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公路隧道照明无级调光模糊控制方法

针对隧道照明存在大量电能浪费的现象,在分析现有隧道照明控制方式的基础上,提出基于模糊控制的隧道照明无级调光控制系统.阐述系统控制结构及樓糊控制器的设计。以洞外亮度和交通量作为系统的输入,采用白光LED作为光源,实现自适应控制.不仅可以实现连续调光,而且节约能源。通过仿真实验,分析比较在不同亮度和交通流II下洞内照明变化曲线,验证了该方法的有效性。


随着我国道路建设的迅速发展,公路的总里程不断增加,公路隧道的建设规模及数量也越来越大。照明系统是公路隧道机电系统中必不可少的部分,照明消耗电能也成为公路隧道运营管理中最主要的开支。根据研究资料和实际调査,我国大部分隧道在营运中存在过度照明、电能浪费现象。国内对公路隧道照明系统的设计主要参考《公路隧道通风照明设计规范KJTJ026.1—1999),并一直沿用至今没有修订。随着公路隧道规模和数量近10年的急剧增加,隧道照明呈现出较多的问题,对此国内外学者做了大量的研究,取得了一些科研成果。其主要成果表现在通过采用高效、节能的光源,或设计有效的照明系统控制方式降低能耗。但现有的控制方式虽然能够根据天气状况来控制隧道内照明灯组的开启和关闭,由于受灯源特性以及控制系统的局限,控制效果过于粗放,一方面存在亮度过低带来的安全隐患,另一方面仍然没有达到节能的效果。在安全行车的前提下,如何提高隧道的运营效率,降低能源消耗,仍然是隧道照明技术研究迫切需要解决的问题。
公路隧道照明无级调光模糊控制方法

图1 LED照明无级调光模期控制系统结构图
本文利用LED灯光源可以实现无级调光的特点,根据洞外的亮度和交通量,采用模糊控制的方法对隧道内LED灯组进行连续调光,实现自适应控制,既满足照明要求,又可以有效节约能源。

1、隧道照明控制方式

国内对隧道照明系统的控制方式主要有3种,即手动控制、分时段控制和自动控制。

①手动控制。

手动控制是最早采用的控制方式,主要是根据一天内隧道行车的特点,用人工拉闸控制隧道内灯具的开关和数量,自动化程度较低。目前手动控制主要用在特殊情况下(如隧道交通事故急需管制等)的辅助控制手段。

②分时段控制。

分时控制是根据天气状况和时间,将照明分为晴天、阴天、云天、晚上、深夜几个等级,采用不同的逻辑控制回路,自动启动或关闭不同的灯组。这种控制方式算法简单,易于实施,并且在实际应用中比较可靠,但是不能根据洞外的亮度进行洞内的亮度调节,仍然存在很大的电能浪费。

③自动控制。

自动控制方式是针对照明设计中确定的照明区段,根据洞外的实际亮度值自动控制各个照明回路开关,从而达到既满足隧道亮度的要求,又能节省能源的目的。目前隧道大部分采用的是高压钠灯,受灯源特

长,无法实现无级调光,而分级调光的级数也有限。

从以上的分析可知,自动控制方式虽然弥补了手动控制方式智能化程度低、分级控制粗放的不足,提高了系统的安全性,节约了大量的电能,但不能根据洞外亮度的变化进行连续调光,实现自适应控制。因此,研究能根据实际亮度对照明灯进行连续调光的照明系统非常必要。.

2、隧道照明灯具特性分析

目前应用于隧道照明的光源主要有高压钠灯、低压钠灯、金属卤化灯、电池感应灯和白光LED灯。高压钠灯发光效率高,寿命长(24000h),特性稳定,透雾性强,但启动延时,并且无法进行调光。荧光灯可实现连续调光,但其光效较低,调光时易产生高次谐波,对电网造成干扰。金属卤化灯调光的幅度很小,一般不在无级调光系统中应用M。随着科学技术的发展,白光LED灯开始进入公路隧道照明的领域。LED灯具有高光效、高显色性、高亮度、寿命长(大于50000h)、响应快速等特点,节能效果比较好LED灯的出现给隧道照明控制的无级调控系统带来了可能。目前LED灯的价格比传统照明灯具高,但随着光源制造技术的日渐成熟,其价格将会不断下降,白光LED将逐渐在城市及隧道照明中得到应用。

3、基于模糊控制的隧道照明系统结构

入口段的照明是整个照明系统中最关键的地方,在实际照明过程中通常按文献计算入口段亮度,,其中:为人口段亮度为人口段亮度折减系数量纲山幻为洞外亮度
这样计算存在2个问题:①为保证足够的照明亮度和行车安全,洞外亮度以全年中最大值计算,参数选择过高;②折减系数选择不够准确,以设计时的车速和交通量的最大值为准。这样计算出的入口亮度与实际运行时存在较大的误差,造成过度照明。

隧道照明系统是一个时变、非线性的复杂系统,影响隧道照明的主要因素有洞外亮度、车速、交通量,无法构造准确的数学模型进行精确地控制。模糊控制是一种利用经验知识,以人的思维模式为基础的控制方法,无需建立系统的模型,正是由于这一特性而在交通控制领域迅速得到广泛的应用。

本文设计的控制系统,将整个隧道照明系统分为3个控制回路,分别为:应急照明、基本照明和加强照明,其中基本照明和加强照明灯具实现无级连续调光,如图1所示。在隧道设计车速的参照下,以洞外亮度和交通流量为输入参数,实时测量洞外的亮度,根据实际测量的车流量,利用模糊控制的优势,通过专家经验和控制规则对隧道灯具调光。光强度传感器和流量检测器将实时监测的洞外亮度和车流量输入到模糊控制器,模糊控制器根据模糊控制规则输出各灯具组的电流调节值,对不同回路的LED灯具组进行亮度的调节。与分时段控制方式相比,减少了控制回路,而且隧道照明可连续调光,平滑过渡,而市场上应用于隧道照明的白光LED灯具的特点为无级调光提供了可能。
4、模糊控制器的设计
4.1输人输出及隶属函数

取洞外亮度和车流量为模糊控制器的输入,以LED灯亮度的电流调节量为控制器的输出,对应的模糊语言集分别为L、Q、/,输入输出的论域及模糊子集如表1。

隧道洞钋的亮度与隧道所在地区的日照强度、地理位置以及隧道洞口的朝向密切相关,在一般隧道照明设计取4000cd/m2,考虑到中午的亮度最大,取为6000cd/m2。为提高控制的效果和控制精度,其离散论域为{—5,一4,_3,一2,_1,0,1,2,3,4,5},共11个等级,对应的模糊变量语言值分别为VN(很弱)、N(弱)、PN(较弱)、Z(中)、PB(较强)、B(强)、VB(很强),其隶属函数关系如图2所示。
公路隧道照明无级调光模糊控制方法

图2输入变量L/输出变量隶属函数
对于车流量,为提高控制精度,同时避免分级太细使控制过于复杂,取离散论域为{_3,_2,一1,0,1,2,3}7个等级。车流量的模糊语言变量值取{少(NB),较少(NS),一般(Z),较大(PS),大(PB)},隶属度数如图3所示。
公路隧道照明无级调光模糊控制方法

图3 输入变量Q隶属函数
输出变量为LED灯的电流调节量,为提高调节的精度,输出论域分为11个等级,论域值及语言变量如图表1,其对应的隶属函数与输入变量的一样,均为三角函数。为保证LED灯照明的最低亮度对应的电流值,Lmax为LED灯在额定功率下的电流调节值,可通过实地测量获得。

图表1 输人输出的论域及模糊子集
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4.2模糊控制规则
根据经验数据以及通过试验测量的隧道照明亮度与输入输出变量之间的关系,可以得到模糊控制规则,如图表2所示。

图表2 模糊控制规则
公路隧道照明无级调光模糊控制方法
模糊控制器根据实时采集的数据进行论域数据的转换,按照一定的控制规则计算输出值,模糊决策采用Mamadami’s(min-max)法,并用重心法解模糊,得到LED电流的调节量。

4.3仿真实验

根据上面定义的输入、输出隶属度函数和控制规则,通过MATLAB进行仿真试验。设隧道为双洞双车道单向行驶,长为2.5km,设计车速为80km/h,单洞对应的车流量如图4所示,晴天与阴天下洞外的亮度变化曲线如图5所示。对洞外亮度不变的情况下,车流量大小对照明亮度的影响进行仿真,结果如图6所示。当车流量一定时,照明亮度随洞外亮度变化的仿真结果如图7所示。为检验该方法的控制效果,对实验室建立的隧道模型中的照明系统进行模拟控制。隧道模型长7.5m,双洞双车道,采用L-SL1200RGB-16的条形LED照明灯具,功率48W,每个照明灯具并排装有16个LED点光源,其亮度可通过电流进行调节,按前面的分析分为基本照明和加强照明2个控制回路,仿真运行时间60min,并用VisualC++编制的监控程序进行监控。

公路隧道照明无级调光模糊控制方法

图4 车流量变化曲线图

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图5  晴天、阴天洞外亮度变化曲线图

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图6 不同交通量情况下隧道照明亮度变化图

公路隧道照明无级调光模糊控制方法

图7洞外不同亮度下隧道照明亮度曲线图
图中,CM段为接近段,Afi段为入口段,5D段为过渡段,DF段为中间段。从图6可以看出,在洞外照明亮度相同的情况下,交通流量较小时(图6曲线1),在接近段亮度比交通量大(图6曲线2)偏小,但差别不是很大,主要是为满足安全运行的需要,克服“黑洞效应”的安全隐患。而在过渡段和中间段,曲线1的照明亮度明显低于曲线2,因为交通量小,汽车排放的烟雾较少,驾驶员前方的视线也较好,比较容易适应暗的环境。在隧道模型运行时,曲线1消耗的电能为3.7X10SJ,曲线2消耗的电能为4.14X10SJ。从图7可以看出,在洞外亮度差别较大时,洞内的照明强度差别也比较大。图7曲线1、曲线2分别为在2000cd/m2和4000cd/m2的光照条件下洞内各段的照明亮度曲线。在接近段和入口段,曲线2的亮度明显高于曲线1,而在过渡段和中间段照明差别不大,主要是因为在洞外亮度越大,在接近段洞内外亮度差别也较大,驾驶员难以适应,为缩小差距,若洞外亮度较大,则在接近段照明亮度应相应提高,而在过渡段和中间段,驾驶员已经适应洞外的暗环境,因此曲线1和曲线2的照明亮度基本相同。在满足安全行车的照度条件下,通过隧道模型模拟运行60min后,曲线1和曲线2对应的耗能分别为3.636X10s:[和3.852X106J。在不同交通量的情况下(图6)可节约电能10.4%,在洞外不同亮度的情况下(图7)可节约电能5.6%。虽然随道模型和洞内的反光持性与真实隧道的运行情况存在差别,仿真实验结果表明了基于模糊逻辑的方法对采用LED调光系统进行调控的可行性和有效性.
5、结语

将模糊控制引入照明系统,采用光效高的白光LED照明,根据洞外亮度和交通流量对LED光源进行连续调光,实现隧道内各区段照明的平滑过渡,不仅可以满足照明的要求,而且可以节约大量的能源。通过仿真实验,在外部照明条件和交通量不同的情况下,洞内照明曲线随之有明显的变化,验证了该方法的可行性。在交通运输行业节能的背景下,采用隧道照明无级调光系统将是一种需求的趋势。

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