即以檢測業(yè)務和檢測標準的需求為原型，牽引系統(tǒng)研發(fā);還要遵循循序漸進和軟硬件系統(tǒng)兼容協調的原則，在不斷改進的過程中，促進軟硬件協調、兼容和統(tǒng)一。

2.1.2? ? 主要原理

隧道照明快速檢測系統(tǒng)測試原理如圖1所示。通過安裝在車輛后部的照度傳感器、五輪儀、攝像機等設備，將隧道照度值、檢測位置、圖像等數據傳輸至軟件系統(tǒng)，自動計算生成隧道照度數據曲線。

系統(tǒng)軟件采用多線層軟件架構，通過五輪儀或旋轉編碼器輸出的位置信號觸發(fā)采集照度數據和圖像數據，并在前面板上顯示回放。

2.2? ? 硬件設計

硬件采用PXI平臺，主要硬件包括車內接線箱、高性能控制器、混合機箱顯示器、同步采樣數據采集卡、交換機/路由器、高清攝像機、照度傳感器、速度傳感器及車載發(fā)電機等。其中，車內接線箱要能安裝供電電源，并為每個傳感器設置供電開關，滿足前后面板接插件出線的要求，具有由9個混合插槽、7個混合外設插槽、1個系統(tǒng)插槽和系統(tǒng)定時插槽組成的PXI機箱;高性能控制器采用2.8 GHz雙核處理器，250 GB SSD存儲，具有USB2.0、100/1 000 Mbps以太網接口、RS-232串口、VGA視頻接口、8個工業(yè)DIO、4個源/漏輸入DI、4個漏極輸出DO等接口;同步數據采集卡的采集率需達到250 kS/s，具備16通道差分模擬輸入和16位分辨率AD;照度傳感器具備10～2 000 lx、10～4 000 lx、10～10 000 lx 3檔可調，60°視野;車載發(fā)電機采用單缸、四沖程79 CC、1.6 kW變頻發(fā)電機。硬件設計示意圖如圖2所示。

2.3? ? 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化、多線程結構，以提高代碼執(zhí)行效率。整個架構分為多個引擎：照度采集引擎、圖像采集引擎、脈沖計數引擎、觸發(fā)控制引擎和狀態(tài)引擎。

軟件以LabVIEW作為開發(fā)平臺，將采集器采集的數據實時顯示到上位監(jiān)控主機，進行環(huán)境照度數據的實時分析和顯示，繪制記錄波形，記錄相應的圖片數據;觸發(fā)信號采集和回放坐標信號;自動導出檢測報告和進行數據庫管理[1]。

3 隧道照明智能檢測系統(tǒng)關鍵技術

3.1? ? 可靠的軟硬件平臺

基于PXI總線技術，結合LabVIEW圖形化編程語言，可以快速創(chuàng)建靈活且可擴展的測試，測量和控制應用程序，通過與硬件集成并使用代碼生成工具，可快速獲取、分析和顯示重要數據。

3.2? ? 軟件模塊化多線程結構

軟件編制采用模塊化、多線程結構，以提高代碼執(zhí)行效率，使得軟件調試和修改過程簡便快捷。

3.3? ? 精確隧道內的定位

隧道內由于沒有GPS信號，結合速度儀，可精確確定當前隧道內測量的位置，使照度數據與位置信息匹配，繪制各監(jiān)測點位的照度值[2]。

4 隧道照明智能檢測系統(tǒng)研究成果及應用

4.1? ? 研究成果

4.1.1? ? 完成了隧道照度快速檢測系統(tǒng)的搭建和測試

通過研究完成了隧道快速檢測系統(tǒng)的硬件和設備布局，完成了隧道快速檢測系統(tǒng)的軟件研發(fā)，通過對各個關鍵設備的技術指標進行分析，以及對檢測標準要求進行相關研究，完成了隧道照明智能檢測系統(tǒng)的搭建和測試。

4.1.2? ? 照度傳感器的優(yōu)化選擇及其支架的機械設計

通過對隧道照度的現場檢測調查，對照度傳感器的技術參數進行了試驗研究，發(fā)現隧道內照度在入口段和出口段的照度值可達到基本段的150余倍，段落間的照度值相差巨大，故在照度傳感器和機械支架設計中有針對性地進行設計，加大了傳感器量程，并提高了精度。

4.1.3? ? 數據采集卡和圖像采集的優(yōu)化選擇及匹配

在系統(tǒng)架構設計中，采用網絡高清攝像機替代圖像采集卡和標清攝像機采集圖像，并結合同步采集卡采集照度數據（照度計輸出的電壓值），大大減少了占用的系統(tǒng)資源。

4.2? ? 工程應用

高速公路隧道照明智能檢測系統(tǒng)研制完成后，在多個隧道工程中進行了應用，采用7斷面×6測點的方式進行自動采集，系統(tǒng)根據采集數據自動計算平均照度、換算亮度、總均勻度和縱向均勻度，并導出檢測記錄和結果。

通過對比研究，采用隧道照明智能檢測系統(tǒng)測試的平均照度值重復偏差低于5%，檢測時間縮短為15 min以內，極大地提高了檢測精確度，降低了隧道照明檢測對民眾出行的影響，這是隧道照明智能控制技術的顯著特點。

5 結語

隧道照明智能檢測系統(tǒng)的研制在很大程度上減少了封閉隧道的時間，提高了檢測工作和出具報告的效率，填補了國內無隧道照度智能檢測系統(tǒng)的空白，提升了我國公路養(yǎng)護能力，具有良好的經濟及社會效益。隨著國內高速公路的不斷增多，公路管理單位對隧道機電設備養(yǎng)護檢測、管理裝備及技術的需求不斷增多，有必要繼續(xù)研發(fā)用于快速檢測的相關裝備和技術，不斷提高高速公路隧道管養(yǎng)的智能化水平。

[參考文獻]

[1] 曹佳寶.高速公路隧道照明智能節(jié)電技術研究[J].公路與汽運，2019（6）：39-41.

[2] 柴國彥.高速公路隧道照明智能節(jié)電技術應用探析[J].工程技術研究，2019，4（2）：30-31.

收稿日期：2020-05-27

作者簡介：程智清（1982—），男，陜西人，碩士研究生，在讀博士，高級工程師，主要從事工程材料、交通工程、智能交通檢測及造價等方面的研究工作。