李嘉麟， 李嘉麒

（1. 中交第一公路勘察設計研究院有限公司；2. 中國葛洲壩集團第三工程有限公司）

1 引言

隧道照明對隧道內(nèi)行車安全以及綠色交通建設具有重大影響，在隧道內(nèi)外環(huán)境變化過程中，人眼視覺需要一定的適應時間，這個過程也是交通事故發(fā)生的高發(fā)期，而傳統(tǒng)的照明控制方式對人工操作過于依賴，自動化控制水平不高。因此，加強隧道照明智能控制技術(shù)應用，對于提高經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)保效益都具有積極的現(xiàn)實意義。

2 隧道照明智能控制相關問題分析

2.1 影響因素

研究隧道照明工程首先要分析隧道照明光環(huán)境特性，明確主要影響因素，然后才能采用相關控制理論和控制方法進行針對性設計。隧道是一個特殊的流動空間，內(nèi)部光環(huán)境主要通過人工照明創(chuàng)建，解決隧道光線昏暗的缺陷，由于隧道內(nèi)外部存在亮度差異，當人們進入隧道時，會形成視覺延遲，產(chǎn)生黑洞效應，在靠近隧道出口時，同樣會因視覺延遲，無法看清路面，這時會產(chǎn)生炫光效應，因光環(huán)境變化產(chǎn)生的視覺效應是隧道照明控制設計的理論基礎。除此之外，隧道照明光環(huán)境還受天氣變化、墻體光反射、車流狀況等方面的影響，車流速度、車流量、車流密度、尾氣濃度都具有不確定性，對光線的影響是隨機的，隧道工程中的照明環(huán)境是隧道環(huán)境與照明控制相互作用的結(jié)果，影響因素信息的特點是多樣性、時效性、離散性、大量性、相關性和特異性。滿足行車需要應要求照明控制系統(tǒng)能夠及時檢測隧道照明環(huán)境的變化，采取相應的控制措施，調(diào)節(jié)照明亮度。

2.2 控制理論

隧道照明控制系統(tǒng)設計需要在信息采集分析的基礎上，自動控制照明燈具亮度調(diào)整，以提供實時狀況下的最優(yōu)隧道光環(huán)境，如何判斷光環(huán)境的優(yōu)劣，需要遵循一定的理論規(guī)范準則，以此作為控制系統(tǒng)智能調(diào)整的依據(jù)。在入口段亮度控制上，需要遵循隧道照明規(guī)范，將入口段劃分為兩個照明段，根據(jù)洞外亮度、折減系數(shù)計算對應照明段亮度，至于入口段的長度，要綜合考慮隧道坡度、凈空高度、行車速度等綜合因素，運用入口段長度公式計算獲得。在過渡段照明控制上，過渡段設計的主要目的是為人們提供過渡緩沖區(qū)域，能夠適應從強亮度到暗亮度的基本變化，根據(jù)標準規(guī)定的適應曲線，將過渡段分為三個照明段，根據(jù)公式計算不同過渡段的亮度值，從標準規(guī)范中得到過渡段的長度。在基本斷面照明控制中，保證停車視野距離是基本要求，照明水平與交通量、駕駛速度等因素密切相關。根據(jù)基本段照明亮度表取值，隧道總長度之和減去其他路段長度就是基本段的長度，在出口段的照明控制中，如果是雙向交通隧道，出口段也是入口段，照明控制設計的基本策略是相同的，在單向隧道的情況下，出口段按照相關規(guī)范分為兩個30米長的照明段，各段亮度根據(jù)基本段照明亮度計算獲得[1]。

2.3 控制方式

每個路段的照明控制都對隧道光環(huán)境起著重要作用，直接影響到行車安全和駕駛舒適度，良好的照明控制模式可以創(chuàng)造更好的照明環(huán)境，消除隧道駕駛的負面影響。傳統(tǒng)的照明控制方式以手動控制為主，過分依賴人工操作，而且控制相對分散，無法實現(xiàn)集約化、自動化、實時性管理。分時段照明控制方式解決了照明控制分散管理的問題，可以根據(jù)不同時段和車流量需求，調(diào)整照明設備開啟數(shù)量，從而達到隧道光環(huán)境控制的目的，雖然具有一定程度的自動化，但是無法根據(jù)隧道環(huán)境變化調(diào)節(jié)照明亮度，可能會因突發(fā)天氣情況和尾氣污染問題導致照明控制效果較差。因此，十分必要發(fā)展智能照明控制方式，集合信息采集、現(xiàn)代化數(shù)字、網(wǎng)絡通訊、多種照明控制等技術(shù)，可以有效減少對人工操作的依賴，運用各種傳感器，遵循多樣性、可靠性、直觀性、實時性的基本原則，充分考慮了突發(fā)動態(tài)因素的影響，采集隧道光環(huán)境影響數(shù)據(jù)，根據(jù)相關控制理論和標準規(guī)范，自動調(diào)整燈具開啟和光源亮度，實現(xiàn)了照明控制系統(tǒng)的獨立運行。

3 隧道照明智能控制技術(shù)應用研究

3.1 車輛行為感知技術(shù)

3.1.1 基于圖像的車輛檢測

隧道內(nèi)車輛行為的準確檢測是照明智能控制的關鍵所在，基于圖像的車輛檢測技術(shù)能夠發(fā)揮重要作用，車輛屬于視頻圖像序列的運動目標，車輛檢測的目的是從序列圖像中提取變化區(qū)域。常用的方法包括背景差分法、幀間差分法、光流法，其中，背景差分法非常有效，能夠保證移動目標提取的準確性和完整性，能夠檢測靜止和低速車輛，更適合安裝在監(jiān)控攝像頭中。用于固定場景檢測，但對外界光照變化相對敏感，隧道內(nèi)部環(huán)境基本不會受到外界光照的影響，所以采用背景差分法比較合理。在此基礎上，結(jié)合車載檢測、圖像分割、閾值識別、感興趣區(qū)域提取等技術(shù)，可以提高車輛檢測的精度和穩(wěn)定性。工作過程中，隧道內(nèi)燈具的照明亮度發(fā)生變化時，監(jiān)視攝像機會連續(xù)拍攝多幀的圖像，并保存獲取到的背景圖像。當車輛經(jīng)過時，監(jiān)控攝像頭獲取實時圖像，利用差分圖像的二值化和分塊處理以及閾值判斷，做出有車或無車的判別，如果判斷為無車，那么就會將實時采集圖像替換為背景圖像，作為下一幀圖像檢測的依據(jù)。背景圖像的準確提取和實時更新是基于圖像車輛檢測技術(shù)應用的核心，必須有效規(guī)避不利因素的影響，降低誤檢率和漏檢率，然后才能根據(jù)隧道內(nèi)車輛運行情況調(diào)整照明系統(tǒng)。

3.1.2 基于傳感器的車輛感知

基于視頻圖像的車輛檢測主要是針對隧道內(nèi)部情況，而利用傳感器進行車輛感知主要是對隧道入口段和出口段的車輛行為檢測，實時獲取信息，并通過光纖傳輸?shù)秸彰鞅O(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)計算亮度，從而智能控制隧道部分的照明，如果沒有車輛進入隧道，照明控制系統(tǒng)會將燈具亮度降低，如果檢測到車輛信息，會通過傳感器技術(shù)統(tǒng)計判斷車流數(shù)據(jù)，結(jié)合隧道內(nèi)監(jiān)控攝像頭的圖像信息，給出進一步的提示和報警。傳感器的選擇至關重要，主要包括紅外探測器和線圈車檢器，紅外探測器的主要作用是采集車輛有無信息，由于紅外探測器安裝在隧道入口處，可能會受到護欄的影響，因此對射光束必須根據(jù)實際情況進行屏蔽，紅外探測器的光束響應時間必須要低于車輛遮擋光速時間，以免出現(xiàn)漏檢情況，線圈車檢器的主要作用是檢測車速，同樣要保證檢測的準確率?；趥鞲衅鞯能囕v感知技術(shù)應用一般要設置三組傳感器設備，一組包括紅外探測器和線圈車檢器，安裝在隧道入口處，根據(jù)車速和照明系統(tǒng)的調(diào)光時間決定距離，使調(diào)光控制系統(tǒng)有充分的工作時間，另外兩組只需要紅外線探測儀，其中一組安裝在隧道中間位置，用來判斷車輛是否駛過前半程，如果已經(jīng)駛離前半程，而且沒有新車輛進入，那么前半程的照明可以調(diào)整到低能耗狀態(tài)，另一組設置在隧道出口，以判斷所有車輛是否離開。安裝位置應該根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境確定[2]。

3.2 環(huán)境信息感知技術(shù)

除了車輛信息，隧道環(huán)境信息監(jiān)測對于光環(huán)境控制也十分重要，環(huán)境信息感知技術(shù)的應用也主要依賴于各種傳感器。光強度傳感器可用于檢測隧道入口內(nèi)外的亮度，而收集的數(shù)據(jù)是控制算法的重要輸入?yún)?shù)。為洞口調(diào)光提供主要依據(jù)，計算隧道洞口內(nèi)外光強差值，結(jié)合車流量等相關參數(shù)，確定入口部分的照明亮度調(diào)整值，然后確定其他部分的照明強度。隧道外的能見度儀可用于監(jiān)測隧道入口處的大氣能見度并根據(jù)氣象條件不同獲得能見度，隧道內(nèi)的CO/Ⅵ探測器可用于監(jiān)測隧道內(nèi)的能見度。相同的亮度和照明對比度在不同的能見度條件下也會產(chǎn)生不同的視覺識別效果。通過采集能見度數(shù)據(jù)，能夠?qū)ΤＲ?guī)狀態(tài)下計算的照度設定值進行校正。氣體濃度傳感器可以有效監(jiān)測汽車在隧道中的尾氣排放，包括煙塵濃度、尾氣濃度等相關數(shù)據(jù)，為照明控制提供更全面的參考信息。嚴格控制傳感器的選擇，不但要滿足功能性需求，保證使用壽命和工作穩(wěn)定性，而且要重視產(chǎn)品的經(jīng)濟性和售后服務。合理調(diào)整各種傳感器的安裝位置，設備安裝在隧道入口應避免隧道外光線的干擾，能夠準確監(jiān)測入口段照明參數(shù)，隧道洞口外設備應該根據(jù)標準規(guī)范，結(jié)合隧道坡度、設計速度等相關參數(shù)，計算距離洞口的長度，能夠充分發(fā)揮相應檢測功能[3]。

3.3 照度實時監(jiān)測技術(shù)

照度實時監(jiān)測技術(shù)的應用有利于實時掌握隧道內(nèi)照明情況，提高隧道照明控制的精確度。照度實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由工控機、光強檢測器、網(wǎng)絡攝像機等部分組成，其中，光強檢測器用來檢測隧道內(nèi)路面照度，可以通過網(wǎng)絡攝像頭獲取隧道內(nèi)的圖像，工控機上的實時監(jiān)控軟件可以提取和分析的圖像，根據(jù)數(shù)據(jù)的照度傳感器檢測到的數(shù)值，將隧道里路面圖像的灰色值轉(zhuǎn)換成光照度，得到光照度均勻度值。將這兩個數(shù)據(jù)傳遞給中心服務器，從而實現(xiàn)照明控制的閉環(huán)管理。為了保證圖像獲取質(zhì)量，網(wǎng)絡攝像機的選取要滿足鏡頭、最低照度、快門、圖像設置、通訊接口、支持協(xié)議等相關參數(shù)要求，同時，保證了工控機的處理速度，存儲圖像的容量較大。隧道里多個位置安裝網(wǎng)絡攝像頭來監(jiān)測隧道內(nèi)狀況及道路照明、確保路面拍攝的連續(xù)性并根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理調(diào)整攝像頭的安裝角度，洞內(nèi)光強檢測器的安裝則要緊鄰網(wǎng)絡攝像機，工控機應該與局端光端機設置在一處，這樣有利于縮短傳輸距離，提高圖片傳輸?shù)姆€(wěn)定性，更好地進行圖片處理工作[4]。

3.4 實時自適應調(diào)光技術(shù)

實時自適應調(diào)光技術(shù)是實現(xiàn)隧道照明智能控制的核心，主要通過LED 隧道燈和調(diào)光控制器實現(xiàn)。采用LED節(jié)能燈具進行隧道照明，能夠?qū)崿F(xiàn)多級調(diào)光的目的，滿足不同亮度需求，提高照明控制的精確度和可靠性。局端調(diào)光控制器必須具有遠程交換功能，可以接收監(jiān)控中心的調(diào)光命令并將指定地址發(fā)送到遠程調(diào)光控制器。一般安裝在隧道變電所內(nèi)，方便與照明控制軟件進行通信，遠端調(diào)光控制器應該具備多個端口，能夠及時響應局端調(diào)光控制器信號指令，對單個燈具進行多級調(diào)光，一般安裝在LED隧道燈的附近，這樣能夠保證各分段燈具調(diào)光的及時響應，同時，結(jié)合布線要求、安裝難度、經(jīng)濟成本等綜合因素進行考慮，科學計算LED燈布設間距，各段燈具產(chǎn)生的亮度應該滿足照明標準和調(diào)光需求。

4 結(jié)語

綜上所述，基于隧道工程的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合人的視覺特性，在駕車穿越隧道過程中會產(chǎn)生諸多視覺問題，容易引發(fā)安全隱患，出于駕駛安全的考慮，傳統(tǒng)的隧道設計通常會優(yōu)先保證照明充足，這樣會產(chǎn)生能源浪費?；谥悄芸刂萍夹g(shù)的隧道照明系統(tǒng)應用能夠?qū)崟r采集環(huán)境變化信息，根據(jù)相關規(guī)范標準和理論研究，自動調(diào)整隧道內(nèi)光環(huán)境，滿足節(jié)能環(huán)保的要求，同時保證安全舒適地駕駛。