高速公路隧道智能照明控制系統(tǒng)研究

潘 冬，郭 林，李玉善

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

引言

在進(jìn)入高速公路隧道時，視野內(nèi)光線的明暗會發(fā)生較大變化，不利于行車安全。因此，在照明滿足安全行車的基礎(chǔ)上，減小電力消耗，對公路隧道照明控制提出了很高的要求[1]。孫巧燕等[2]通過對LED 燈和高壓鈉燈全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益比較得出前者具有巨大優(yōu)勢的結(jié)論。劉軍[3]提出了一種基于模糊控制方法的隧道照明控制系統(tǒng)，但未考慮車速對照明控制的要求；秦慧芳等[4]運用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法搭建了一種三輸入-單輸出的控制模型，但未監(jiān)測實際的照明控制情況；沙欣[5]提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制模型，但未考慮速度的影響；秦莉[6]提出了一種能夠根據(jù)車輛有無、車輛行為信息和環(huán)境信息實時調(diào)整照明狀態(tài)以實現(xiàn)按需照明的方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)應(yīng)能實時采集隧道內(nèi)外的光亮度，駛經(jīng)車輛的流量及車速，對隧道內(nèi)的燈具進(jìn)行合理控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，首先利用車輛檢測器、亮度檢測器以及照度檢測器分別檢測車速、交通量、隧道洞外亮度以及隧道洞內(nèi)亮度等信息，然后通過智能照明系統(tǒng)控制器實現(xiàn)對LED 燈的智能控制。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 車輛檢測器

車輛檢測方法有無線地磁檢測、環(huán)形線圈檢測、視頻檢測、紅外線檢測、雷達(dá)檢測、超聲波檢測和激光檢測等[7]。其中地磁檢測技術(shù)檢測精度高，安裝維護(hù)方便、價格便宜、使用壽命長、易更換。

為了保證行車安全，確定隧道內(nèi)照明燈具的工作狀態(tài)，需在隧道的駛?cè)攵卧O(shè)置兩組車輛檢測器，分別作為預(yù)檢檢測器和入口檢測器。預(yù)檢檢測器對車輛的預(yù)檢，既能避免車輛到達(dá)隧道時臨時開燈帶來的不適感，也能防止隧道內(nèi)照明頻繁的開閉。入口檢測器得到的數(shù)據(jù)作為控制算法的輸入數(shù)據(jù)，出口檢測器用來確認(rèn)車輛是否駛出隧道。

1.3 隧道照明亮度、照度儀

隧道洞外亮度是入口段亮度控制的重要參數(shù)，入口段亮度決定了隧道其他分段的照明[8]。亮度檢測器檢測洞外亮度，照度檢測儀用于檢測隧道內(nèi)燈光的照度，反饋照明情況。系統(tǒng)的洞外亮度檢測器將檢測到的隧道洞內(nèi)外光照通過RS485 總線采用MODBUS 協(xié)議上傳至本地控制器。檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 洞外亮度、照度檢測工作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 LED 調(diào)光

LED 光源的調(diào)光模式主要有燈管陣列控制、燈群組控制和無極調(diào)光三種方式。三種調(diào)光方式的照明需求曲線[9]差別很大。傳統(tǒng)照明方式保持亮度不變，燈陣列或燈群組控制的亮度調(diào)節(jié)呈階梯狀，只有無級調(diào)光能近似實現(xiàn)線性調(diào)節(jié)，符合各種情景下的亮度需求。目前市場上使用較多的LED 無級調(diào)光模式主要有模擬調(diào)光、可控硅調(diào)光和PWM 調(diào)光等。模擬調(diào)光的調(diào)節(jié)范圍具有局限性，可控硅調(diào)光對工作環(huán)境要求比較高，故本系統(tǒng)方案采用PWM 調(diào)光方式。

PWM 通過對驅(qū)動器施加數(shù)字脈沖信號，反復(fù)開關(guān)驅(qū)動器以控制燈源實際功率，從而達(dá)到調(diào)光目的。通過改變數(shù)字脈沖信號的占空比就可以等效的改變控制電流，從而平滑的實現(xiàn)256 級甚至更大范圍的調(diào)光需求。

2 系統(tǒng)控制策略

由于隧道最主要的調(diào)光部分是在入口段，并且過渡段亮度是依據(jù)入口段亮度得來，所以本系統(tǒng)把入口段亮度作為控制的輸出。影響入口段亮度的因素有洞外亮度、車速、交通量等，故將其作為模糊系統(tǒng)輸入變量，其對應(yīng)的模糊語言集分別是L20（洞外亮度）、V（車速）及N（交通量）。模糊PID 控制方法可以自動調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

2.1 模糊化

依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014），洞外亮度L20的真實論域為[0 6000]，離散論域取[-6 6]，隸屬度函數(shù)圖像選擇三角形；車速的真實論域為[0 120]，取離散論域為[-4 4]，隸屬度函數(shù)圖像選擇梯形；交通量的幾個分界值為 2 400 veh/h、1 300 veh/h、700 veh/h、360 veh/h[10]，其實際論域為[0 2400]，取離散論域為[-4 4]。本系統(tǒng)選擇入口段亮度M 作為模糊控制的輸出，入口段調(diào)光的最大亮度為Lth=k×L20（S）=0.070× 6 500=455，其真實論域為[0 455]，取離散論域為 [-6 6]，隸屬度函數(shù)圖像選擇梯形。

2.2 模糊規(guī)則的確定

參照專家經(jīng)驗及實際的控制經(jīng)驗，制定模糊規(guī)則見表1。

表1 模糊規(guī)則

在進(jìn)行模糊控制時，L20、V、N，并不能直接作為模糊運算的輸入變量，還需要通過量化因子進(jìn)行量化，每一個輸入變量都有其對應(yīng)的量化因子：

式中：ke—量化因子；m—輸入變量離散論域范圍；eh—輸入變量真實論域的最大值；el—輸入變量真實論域的最小值。

對于模糊控制輸出的M，同樣需要比例因子的換算才能得到實際的輸出結(jié)果：

式中：ku—比例因子；uh—輸出變量真實論域的最大值；ul—輸出變量真實論域的最小值；l—輸出變量離散論域范圍。

依據(jù)公式（1）和（2），可以得出輸入的量化因子和輸出的比例因子。在確定了量化因子和比例因子后，輸入變量L20、V、N 可通過公式（3）～（5）轉(zhuǎn)換為模糊控制的輸入l、v、n：

模糊控制器的輸出M 可以由公式（6）轉(zhuǎn)化成實際輸出m：

2.3 模糊推理

對于if L and v and n and p then M 的模糊規(guī)則，依據(jù)Mamdani 推理可得輸入與輸出關(guān)系：

式中：Ri—輸入與輸出對應(yīng)的第i 條規(guī)則，i=1，2……63；T—矩陣轉(zhuǎn)置。

模糊關(guān)系矩陣：

則可以依據(jù)模糊關(guān)系矩陣求出對應(yīng)的調(diào)光亮度：

2.4 解模糊

常用的解模糊法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法和重心法。最大隸屬度法未考慮輸出隸屬度函數(shù)的形狀，只考慮了最大隸屬度處的輸出值，容易丟失許多有用信息，所以不宜選用；與最大隸屬度法相比，重心法有著更加平滑的輸出，當(dāng)輸入信號發(fā)生微小變化時，輸出也會發(fā)生變化。

重心法是取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值，重心法：

入口段亮度Lth由模糊控制法確定以后，過渡段、基本段和出口段按照如下方法來確定。

根據(jù)規(guī)范要求，過渡段亮度由TR1、TR2、TR3三個照明段組成，與之對應(yīng)的亮度可按表2 取值。

表2 過渡段亮度

基本段照明亮度僅與交通量和車速有關(guān)，亮度值可按表3 取值。

表3 基本段亮度

出口段亮度宜取基本段亮度的5 倍：

3 控制系統(tǒng)仿真實驗

3.1 實驗系統(tǒng)搭建

實驗系統(tǒng)硬件由控制器模塊、亮度檢測模塊、PWM 調(diào)節(jié)電子開關(guān)控制板、隧道模型等構(gòu)成[11]?？刂破髂K采用的是工業(yè)級51 芯片STC89C52RC 單片機(jī)，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送命令；亮度檢測模塊采用的是GY-30 數(shù)字光強傳感器；PWM 調(diào)節(jié)電子開關(guān)控制板采用Risym 公司生產(chǎn)的部件，實現(xiàn)LED 燈亮度的終端控制；兩節(jié)5 號電池提供LED 照明所需的電量，工程應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)實際燈具功率及工作電壓的要求選擇合適的電源電壓供電；搭建了簡易的隧道模型框架，隧道長60 cm，隧道口寬度為 20 cm，高30 cm；內(nèi)設(shè)30 顆LED 燈珠，采用透明塑料板罩以便于觀察調(diào)光效果。

電腦端通過數(shù)據(jù)線把程序下載到單片機(jī)控制器，GY-30 模塊采用IIC 通信，通過SDA、SCL 引腳分別接STC89C52RC 單片機(jī)的P2.0、P2.1 引腳，將采集光強數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)部存儲器，并把采集到的外界亮度信息通過單片機(jī)相應(yīng)引腳顯示到LCD 屏上，信息經(jīng)單片機(jī)調(diào)用處理后產(chǎn)生PWM 調(diào)光信號，利用PWM 電子開關(guān)控制板模塊通信傳來的調(diào)光信息調(diào)節(jié)LED 燈亮度。

3.2 結(jié)果分析

當(dāng)外界環(huán)境（亮度）變化時，隧道模型內(nèi)LED燈的亮度能夠根據(jù)預(yù)先調(diào)試好的程序?qū)崿F(xiàn)智能照明。隨著外界亮度的增加，LED 亮度也隨之增加；外界亮度減小，LED 亮度也隨之減小。

通過對試驗系統(tǒng)的搭建和測試，驗證了方案中對LED 驅(qū)動模塊設(shè)計的可行性，能夠根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的調(diào)光數(shù)據(jù)實現(xiàn)LED 終端的智能調(diào)光控制。由現(xiàn)場情況可以看出系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能夠根據(jù)外界環(huán)境因素的變化，平穩(wěn)快速的實現(xiàn)LED 的平滑調(diào)光，有利于交通安全、節(jié)約能源，適用于高速公路隧道照明。

4 結(jié)語

設(shè)計了高速公路隧道智能照明控制系統(tǒng)，得出隧道內(nèi)部照明亮度可根據(jù)洞外環(huán)境亮度、交通量、車速等實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)方案可以根據(jù)實際要求、隧道具體自然地理條件和隧道設(shè)計規(guī)格修改，具有更大的靈活性，節(jié)能的潛力更大。