王志伟

（扬州市职业大学 机械工程学院，江苏 扬州225009）

隧道是公路交通的重要组成部分，伴随建设规模不断扩大，其营运成本也不断攀升，如何降低运营成本，并提高隧道安全性能，已是交通部门关注的重点问题。隧道照明是隧道内不可或缺的设施，同时也是隧道内能耗最大的系统。因此，隧道照明质量的好坏不仅直接影响到驾驶者本身的行车安全性，同时也是降低隧道能耗，节约营运成本重要手段。尤其是在我国的多山地区，由于受到地理位置和经济条件的限制，很多隧道照明长期处于低水平、高能耗的阶段，在国家大力提倡建设节约性社会的今天，提高隧道照明的设计质量势在必行。鉴于此，本文基于模糊控制理论设计一种隧道照明控制方法，以满足隧道照明的需求，不仅保障了隧道内行车的安全性，而且大大降低了隧道的能源消耗，实现了隧道照明的节能控制。

1 公路隧道照明技术

公路隧道照明主要目的是为防止司机因光线不足而出现交通事故，从而提高驾驶上的安全性，同时增加舒适感。隧道照明与一般道路照明有很大的不同点，主要反映在隧道不仅晚上需要照明，白天也需要照明，而且控制更加复杂。隧道照明设计同道路照明一样，都需要考虑隧道洞外亮度，交通流量、设计车速等相关影响因素。尤其是在隧道入口和出口段需要考虑人眼的适应过程。在白天，当司机从明亮的环境接近、进入、然后通过隧道整个过程之中，将会产生各种视觉问题，主要包括:黑洞（长隧道）及黑框（短隧道）现象、适应滞后现象、白天出口眩光现象等。

正是存在以上的特殊问题，隧道内必须要安装照明设施来保证行车安全。但是，隧道照明不仅仅是安全的问题，一条长100m的隧道，按相关理论的设计，能耗非常高，其照明能耗更是占了隧道总能耗的绝大部分，这就要求我们在隧道照明设计时采用各种即节能又能保证安全的方法。

尽管在目前的技术条件下，隧道照明有了不少的节能效果，但很大一部分隧道还是采用的逻辑开关形式，通过灯具的不同组合排列形式，产生相对应的光强级别。虽然这种控制方法的程序设计和线路布置非常简单，灯具选择的灵活性大，维修和保养也很容易，但最大的缺点就是亮度不能任意调节，连续性和均匀性都不是很好，而且通常都是以最大亮度来进行设计，因此大量的电能被白白浪费掉。

无级调控方法实现了隧道的连续调光，同时也是一种最理想的节能控制方式。该控制方法把被控灯的位置信息、洞外亮度值、车流量值和车速值作为系统给定量，把隧道内的光强作为调控对象，通过运算控制整个隧道照明系统的亮度处在动态平衡状态当中，从而实现最大程度上的节能。

隧道照明亮度无级控制的实现，是以建立相关调控数学模型为基础，由于环境自身参数的随机性，加上不同灯具其光效衰减程度也不同，建立一个很精确的数学模型是非常困难，也是不现实的。模糊控制是一个很有效的解决方法，尤其适用于不能获得精确数学模型或者有复杂非线性系统。通过编写合理的照明控制程序，结合相应的硬件设备，就可以实现隧道照明的无级调控。

隧道照明整体控制结构图如图1所示，该系统组成主要包括隧道亮度控制计算机、亮度采集器、车辆采集器、DALL本地控制器、数据转换器、电子镇流器和隧道无极灯。亮度采集器布置于隧道内各个区段，用于采集各段亮度值。首先，由隧道入口外置的车辆采集器和亮度采集器，收集洞外亮度、车流量以及车速信息。随后将数据传给隧道亮度控制计算机，经建立的模糊控制模型运算后，由DALL本地控制器发送控制指令给电子镇流器，一般需要将调光控制DALI分控制器和无极灯的电子镇流器制造为一体，利用DALI主控制器对每个分控制器的寻址，来实现隧道内亮度跟随洞外亮度、车流量和车速信息进行无级控制。

图1 隧道照明整体控制结构

2 隧道照明模糊控制模型

隧道照明模糊控制系统模型共分为四阶段，如图2所示:第一阶段为模糊控制系统输入阶段，接收语言变量的输入，相关输入量包括车流量N、车速V和洞外亮度L值；第二阶段为隶属度函数生成阶段，实现语言量模糊化操作，定义车流量值N的模糊语言为｛小NNB，较小NNS，中等NZR，较大NPS，大NPB｝，定义车速值V模糊语言为｛慢VNB，中等VZR，快VPB｝，定义洞外亮度值L的模糊语言为｛暗LNB，较暗LNS，中等LZR，较亮LPS，亮LPB｝；第三阶段为模糊系统推理阶段，建立模糊控制规则表如表1所示，计算每条规则的适应度；第四阶段为输出阶段，实现输出值的反模糊操作，输出量为洞内亮度¯L。照明控制计算机将洞内所需亮度与洞内实际亮度比较计算出亮度偏差ΔL（定义洞内所需亮度值ΔL模糊语言为｛暗ΔLNB，较暗ΔLNS，中等ΔLZR，较亮ΔLPS，亮ΔLPB｝，最后通过DALL主控制器对电子镇流器进行调节控制无极灯，使隧道洞内亮度与所需亮度接近一致。

图2 隧道照明模糊控制模型

表1 模糊控制规则表

3 仿真实验研究

利用本文建立的模糊控制模型来检验隧道照明控制系统的节能效果如何。下面是通过MATLAB软件实现仿真实验研究。隧道照明模糊控制系统的节能效果可以通过下面的方法进行简单的评价:现只考虑洞外亮度变化因素，暂不考虑车速和车流量对隧道洞内亮度的影响，设计车速为80km／h，车流量为1 000辆／h，设定24个亮度值构造白天晴天时，一天内（6点—18点）的隧道洞外亮度变化模型如图3所示，经模糊控制计算后，得到隧道洞内所需的亮度变化模型如图4所示，同时在图4中得到采用4级分级控制的亮度模型。从中可以看出模糊控制系统节能效果显著，相比于只按洞内能够调节的最大亮度考虑，节能在50%以上，与4级分级控制相比节能也在20%以上，因此，如果再考虑车流量和车速对洞内亮度的影响，其节能程度将相当可观。

图3 洞外亮度变化模型

图4 洞内亮度变化模型

4 结束语

交通管理部门不仅要保证隧道的安全畅通，随着我国建设节约型社会的提出，节能已成为一个不容忽视的问题。本文从节能角度出发，对隧道照明采用了模糊控制的方法，其控制系统能够根据洞外亮度、交通流、车速的变化实时跟踪调整，在满足《隧道通风照明设计规范》的亮度、安全性要求之外，相比于传统的照明控制方法，具有很大的节能效果，能够符合实际工程的需要。

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