公路隧道照明节能关键技术及装置研究

摘要：本项目结合隧道环境、局部车流量等时变参数进行精确自适应照明控制，针对现有节能系统存在的问题开展技术研究，取得三项创新成果：（1）发明了多信息协同的隧道照明智能控制方法及装备，解决了亮度智能精细调节、人眼舒适匹配度差的问题，并达到总体节能30%以上；（2）发明了基于智能听觉与视觉、光学技术的新型车辆检测技术及装置，解决了传统传感器成本高、抗干扰差等问题，实现隧道内外百米级的大规模、高空间分辨率的车检能力，检测精度达到95%以上；（3）发明了隧道内外环境亮度标定技术与装置，解决了安装困难、亮度反馈控制精度低的问题，亮度误差由传统技术的11%降至6%以下，实现了隧道内外亮度环境的精准感知。关键词：道路工程；隧道照明；智能控制；精细调节；节能环保1技术概况广西山区多、隧道密集、车流量低，隧道长时间高强度照明导致的持续浪费性电力支出成为公路隧道运营的沉重包袱。合理、安全并具有工程价值的照明节能措施，在公路隧道工程中具有极为重要的意义。传统照明节能技术节电效果有限，人眼适应度差，为公路特别是高速公路运行带来极大安全隐患。其根本原因是无法结合隧道环境、局部车流量等时变参数进行精确自适应照明控制，即存在控制模型、车辆检测、环境感知三方面的难题。（1）传统方法在隧道内灯组控制手段单一，照明亮度无法智能反馈、精细调节，造成出入口亮度过渡不合理，易导致安全隐患。（2）为实现高度节能，必须进行照明分组控制，需要大量部署车检器。传统技术如地感线圈、微波雷达等，成本高、可靠性低、抗干扰差，无法规模性部署。（3）为实现亮度精细调节需对环境精确感知，传统光学传感器需瞄点安装，价格高。光学模型至视觉舒适度模型转换困难，环境检测精度差。针对现有节能系统存在的上述关键问题，开展技术研究，形成公路隧道照明节能关键技术，较传统技术总体节能30%以上，并取得以下三项创新成果。（1）发明了多信息协同的隧道照明智能控制方法及装备，创新性提出根据隧道内车流量进行灯组控制以及符合人眼工程学的亮度动态调节模型。解决了亮度无法智能精细调节、人眼舒适匹配度差的问题，在保证隧道照明安全的情况下，使得总体节能30%以上，显著降低了隧道照明能耗。（2）发明了基于智能听觉与视觉、光学技术的新型车辆检测技术及装置，应用阵列信号处理、光学感知、人工智能等技术提高车辆识别率。解决了传统传感器成本高、抗干扰差等问题，实现隧道内外百米级的大规模、高空间分辨率的车检能力，检测精度达到95%以上。（3）发明了隧道内外环境亮度标定技术与装置，利用图像曝光值、灰度与环境亮度建立映射关系。解决了安装困难，亮度反馈控制精度低的问题，亮度误差由传统技术的11%降至6%以下，实现了隧道内外亮度环境的精准感知，为控制系统提供可靠调节依据。技术成果目前运用于广西、云南、贵州等地超过200条隧道，近三年销售收入超3000万元，为运营单位节支超1.1亿，大幅提高公路隧道节能减排水平，降低运营成本，取得较大经济社会效益。2技术原理实践证明，对隧道照明实行科学合理的控制，是实现隧道高质量节能的有效措施。在隧道实际运营过程中，照明需求与车速、车流量、隧道内外照度等参数密切相关。检测获取隧道内外亮度、车速、局部车流量等精准的实时信息是控制模型的基础。以这些信息为输入参数，以照明节能控制器为执行设备，形成多信息协同的照明节能智能控制系统。系统根据车辆参数和环境参数，自适应调节控制灯具亮度，在确保行车安全的前提下，实现隧道照明的高效节能。隧道智能照明整体技术流程如图1所示。图1隧道照明流程3主要设备及工艺流程在确保行车安全的基础上，以实现高效节能为目标，为解决隧道照明中照明控制、车辆检测、环境传感三方面的关键问题，在以下三个方面进行创新发明。一是创新隧道照明控制模式，研究开发一种基于多信息协同的隧道照明智能控制模型及装置，以多信息协同对隧道各段照明长度和照度实现全面动态、精细的实时自适应调节和控制，最大限度杜绝隧道照明能源的浪费，并提高行车安全系数。二是创新车辆检测技术，研究开发基于视觉技术与音频感知的车辆检测方法及装置，为隧道照明控制检测获取车流量、车速、车型、位移坐标等车辆翔实、精准的实时信息。三是创新环境传感技术，研究开发新型光环境表达方法和装备，为隧道照明控制检测获取隧道内外光环境实时信息。（1）针对现有控制方式较为单一，无法实现按需控制与精准节能的问题，创新性提出多信息协同智能控制模型。国际照明委员会将隧道照明分为四个部分，分别为入口段照明、过渡段照明、中间段照明和出口照明（见图2）。隧道照明需要考虑路面本身具有一定的亮度水平，除此之外，还应进一步考虑速度、交通量、亮度变化等影响因素，特别是在隧道入口及隧道出口相应区段，需要考虑人眼视觉适应过程。为了使得驾驶员在出入口处获得更为舒适的照明体验，多次派出人员在广西、云南等地进行实车测试，得出了在不同色温条件下隧道出入口对人眼视认较佳的亮度调节比值（见图3）。图2隧道分段标准图3不同色温下隧道内外亮度最优比值普通自动分档控制技术，按照上述回路划分，控制手段单一，很难起到精准控制与高效节能的效果。对原控制方式的缺点进行分析（见图4），以交通行业照明标准为指导依据，以研究获得的隧道内外最佳亮度结果为调节基础，建立基于多信息协同的智能控制模型。图4普通照明控制与提出方式对比该模型整体构架如图5所示。利用自主研制的基于视觉与光学技术车辆检测装置采集隧道外车速、车流量、车型，自主研制的亮度采集设备获取隧道内外亮度，自主研制的基于音频感知车辆检测装置确定隧道内车辆位置。模型内部对上述各种信息进行协同与融合，对灯具回路进行控制。不同于传统照明控制模型为“全天照明，分档控制”的粗放模式，提出“车来前亮，车走渐暗”的精细模式，使隧道内保持“有车照明”和“无车照明”两个大类种照明状态。模型中控制逻辑如下：“有车照明”指车辆进入隧道前灯具提前打开的照明状态。各类外设传感器一旦探测到车辆位置、车辆类型以及车辆速度，控制模型则将照明系统提前调整至“有车照明”状态，结合隧道内外亮度仪采集到的亮度信息，按照最佳参数对隧道灯亮度进行动态反馈调节，使得隧道入口与出口处洞内外亮度能够过渡平缓，符合人眼工程学，避免亮度突变带来的视觉冲击。除此之外，在进入隧道内部后，通过自主研制车辆检测设备，探明车辆在隧道内位置，将位于车辆后方的灯具调暗，位于车辆前方驾驶员视线范围内的灯具亮度调至符合人眼舒适度曲线，并提供足够照明亮度，保证隧道内车辆安全行驶与精准节能。图5控制模型整体框架“无车照明”是指车辆驶出隧道后，照明灯具逐渐变暗但不完全关灭的照明状态。当各类传感器均探测不到车辆时，控制模型认为当前隧道无车辆，将调节灯具至低功耗状态，保证基本的监控照明，同时将入口加强段与出口加强段的大功率灯具调至熄灭状态。需要说明的是，熄灭状态并非关断电流，而是保持有微量电流通过LED灯珠，此种方法避免了电流关断冲击，在节约能源的同时，还可延长LED灯具寿命。除此之外，针对传统控制方式（如RS485）传输距离短、通信可靠性差的问题，进行回路控制优化。对控制信号传输距离、误码率和可靠性进行分析评价、构建照明控制回路分段并联模式，以及采用多节点远距离信号传输方式，实现无中继信号最大传输距离达4km，满足长距离隧道回路控制需要。（2）原创性提出利用麦克风阵列信号处理技术，成功研制出基于智能听觉技术的隧道内车辆检测方法及装置。在大量工程实践中发现：第一，调光控制在对隧道进行分段节能时，无车段只需把亮度调节至满足基本监控需求即可，因此只需知道该段有无车辆行驶，而无需对车型、数量等信息进行精确感知；第二，在车辆快速行驶的情况下，轮胎噪声为车辆音频的主要成分，因此只需对车辆轮胎噪声进行智能提取与感知，同时抑制自然噪声、人声等干扰；第三，公路隧道是封闭腔体，车辆音频信号在隧道壁进行多次反射，形成混响，因此需要对混响进行有效抑制。基于以上分析，原创性提出采用价格低廉的麦克风阵列作为非接触式传感装置，发明基于智能听觉技术的车辆检测装置。装置结构如图6所示，具体包括麦克风阵列模块、麦克风信号接收模块、降噪区混响模块、事件检测模块。该装置在实际工程应用中，安装于车道侧面。图6基于智能听觉技术的车辆检测装置结构图7为智能听觉的隧道内车辆检测流程。图中，麦克风阵列模块采集公路上的交通声音信号，上面集成两路MEMS数字麦克风，声音模拟信号经过数字麦克风阵列模块输出两路PDM数字信号，送入麦克风信号接收模块中。接收模块对两路PDM数字信号进行解调、滤波等预处理，转换成单一采样率和比特位的数字音频信号，得到两路44ksps、16bit的数字音频信号，经总线传入嵌入式处理器进行后续处理。降噪去混响模块位于嵌入式处理器中，采用自主创新的降噪去混响算法，利用多麦克风波束形成技术对数字音频信号进行增强，同时达到噪声抑制和混响抑制的目的。事件检测模块对两路增强后的声音数字信号进行数字变换，通过Gammatone滤波器对该路声音数字信号进行子带滤波，得到音频信号的耳蜗谱，然后将耳蜗谱输入到卷积神经网络得到事件类型的输出概率，从而判断当前隧道内有无车辆。图7基于智能听觉的隧道内车辆检测流程（3）创新性发明了一种利用摄像机图像进行实时亮度测量的方法及装备。通过模拟人眼工作机理，利用摄像机实时采集图像信息，对图像进行灰度化处理得到灰度值，并采用亮度计对摄像机进行光学标定，得出曝光量与灰度值之间的具体函数关系，即亮度回归方程，通过亮度计算公式求得目标区域的亮度值。该方法与瞄点式亮度仪相比，更准确表征人眼舒适度。除此之外，还提出了采用图像匹配和噪点去除的处理方法，大大提高了测量精度，满足亮度测量的需求。依据光度学原理及图像传感器理论，相机通过镜头将目标物反映在感光材料上，所得图像的密度与目标物对应的曝光量对数之间存在图8的关系。图8感光特性曲线与探究得到的亮度回归曲线通过数字图像处理技术可获得图像灰度，但不能直接获取光学系统中的亮度，依据光度学原理及图像传感器理论，能够实现灰度与亮度之间的对应。摄像机在成像段图像的灰度G与曝光量的对数lgH之间呈线性关系：其中：m为感光特性曲线线性段截距，v为反差系数，即感光特性曲线直线段斜率；H为曝光量，由曝光时间T和照度E决定，H=E×T。由光度测量成像理论及几何光学可知，CMOS传感器面阵照度为：其中：f为摄像机镜头的透射比；F为光圈；l为镜头焦距，即相机镜头与目标物之间的距离；τ为摄像机的透射系数。由于被测目标距离相对较远，f/l可忽略不计。通过上述推导，技术探明的曝光量与灰度值之间的具体函数关系，即亮度回归方程为：基于以上隧道光环境特性与所提出的亮度回归方程，利用成本较低的摄像头进行感光，自主研制出视频亮度检测装置。该亮度检测装置探测精准，操作简便，可完全代替原瞄点式亮度传感器，并配置有网络接口，可远程更新与维护。提出的新技术与原技术相比，采用摄像头模拟人眼感光的方式更适合监测环境亮度，也更能准确表征人眼舒适度，除此之外，亮度探测精度由传统技术的11%降低至6%以下。研制的新型视频洞内外亮度仪实物如图9所示。图9新型视频洞内外亮度仪实物4技术创新点（1）多信息协同的智能控制模型及装备人工分时控制与传统自动控制均难以实现按需动态调光与精准节能，且对驾驶员视觉友好度差。基于多信息协同智能控制模型及装备，实现了隧道灯光的动态调节与精准控制，隧道LED灯照明亮度可在5%~100%无级调节。该装备在降低成本、保证安全性的同时，极大提升驾驶舒适感，且平均能耗比使用传统技术降低30%，节能降碳效果明显。技术效果对比如表1所示。表1多信息协同智能控制技术与传统技术对比（2）基于智能听觉的新型车辆检测技术及装置目前主要采用的微波雷达、地感线圈等车辆检测设备，易受回波干扰、价格昂贵、维护困难、寿命较短，不利于多点大面积布设。基于智能听觉与视觉技术的新型车辆检测技术及装置，成本低、抗干扰性强、寿命长、安装简单，可实现隧道内外百米级的大规模、高空间分辨率车检能力。传统隧道内铺设的地感线圈在维护时需封闭隧道，致使车辆并洞运行，极大增加安全隐患。该研发的车辆检测装置均为路测安装，可进行安全无风险维护，降低人力成本的同时，大大提高隧道安全性及通行效率。表2列出了项目发明装置与传统装置对比。表2项目车检装置与传统装置对比（3）隧道内外环境亮度标定技术与装置目前环境亮度采集主要采用瞄点式亮度仪，测量过程复杂，定位困难且受外界环境影响较大，价格比较昂贵。项目发明的视频亮度检测技术及装置具有操作简便、成本低和可实时测量等优点，可完全替代瞄点亮度仪并大量部署。对比情况见表3。表3项目视频亮度仪与瞄点亮度仪对比5技术应用情况该技术主要运用在隧道照明节能、隧道LED灯控制方面，形成的成套照明控制与传感技术还可以向码头、景观、市政等照明方向延伸。该项目成果于2012至2013年开始在广西区内通车的车钦州至崇左高速5条隧道进行试验型初步应用；在初步探索中取得良好节能效果，并为运营单位节约了大量经费，整体技术于2013开始在广西区内多条山区高速进行大规模推广应用。至今，产品历经两次升级，已成功应用在广西、贵州等西部地区的高速公路和二级路，累计推广应用路段超15个，应用隧道总数超过300座，并通过对子公司进行专利许可的形式开始产品化生产。典型应用路段包括河池至都安、崇左至靖西、靖西至那坡、河池至百色、乐业至百色等地，项目成果的应用显著提升了隧道节能技术水平。5.1河池至百色高速公路上的应用2018年底通车的河池至百色高速公路，是国家高速公路网规划“7918”国道G78汕头至昆明公路的组成部分，是连接河池、百色革命老区最便捷的公路通道，主线全长179km，共计隧道32座，桥隧比超过50%。并且，山区公路运营期间，日均交通量较低，隧道内无车通行的累计时间大于有车通行的累计时间，如果对隧道照明不施加有效控制，则会造成持续浪费性电能支出，导致公路运营状况恶化。该路段全线隧道采用本技术“智能隧道LED灯控制系统”，实现隧道灯光的精细调控与精准节能，达到“车来灯亮，车走灯暗”的效果。根据2018年12月至2020年9月统计报告显示，该技术的应用已为运营单位节约电费1200余万元，折合工业用电2000万度，按国标《综合能耗计算通则》（GB/T2589）计算，折合标准煤6060000t。按照国标《综合能耗计算通则》（GB/T2589）计算，降碳量为11515818tCO2。项目全线布设隧道调光系统，采用的智能隧道LED灯控制系统质保期2年，正常维护情况下可使用6~8年。截至目前节约电费超1200万元，已全部收回成本。5.2实施方案和流程项目感知网络整体架构需将路侧智能车辆感知设备和环境亮度感知终端设备装配在道路杆件上，通过网线接入附近的落地机箱（杆件传感器安装数量小于4个接入抱杆机箱），机箱通过环路光纤接入机房的隧道灯光控制系统主控制器，实现道路环境感知节点与主控制器之间的信息交互。每一个隧道LED灯控制器经过铜轴线缆从线缆沟槽进入隧道机房，与主控制器相连，实现隧道灯光的无极调