李嘉麟， 李嘉麒

（1. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司；2. 中國葛洲壩集團(tuán)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(shè)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(yīng)時(shí)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(qiáng)隧道照明智能控制技術(shù)應(yīng)用，對于提高經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)保效益都具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

2 隧道照明智能控制相關(guān)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(guān)控制理論和控制方法進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。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(dāng)人們進(jìn)入隧道時(shí)，會形成視覺延遲，產(chǎn)生黑洞效應(yīng)，在靠近隧道出口時(shí)，同樣會因視覺延遲，無法看清路面，這時(shí)會產(chǎn)生炫光效應(yīng)，因光環(huán)境變化產(chǎn)生的視覺效應(yīng)是隧道照明控制設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。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(jī)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(diǎn)是多樣性、時(shí)效性、離散性、大量性、相關(guān)性和特異性。滿足行車需要應(yīng)要求照明控制系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測隧道照明環(huán)境的變化，采取相應(yīng)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(shè)計(jì)需要在信息采集分析的基礎(chǔ)上，自動控制照明燈具亮度調(diào)整，以提供實(shí)時(shí)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(zhǔn)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(jì)算對應(yīng)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(yùn)用入口段長度公式計(jì)算獲得。在過渡段照明控制上，過渡段設(shè)計(jì)的主要目的是為人們提供過渡緩沖區(qū)域，能夠適應(yīng)從強(qiáng)亮度到暗亮度的基本變化，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的適應(yīng)曲線，將過渡段分為三個照明段，根據(jù)公式計(jì)算不同過渡段的亮度值，從標(biāo)準(zhǔn)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(guān)。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(shè)計(jì)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(guān)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(jì)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(fù)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(shí)現(xiàn)集約化、自動化、實(shí)時(shí)性管理。分時(shí)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(shí)段和車流量需求，調(diào)整照明設(shè)備開啟數(shù)量，從而達(dá)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(dǎo)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(luò)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(yùn)用各種傳感器，遵循多樣性、可靠性、直觀性、實(shí)時(shí)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(guān)控制理論和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，自動調(diào)整燈具開啟和光源亮度，實(shí)現(xiàn)了照明控制系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。

3 隧道照明智能控制技術(shù)應(yīng)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(zhǔn)確檢測是照明智能控制的關(guān)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(yùn)動目標(biāo)，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(biāo)提取的準(zhǔn)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?cái)z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(chǔ)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(shí)，監(jiān)視攝像機(jī)會連續(xù)拍攝多幀的圖像，并保存獲取到的背景圖像。當(dāng)車輛經(jīng)過時(shí)，監(jiān)控?cái)z像頭獲取實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(zhǔn)確提取和實(shí)時(shí)更新是基于圖像車輛檢測技術(shù)應(yīng)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(yùn)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(jìn)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(shí)時(shí)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(jì)算亮度，從而智能控制隧道部分的照明，如果沒有車輛進(jìn)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(jì)判斷車流數(shù)據(jù)，結(jié)合隧道內(nèi)監(jiān)控?cái)z像頭的圖像信息，給出進(jìn)一步的提示和報(bào)警。傳感器的選擇至關(guān)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(hù)欄的影響，因此對射光束必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行屏蔽，紅外探測器的光束響應(yīng)時(shí)間必須要低于車輛遮擋光速時(shí)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(zhǔn)確率。基于傳感器的車輛感知技術(shù)應(yīng)用一般要設(shè)置三組傳感器設(shè)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(shí)間決定距離，使調(diào)光控制系統(tǒng)有充分的工作時(shí)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(jìn)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(shè)置在隧道出口，以判斷所有車輛是否離開。安裝位置應(yīng)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(yīng)用也主要依賴于各種傳感器。光強(qiáng)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(jì)算隧道洞口內(nèi)外光強(qiáng)差值，結(jié)合車流量等相關(guān)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(qiáng)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(jì)算的照度設(shè)定值進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)，為照明控制提供更全面的參考信息。嚴(yán)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(jì)性和售后服務(wù)。合理調(diào)整各種傳感器的安裝位置，設(shè)備安裝在隧道入口應(yīng)避免隧道外光線的干擾，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測入口段照明參數(shù)，隧道洞口外設(shè)備應(yīng)該根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合隧道坡度、設(shè)計(jì)速度等相關(guān)參數(shù)，計(jì)算距離洞口的長度，能夠充分發(fā)揮相應(yīng)檢測功能[3]。

3.3 照度實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

照度實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用有利于實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要由工控機(jī)、光強(qiáng)檢測器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等部分組成，其中，光強(qiáng)檢測器用來檢測隧道內(nèi)路面照度，可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭獲取隧道內(nèi)的圖像，工控機(jī)上的實(shí)時(shí)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(wù)器，從而實(shí)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(luò)攝像機(jī)的選取要滿足鏡頭、最低照度、快門、圖像設(shè)置、通訊接口、支持協(xié)議等相關(guān)參數(shù)要求，同時(shí)，保證了工控機(jī)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(luò)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(shí)際情況合理調(diào)整攝像頭的安裝角度，洞內(nèi)光強(qiáng)檢測器的安裝則要緊鄰網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，工控機(jī)應(yīng)該與局端光端機(jī)設(shè)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(jìn)行圖片處理工作[4]。

3.4 實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)

實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)是實(shí)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(shí)現(xiàn)。采用LED節(jié)能燈具進(jìn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)行通信，遠(yuǎn)端調(diào)光控制器應(yīng)該具備多個端口，能夠及時(shí)響應(yīng)局端調(diào)光控制器信號指令，對單個燈具進(jìn)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(shí)響應(yīng)，同時(shí)，結(jié)合布線要求、安裝難度、經(jīng)濟(jì)成本等綜合因素進(jìn)行考慮，科學(xué)計(jì)算LED燈布設(shè)間距，各段燈具產(chǎn)生的亮度應(yīng)該滿足照明標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，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(shè)計(jì)通常會優(yōu)先保證照明充足，這樣會產(chǎn)生能源浪費(fèi)。基于智能控制技術(shù)的隧道照明系統(tǒng)應(yīng)用能夠?qū)崟r(shí)采集環(huán)境變化信息，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)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(shí)保證安全舒適地駕駛。