（交通信息工程及控制专业论文）基于DeviceNet的隧道智能照明控制系统研究.pdf

摘要 公路隧道照明，尤其是高速公路隧道照明与一般道路照明要求不同，隧道白天也需 要照明，而且白天照明问题比夜间更加复杂。同时隧道照明费用也是隧道运营开支中最 大的项目之一，如何既减少隧道照明系统的费用，又不影响洞内车辆的安全行驶，成为 摆在我们面前急需解决的难题。 我国现有的隧道照明控制系统一般采用分组分回路供电，根据洞外环境来确定开启 回路的多少，进行分级调光，这种控制系统存在的附加段连续性不好、照度均匀度差的 缺点，且造成不必要的能源浪费。本文针对这种情况，提出了一种基于d e v i c e n e t 的隧 道智能照明控制系统，实现隧道照明的连续调光，在为通过车辆提供良好照明环境、满 足行车安全的同时，节约了能源、降低了隧道运营的成本。 本文首先介绍了当前隧道照明系统的相关技术及其研究方向，然后根据人眼的视觉 特点，说明了设置隧道照明的必要性，并对隧道照明控制方式和隧道照明控制系统进行 了分析讨论。在对d e v i v e n e t 协议规范和h i d 灯特性进行详细论述的基础上，设计了一 种符合d e v i c e n e t 协议的可调光电子镇流器，并给出了各部分的电路原理图，实现对高 压钠灯的无级调光。构建了一种三层网络结构的隧道智能照明控制系统，提出了基于模 糊控制理论的隧道智能照明控制算法，根据各检测器检测到的数据，确定隧道内各区段 的亮度值，通过对电子镇流器的调节，使隧道内亮度值与之趋于一致。 关键词：d e v i c e n e t 、电子镇流器、连续调光、隧道照明、控制系统 a b s t r a c t t u n n e ll i g h t i n g e s p e c i a l l yh i g h w a yt u n n e ll i g h t i n g ，h a sm a n yd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s f r o mt h eo r d i n a r vr o a d s i tn e e d si l l u m i n a t i o nd u r i n gt h ed a y t i m e ，w h i c hi sm o r ec o m p l i c a t e t h a ni l l u m i n a t i o na tn i g h t t h ee x p e n s eo ft u n n e ll i g h t i n g i so n eo ft h eb i g g e rp r o j e c t si n t u n n e lm a n a g e m e n t ，s oh o wt od e c e a s et h el i g h t i n ge x p e n s ea n dk e e ps a f et r a v e l i n gb e c a m e a nu r g e n td i f f i c u l t yw h i c hn e e d st ob er e s o l v e d t h ep r e s e n tt u n n e ll i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m su s u a l l ya d o p ta m e t h o do fc i r c u i t sd i v i d i n g f o rp o w e rs u p p l y , n a m e l ya d j u s t i n gt h ec i r c u i ta n di l l u m i n a t i o na c c o r d i n gt o t h ee x t e r i o r c i r c u m s t a n c eo ft u n n e l h o w e v e rt h i ss y s t e mh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s s u c ha sd i s c o n t i n u i t yo f i 1 1 u m i n a t i o ni nt u n n e la d d i t i o n a ls e c t i o na n du n n e c e s s a r yw a s t eo fe n e r g y c o n c e n t r a t i n g0 n s u c hp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa k i n do fi n t e l l i g e n tt u n n e ll i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s eo n d e v i c e n e t w h i c ha c h i e v e sc o n t i n u o u sl i g h ta d j u s t i n ga n dp r o v i d e s f o rv e h i c l e sb e t t e r i l l u m i n a t i o nc i r c u m s t a n c e t h i ss y s t e ma l s oc a ns a v ee n e r g y , s a t i s f yt h es a f e t yr e q u i r e m e n t a n dd e c e a s et h ec o s to ft u n n e lo p e r a t i n g t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st e c h n i q u e so fp r e s e n tt u n n e ll i g h t i n gs y s t e ma n d i t sr e s e a r c h o r i e n t a t i o n ，t h e ne x p l a i n st h en e c e s s i t yo ft u n n e ll i g h t i n gv i at h ec h a r a c t e r i s t i co fp e o p l e s v i s i o n ，a n a l v z e st h ec o n t r o lm e t h o d sa n dr e l a t e ds y s t e mo ft u n n e ll i g h t i n g t h ep a p e r d e v i s e s a ne l e c t r o n i cb a l l a s t ；c o n f o r m i n gt od e v i c e n e tp r o t o c o l ，d e s i g n st h ec i r c u i td i a g r a m sa n d a c h i e v e sl i g h ta d ju s t i n gt oh i g h p r e s s u r es o d i u ml a m p c o n s t r u c t sat h r e e l a y e ro fi n t e l l i g e n t t u n n e ll i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m s ，p r o p o s e san e wl i g h t i n gc o n t r o la l g o r i t h mb a s e d o nf u z z y c o n t r o lt h e o r v t h el u m i n a n c eo fd i f f e r e n ts e c t i o no ft u n n e lc a n b eo b t a i n e db yd e t e c t o r s ，t h e n a d j u s te l e c t r o n i cb a l l a s t ；t om a k e i d e n t i c a ll u m i n a n c eo ft h ew h o l et u n n e l k e yw o r d s ：d e v i c e n e t ；e l e c t r o n i cb a l l a s t s ；t u n n e ll i g h t i n g ；c o n t r o ls y s t e m l l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 2 d 谚年6 月4h 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 如召年6 月斗日 刀g 年月笋日 k ，安人学硕l j 学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 引言 由于公路隧道具有缩短公路罩程、提高运输效益、利用地下空间、节省用地 和保持生态环境等优越性，在高等级公路建设中受到越来越多的重视。公路隧道 在我国正以空前的速度修建，建设施工的技术难度、技术含量不断加大，大跨度、 大断面隧道不断出现，高海拔、高寒区隧道建设取得突破性进展，断面形式更是 由单洞到双洞，由双洞到连拱，由双连拱到多连拱。隧道长度记录不断被刷新， 令世人瞩目，位于陕西省的秦岭终南山隧道，单洞长1 8 0 2 公里，位居亚洲第一， 世界第二。 公路隧道由于其功能的特殊性，确定了其建设的复杂性。公路隧道照明，尤 其是高速公路隧道照明与一般道路照明要求不同，隧道白天也需要照明，而且白 天照明问题比夜间更加复杂。，照明系统是隧道机电工程中最重要的设施之一，也 是整个隧道机电工程总投资最大的系统之一。目前，国外工业发达国家隧道通j x l 、 照明系统费用通常为整个隧道土建费用的1 0 左右，最高可达2 0 。同时照明费用 也是隧道运营费用中开支最大的项目之一，如何既减少隧道照明系统的运营费用 又不影响洞内车辆的安全行驶，成为摆在我们面前急需解决的难题n 1 。 1 2 国内外发展的现状 国外公路隧道的照明技术研究开始早，经过多年的研究和实践，技术相对成 熟。例如，早在2 0 世纪6 0 年代，意、法两国之间的m o n t b l a n c 隧道就已经按照交通 量的变化进行照明调光。 8 0 年代后，世界各国相继出台了隧道照明规范，以规范隧道照明的设计和施 工，减少交通事故。其中，当时被广泛接受的标准是c i e ( 国际照明委员会) 1 9 8 2 年 制定的( c i en o 3 0 2 ，1 9 9 8 ) 。随后，这个标准分别在1 9 9 0 年、1 9 9 5 年进行了修订。 在此同时，各国也相继实施了各自的标准，如e u r o s t d ( 欧洲隧道照明标准，1 9 9 7 年版) ，日本隧道照明指针( 1 9 9 0 ) 等。这些发达国家照明理论和技术相对比较 完善，因此已经形成规范性的标准。 随着我国公路建设的发展，公路隧道建设规模非常大，速度越来越快，因此技 术需求也越来越大。但我国隧道照明技术起步较晚，经验和基础性的工作不足， 我国在2 0 0 0 年以自仃使用的原则主要遵循公路隧道设计规范( j t j0 2 6 9 0 ) 来设 第一章绪论 计隧道的照明系统，由于该规范设计的标准不很完善，因此9 0 年代后期，为了适应 我国公路隧道照明的技术需求，我国有一部分学者在这方面进行了一系列的研 究。这些研究主要从2 个方面进行：确定布置灯光的方案，来消除“黑洞效应 和“白洞效应”等问题：设计照明系统的控制系统，对隧道的照明进行动态控 制。 随着公路隧道的迅猛发展，亟待制定一个系统的照明规范，我国在现有的经 验基础上，借鉴国外公路隧道的成功经验和先进技术，于2 0 0 0 年1 月颁布了公路 隧道通风照明设计规范( j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 ) 。该规范在照明系统构成、洞外亮度 和减光、隧道各照明段的长度与亮度、照明总均匀度与纵向均匀度、调光分级、 光源分级、灯具及布置、照度与亮度计算推荐方法等方面做出了详细的规范说明。 在该规范颁布后，从国内的研究情况来看，主要研究方向不再集中于讨论如 何设计照明系统，而在于如何控制照明系统，实现照明系统的自动化，实现照明系 统的优化和节能。目前国内学者对隧道照明技术集中于如何安全舒适又经济节能 的研究，主要集中于以下几个方面： 1 设计开发隧道照明的亮度分析和计算软件。 在隧道照明系统的设计过程中，首先必须对隧道的各种布灯方案进行分析， 一般通过计算照明亮度等参数来评价和分析各方案的性能。因此，隧道照明系统 的设计需要大量而又复杂的数据计算，为了减轻繁琐的计算工作，并且提高计算 精度，国内外相继开发了照明亮度分析和计算软件。国内的这种分析和计算软件 有数种，主要有以下2 个分析软件： ( 1 ) 浙江丽水永通照明科技有限公司牵头丌发的r & t l a s 软件，这是我国第1 个照明系统分析软件，该软件可以在任意布灯情况下，通过二维数值分析模拟隧 道的照明情况，综合分析墙面反射对路面亮度的影响，设计开发了该软件系统。 该软件系统由于开发时间早( 1 9 9 9 年) ，采用c i e l 9 8 2 的标准，因此，不太符合 我国现行行业标准。 ( 2 ) 由重庆交通科研设计院开发的软件，该软件严格按照国家行业标准的计 算方法和照明系统设计方案，对照明系统进行粗略和精确的计算。当设计人员输 入隧道的各基本参数( 如隧道长度，高度，洞外亮度等参数) ，软件会自动按照规 范要求计算出隧道中各照明区域长度及其相关的亮度水平。然后按照“系数曲线 图计算方法”进行计算，得出隧道灯具的初步布置方案，这是粗略计算得出的结 2 k 安人学硕i ：学位论义 果。在此基础上，按照“光强表的数值计算法”进行精确计算。这2 种软件通过数 值计算的方法，在隧道设计的时候进行隧道的照明分析和计算工作。 2 对现有隧道的照明系统进行照明亮度检测，分析照明性能是否能达到国家 行业标准。对已经建成并投入使用的隧道，由于运营时间的增长，灯具的照明性能 下降，以及路面和墙面的变化，隧道照明系统的照明性能也会下降。因此，国内有 学者就开始研究如何检测隧道的照明系统。这种检测主要是通过在检测区域布置 检测点，通过照度仪等仪器仪表检测数个点照明亮度，通过计算和分析，得出隧道 的照明系统的照明性能。从而判断隧道的照明系统是否需要修改。 3 设计自动调光系统，使隧道的入口段、过渡段等区域的照明能自动凋光，以 实现节能。这种研究国内也已经有了应用实例，如厦门沧海隧道安装的澳大利亚 邦齐公司的d y n a l i t e 控制系统。该控制系统将照明系统分为3 个部分：增强照明、 基本照明和应急照明。增强照明采用高压钠灯按照时序和照明补偿的方法，分成 白天、阴天、云天等六级照明。基本照明采用可调光的荧光灯进行照明，实现连 续无级调光，达到安全舒适和节能的目标。 国内的监控系统也有这部分功能，只是分级自动调光。 4 设计开发新型隧道照明灯具和照明方法。隧道的光源发展主要方向是高效 节能，现在使用的光源主要有白炽灯、荧光灯、高压钠灯、低压钠灯、高压汞灯。 在这几种灯中，以高压钠灯发展空间最广阔，它有显色性好、寿命长、光效高等优 点。现在使用率很高，主要用在隧道的增强照明方面。另外低压钠灯由于有较好 的透视性，随着进一步的研究，延长寿命，也将在长隧道中大量使用。 在照明方法的改进方面，主要是采用逆光照明，这种照明在国外使用很多，如 瑞士几乎所有隧道均采用此种照明方式。所谓逆光照明，就是通过一个特殊的斜 倾式反光器将光束集中朝汽车前进的方向投向路面，从而提高目标的背景亮度， 使前方车辆或目标更易辨认。这种布灯方式可节约灯具3 0 ，节省电力费3 0 。 另外，国外还有二次配光技术，即将光通过反光器反射到玻璃罩上，再通过玻 璃罩上的配光条纹进行再配光，将光线尽量照射在路面心1 。 近年来隧道照明控制系统发展比较迅速，国内行业中也有不少的典型工程应 用实例。从国内外的论文来看，隧道照明控制系统主要可以分为以下2 大种类： 1 计算机集散控制系统 这种控制系统是最常见的一种控制方式，由中央计算机管理整个系统，作为 3 第一章绪论 系统的集中处理单元。各照明控制室由p l c 控制，p l c 根据采集洞外的亮度值，可 以自动控制隧道入口段、适应段、过渡段、出口段的亮度，也可以将采集的洞外 亮度值传送到中心计算机，由中心计算机来决策隧道各段的亮度值。 这种控制方式的好处在于可以充分发挥控制的分散性和管理决策的集中性， 不利的方面在于它不能完全脱离中心计算机的控制，一旦中心计算机出现故障， 很容易导致隧道没有照明而造成交通事故。 2 分布式计算机控制系统 这种控制系统依靠某种现场总线为核心，实现无中心控制。这种分布式控制 系统的好处在于各部分相对独立，某部分出现故障并不会影响其他部分，系统仍 然可以运行。 从目前所应用的现场总线来看，模块化分布式控制系统主要分为3 种： ( 1 ) 基于现场总线的l o n w o r k s ，d e v i c e n e t ，s y m e n sp r o f i b u s 的 m i c r o l o n ，d a c n e t 。 ( 2 ) 基于以太网和m o d b u s 通信协议的o p e n l i n e 系列。 ( 3 ) 基于o p t o m u x 矛1 m o d b u s 通信协议的m i c r o d a c ，o p e n d a c ，o p e n l t 系 列。 由于现场总线技术具有开放性、互操作与互用性、现场设备的高度智能化与 功能自制性、系统结构的高度分散性及对现场环境的适应性等特点，在国内外隧 道照明乃至监控系统中得到了较为广泛的应用。 1 3 课题研究的意义 我国公路隧道事业起步较晚，隧道照明设施相对落后，对隧道照明技术缺乏 深入研究，虽然目前大多数隧道均考虑了照明，但照明设计仍采用传统的照明方 式偏于保守，造成一些不必要的浪费。迫于运营费用和维护成本过高，一些隧道 在运营后不长时间就没有完全开启照明灯具或仅开启其中的1 2 到1 4 左右，甚 至有的隧道干脆不开灯，造成隧道内光线昏暗，且亮暗交错很不均匀，使行车者 的视觉很不舒服，为行车安全埋下隐患。 隧道智能照明控制技术是随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展而发 展起来的。该方式不仅具备开关灯控制，而且还能对光源进行调光控制，它是一 个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。 4 长安人学硕i 二学位论文 隧道智能照明控制系统的研究已成为公路隧道工程上的一个重要课题，它不 仅响应了由国家经贸委牵头启动的“中国绿色照明工程”，还能创造巨大的经济 和社会效益： 1 创造有效率的照明环境、实现节约能源的目的 隧道智能照明控制系统通过对照度的自动调节，实现对各种天气和交通状况 所需的即时精确照明，从而消除能源的浪费和照明的不足，节能效果十分明显。 2 提高隧道照明质量 在隧道内交通流量较少时，可以不必像传统的控制方式那样关闭一侧灯具或 让灯具隔一开一，只需调节灯具的光输出即可，这样做的好处是可以获得较好的 照度均匀度，为驾驶员提供舒适的光环境，避免事故的发生。 3 延长灯具寿命 智能照明控制系统可以成功地抑制电网的冲击电压和浪涌电压，使灯具不会 因电网电压过高而损坏。同时系统采用软启动和软关断技术，避免了丌启灯具时 电流对灯丝的热冲击，使得灯具寿命进一步延长。从而减少更换灯具的工作量， 降低照明系统的运行费用。通过上述方法，光源的寿命通常可延长2 - 4 倍 4 便于管理维护 智能照明控制系统由于采用了总线标准，在节省了硬件数量与投资、降低了 安装与维护费用的同时，提高了系统的安全性与可靠性。 1 4 本文研究的内容 本文主要丌展了以下几个方面的研究工作： 1 介绍隧道照明的特点，隧道各区段亮度及长度的计算方法，并对隧道照明 控制进行了讨论。 2 从整体上研究d e v i c e n e t 规范，分析d e v i c e n e t 规范中与设计从设备有关 的物理层、数据链路层和应用层协议，以及d e v i c e n e t 总线网络中两类主要的报 文：显性报文和i o 报文，它们的特点以及在d e v i c e n e t 中的数据通讯的方式。 3 在对h i d 灯特性研究的基础上，设计出符合d e v i c e n e t 总线标准的可调光 电子镇流器。 4 构建基于d e v i c e n e t 总线的分布式隧道智能照明控制系统，提出一种基于 模糊理论的隧道照明控制算法。 5 第一二章隧道照明 第二章隧道照明 隧道照明亮度主要取决于行车速度、洞外亮度和通行交通量，在照明设计过程中已 经充分考虑了这些因素，而且一般都是按不利情况考虑的，所以能够满足设计车速、设 计交通鼍和设计洞外亮度情况下的照明要求。然而洞外亮度在春、夏、秋、冬，在早晨、 中午、傍晚、深夜、在晴天、阴天、雨天、雪天是不同的，且任意时刻隧道内的交通流 量、行车速度也是不尽相同的。隧道照明控制就是要根据这些不同的情况，开启和关闭 相应数量的灯具，或对灯具输出的光通量进行控制，使其既满足行车速度的需要，又利 于节能。 2 1 隧道的视觉特点 公路隧道的照明系统，是为了把必要的视觉信息传递给驾驶员，防止因视觉信息不 足而出现交通事故，从而提高驾驶的安全性和舒适感。从理论上讲，隧道照明与道路照 明一样，也需要考虑路面应具有一定的亮度水平，同时还应考虑设计速度、交通量、线 形等影响因素，并从驾驶上的安全性和舒适性等方面综合确定照明水平，特别是在隧道 入口及其相邻路段需要考虑人的视觉问题。 汽车驾驶员在白天从明亮的环境接近、进入和通过隧道的过程中，与行走在一般道 路上是不一样的，他将发生种种特殊的视觉问题。 1 进入隧道前的视觉问题( 白天) 。由于隧道内外亮度差别极大，从隧道外部去看照 明很不充分的隧道入口会看到黑洞( 长隧道) 及黑框( 短隧道) 现象。 2 进入隧道立即出现的视觉问题。汽车由明亮的外部进入即使是不太暗的隧道，要 经过一段时间才能看清隧道内部的情况，这称为“适应的滞后现象 ，这是因为急剧的 亮度变化，使人不能迅速适应所致。 3 隧道内部的视觉问题( 白天、夜间) 。隧道内部与一般道路不同，主要在于隧道内 部汽车排除的废气无法迅速消散，形成烟雾它可以将汽车头灯和道路照明器发出的光吸 收和散射，降低了能见度。 4 隧道出口处的视觉问题。白天，汽车穿过较长的隧道接近出口时，由于通过出口 看到的外部亮度极高，出口看上去是个亮洞，出现及强的眩光，驾驶员在这种极强的眩 光效应f 会感到十分不舒服；夜问与白天正好相反，隧道出口看到的不是亮洞而是黑洞， 这样就看不出道路的线性及路上的障碍物。 因此为了确保隧道路段的行车安全，提高隧道路段的通行能力，在隧道内设置光电 6 长安人学硕j 二学位论文 照明系统就显的必不可少。 2 2 隧道照明各区段亮度及长度计算 隧道照明系统主要包括：中间段照明、入口段照明、过渡段照明、出口段照明、应 急照明、洞外引道照明及接近段减光设施。根据公路隧道通风照明设计规范( j t j 0 2 6 1 - 1 9 9 9 ) ，长度大于1 0 0 m 的隧道应设置光电照明设施，各照明区段亮度与长度如图 2 1 所示。平均照度和平均亮度之间的换算关系一般可按沥青路面( 1 5 2 2 ) l x c d m 一， 水泥混凝土路面( 1 0 1 3 ) l x c d m 2 取值。 p g 专 3 一 蜊 昧 图2 1 各照明区段亮度与长度 1 中间段亮度( b n ) 中间段的亮度与能见度、行车速度及交通量有关。在正常条件下，基本段亮度可按 表2 1 取值。 表2 1 中间段亮度厶 设计车速 换算平均照度( c d m 2 ) 双乍道单向交通辆 2 4 0 0舣车道单向交通辆7 0 0 ( k m h ) 双1 i 道双向交通辆1 3 0 0双车道舣向交通辆3 6 0 1 0 09 o4 8 04 5 2 6 0 2 51 5 4 01 51 5 当双车道单向交通量在7 0 0 辆h 2 4 0 0 h 之间且通过隧道的时问超过1 3 5 s 时，可按 表2 1 的8 0 取值。 2 入口段照明 7 第一二章隧道照i j 在照明设计中，车速与洞外亮度是两个主要基准值，车速已有道路等级限定，洞外 亮度值主要由道路照明没计者进行周密调查后确定。洞外亮度等级升高一级对造价和运 营费用都将产生很大影响，因而需要采取适当措施降低洞外亮度，以便减少造价并节能。 ( 1 ) 洞外亮度( 上2 0 ) 洞外亮度是驾驶员驶入隧道洞口前所看到的周围环境平均亮度，用l 2 0 ( s ) 表示。 其取值的大小对确定适应段、过渡段、以及出口段亮度有很大的影响，因此要求尽量符 合实际情况，而不宜偏高。在隧道设计中如无实测资料可按表2 2 取值。 表2 2 洞外亮度厶( s ) ( c d m 2 ) n ( k m h ) 天空面积百分比洞口朝向或洞外环境 4 06 08 01 0 0 南洞口 4 0 0 04 5 0 0 3 5 、5 0 北洞口 5 5 0 06 0 0 0 南洞口3 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 0 2 5 北洞口3 5 0 04 0 0 05 0 0 05 5 0 0 暗环境 2 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0 1 0 亮环境3 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 0 暗环境 1 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 0 亮环境2 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 0 ( 2 ) 入口段亮度 入口段亮度可按下式计算： 乙= k o l ：。( s ) 式中，厶b - - 入口段亮度( c d m 2 ) ； 卜入口段亮度折减系数，可按表2 3 取值； l 2 0 ( s ) 一洞外亮度( c d m 2 ) 。 表2 3 入口段亮度折减系数k ( 2 1 ) 七 设计交通辆n ( 辆h ) 设计车速v t ( k m h ) 双乍道单向交通辆双车道双向交通辆 1 0 08 06 04 0 2 4 0 01 3 0 0 0 0 4 50 0 3 50 0 2 20 0 1 2 7 0 03 6 0 0 0 3 50 0 2 50 0 1 50 0 1 0 ( 3 ) 入口段长度 入e l 段长度可按下式计算： d f “埘d s 一器 式中，d 曲一入口段长度( m ) ； d 广照明停车视距( m ) ，可按表2 4 取值； 8 ( 2 2 ) 长安人学硕i ：学位论文 j l l 一洞口内净空高度( m ) 。 表2 4照明停车视距d s 标 、纵坡( ) - 4 32101234 n ( k m h ) 1 0 0 1 7 91 7 31 6 81 6 3 1 5 8 1 5 41 4 91 4 51 4 2 8 01 1 21 1 0 1 0 61 0 3 1 0 0 9 89 59 39 0 6 0 6 26 05 85 7 5 6 5 55 45 35 2 4 02 92 82 72 72 62 62 52 52 5 3 过渡段照明 ( 1 ) 过渡段亮度 采用c i e 适应曲线0 = k ( 1 9 + f ) q 4 作为划分依据，过渡段由t r l 、t , 2 、t r 3 三个照 明段组成，与之对应的亮度可按表2 5 取值。 表2 5 过渡段亮度 照明段乃12乃3 亮度l f ，1 = 0 乩旃厶2 = 0 也曲l 妒s = o 0 3 5 l 胁 ( 2 ) 过渡段长度 各过渡段长度，基本按c i e 适应曲线分割。过渡段乃1 的长度为： 以。= 争两v ( 2 3 ) j上6 式中，v 1 8 _ 2 s 内的行驶距离。 过渡段耳2 的长度为。们一1 2 _ _ l v 8 ，相当于4 s 内的行驶距离；过波段的长度为 d , r ，一两3 1 , ，相当子6 s 内的行驶距离。过渡段各照明段的长度可按表2 6 取值嘲 表2 6 过渡段长度 计算行车速度( k m h )d f ，( m )d r r 2 ( m )d 订( m ) 1 0 01 0 61 1 11 6 7 8 07 28 91 3 3 6 04 46 71 0 0 4 02 64 46 7 4 出口段照明 ( 1 ) 在单向交通隧道中，应设置出口段照明；出口段照明长度取6 0 m ，亮度宜取 中间段亮度的5 倍 ( 2 ) 在双向隧道中，可将出口段照明与入口段照明保持对称布设。 2 3 隧道照明控制 2 3 1 隧道照明控制方式 隧道照明系统是一个多光源系统，通常的做法是将这些灯具分组分回路进行控制， 9 第_ 二章隧道照明 洞内亮度的高低由开启灯具数量的多少来决定，不做单个灯具的调光控制。为了使驾驶 员适应隧道内外亮度差，一般应对照明实施自动控制。控制方式有光控和时序控制两种。 1 光控制 光控制实际上是一种实时控制，即根据实际测得的隧道洞外亮度值实时调节洞内照 明系统，以满足驾驶员适应洞内外亮度差的需要。驾驶员的适应时i 、日j 和和距离，取决于 洞内外的亮度差和车速，一般采用一个停车视距，在隧道入口处洞内外各设一台检测装 置，将自动检测到的洞内外光亮度值送给照明监控计算机，经数据处理后，产生控制方 案，并将控制指令下传到现场区域控制器，现场区域控制器按照指令要求，实时开启或 关闭相应的照明灯具，从而形成一个闭环控制。 为方便照明自动控制，隧道内照明灯具可有两种配置方式： ( 1 ) 逻辑开关法 逻辑开关法是将照明灯具进行分组分回路供电，依据洞内外光检测器的比较值，决 定点亮照明灯具的数量，使洞内亮度随洞外亮度比例变化。该方式因其具有配线简单， 控制单元少，故障率低的优点，我国大多数隧道均采用此种方式，但这种方式的缺点为 附加段亮度连续性不好，且均匀度差。 ( 2 ) 无级调光法 无级调光法是为灯具安装可连续调光的电子镇流器，使其能够根据隧道洞内外的亮 度实时调整灯具的输出光通量，使隧道内获得较佳的亮度均匀度。 这两种方式均应考虑适当的时间延迟，避免在临界状态下过于频繁的变化。 2 定时控制 定时控制也叫时序控制，即将洞外照度值按日、周、月、年实测得到的统计规律值 输入照明控制计算机，照明控制计算机控制洞内的灯具去适应这个值得变化。此种方法 的缺点是用于控制决策的参数是历史统计数据，不能与当时的实际气象条件完全吻合， 可能造成能源浪费。因此，定时控制一般作为一种辅助的控制方式，只有当光检测器发 生故障时，照明控制计算机才转入定时控制。 隧道照明系统还应设置手动控制功能，可在中控室计算机或隧道照明配电箱上分别 完成，一旦隧道内遇到特殊情况( 如火灾、交通事故) 时，隧道监控系统应能发出报警 信号，并可通过手动控制功能将隧道照明开到最大，以利于对特殊情况的应急处理盼川。 2 3 2 隧道照明控制系统 1 传统的隧道照明控制系统 1 0 长安大学硕一l 学位论文 明回路 图2 2 传统的隧道照明控制系统结构图 传统的隧道照明控制系统由光检测器、隧道区域控制器、照明控制计算机、隧道照 明灯具、照明配电柜、照明配电箱以及照明供电电缆等组成，如图2 2 所示，通过区域控 制器的i 0 点对照明配电箱内继电器闭合的控制，实现不同照明回路的通断，从而获得不 同的光照环境。 2 隧道智能照明控制系统 智能照明控制系统按其通信介质主要有总线型、电力载波型和无线网络，如奇胜 c b u s 总线、a b b 公司的i b u s 总线、邦奇的d y n a l l i t e 总线协议、p h i l l i p s 的d a i 1 协议、 x 1 0 电力载波协议以及j i n i 、蓝牙无线网络技术等。 照明控制计算机 舯i | 一l 一一一耻暗匦m i f i i i 嘿一1 l l l l l li i i i i 蝇本地控制器 卜一_ 圈圈 l ，1 l ：y 二)( ：j 一丁厂十场总线网络 图2 3 总线型隧道智能照明控制系统结构图 图2 3 为总线型隧道智能照明控制系统结构图。为了组建分布式智能照明控制系统， 一般是把照明控制器和区域控制器通过现场总线连接，组建现场总线子网，把照明线路 中的照明控制器或区域控制器作为一个网络节点，这样所有的控制信号、开关灯的状态 圉6圉6圉6圉6 第一：章隧道照明 信号都i - j 以通过现场总线网络进行通信，这样网络中的每个节点都町以接受网络中其他 节点的信息，非常方便的实现节点互相检测与控制。这样就可以脱离于中央监控主机而 独立运行，同时也解决了现场设备层的每个控制量一根线的点对点连接方式带来的种种 弊端，现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对一的连线，减少了由接线点造成的 不可靠凶素，同时系统具有现场总线设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成远 程设备的参数设定、修改等参数化工作，也增加了系统的可维护性。现场总线具有优良 的系统扩展性，可以非常方便增加网络节点，如增加亮度检测、车辆检测器等网络节点， 通过这些节点采集隧道环境的变化参数，上传至中央监控主机，并进行分析、处理计算， 做出各种控制决策，实现智能化管理，能够更好的满足隧道监控系统的信息集成要求瞄1 。 2 3 3 隧道照明控制流程 图2 4 隧道照明控制流程图 一个典型的隧道智能照明控制流程如图2 4 所示。当外场检测器( 亮度检测器、车 辆检测器) 无故障时，由照明控制计算机采集检测器的数值，在对采集到的数据进行处 理决策后，下发命令给照明控制器，改变灯具的输出功率，以获得理想的光环境，同时 1 2 k 安大学硕l ：学位论义 隧道内亮度检测器将检测到的数据反馈给照明控制计算机以确定当前状态是否与决策 结果相一致，若检测器出现故障则，则可转为定时控制，若有特殊情况发生则应转为手 动控制。 2 4 本章小结 本章首先介绍了隧道的视觉特点、隧道各区段长度和亮度的计算方法，主要就隧道 照明控制方式和隧道照明控制系统进行了讨论，并给出了一种比较通用的隧道照明控制 流程图。 1 3 第二章d e v i c e n e t 协议规范 第三章d e v i c e n e t 协议规范 d e v i c e n e t 规范由r o c k w e l l 自动化公司开发，并将其作为一个基于c a n 协议的开 放式现场总线标准而公布。最初的d e v i c e n e t 产品在1 9 9 5 年初出现。d e v i c e n e t 协议特 别为工厂自动控制而定制，它在美国和亚洲扮演了非常重要的角色。在欧洲，越来越多 的系统方案使用d e v i c e n e t 来实现。 o d v a ( o p e n d e v i c e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n ) 是所有d e v i c e n e t 产品开发者的组织， 它成立于1 9 9 5 年，并获得了r o c k w e l l 自动化公司所有知识产权的转让。该组织按照公 司的原则进行运作，并确保所有成员都有同等的发言权。它负责d e v i c e n e t 标准的制定 和更新。此外，o d v a 还致力于d e v i c e n e t 在全球的推广和市场化。 开发基于d e v i c e n e t 的产品必须遵循d e v i c e n e t 规范。d e v i c e n e t 规范分v o l u m ei 、 v o l u m ei i 两部分。用户可以从o d v a 协会寻找关于d e v i c e n e t 开发源代码的信息；基于 c a n b u s 的硬件则可以从p h i l p s 、i n t e l 等半导体供货商那里获得。 2 0 0 2 年1 0 月8 同d e v i c e n e t 现场总线成为我国的国家标准g b t 1 8 8 5 8 2 _ 2 0 0 2 f 低 压开关设备和控制设备控制器一接口( c d i ) 第3 部分：d e v i c e n e t ) ) ) ，并于2 0 0 3 年4 月1 日开始实施。 3 1d e v i c e n e t 协议规范概述 d e v i c e n e t 协议是一个简单、廉价而且高效的协议，适用于最低层的现场总线，例 如：过程传感器、执行器、阀组、电动机起动器、条形码读取器、变频驱动器、面板显 示器、操作员接口和其他控制单元的网络。可通过d e v i c e n e t 连接的设备包括从简单的 挡光板到复杂的真空泵各种半导体产品。d e v i c e n e t 也是一种串行通信链接，可以减少 昂贵的硬接线。d e v i c e n e t 所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提 供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线i o 接口很难实现的。 在r o c k w e l l 提出的三层网络结构中，d e v i c e n e t 处于工业控制网络的最底层，即设 备层，如图3 1 所示o 1 4 k 安人学硕i j 学位论文 图3 1r o c k w e l l 的三层网络结构 在工业控制网络的底层，传输的数据量小，节点功能相对简单，但节点的数量大要 求网络节点费用低。d e v i c e n e t 正是满足了这些要求，从而在离散控制领域占有一席之 地。 d e v i c e n e t 采用生产者消费者的通信模式，其报文格式如表3 1 所示。 表3 1生产者消费者的通信模式 厂1 顶石厂_ 薮西t 丽f d e v i c e n e t 采用了i s o o s i 参考模型中的物理层、数据链路层和应用层，物理层下 面还定义了传输的介质。其通信模型如图3 2 所示。 i s o 应用影 应用层 应用层协议 ( 层7 ) i s o 数据链路层 逻辑链路控制( l l c ) ( f - 葚- 2 ) 、媒体介质访问控制( m a c ) c a n 协议规范 i s o 物理层 物理层信号( p l s ) ( 层1 ) 媒体访问单元( m a u ) d c v i c e n e t i s o 介质层 物理层和介质j 否历弋 传输介质 图3 2d e v i c e n e t 通信模型 d e v i c e n e t 所采用的典型拓扑结构是干线一分支方式，如图3 3 所示。 1 5 第三章d e v i c e n e t 协议规范 - 一 一一一一一 - 一一一- - 一dc2 4 v 终端电阻 分支分支i 电源j 分支 终端t 乜阻 一 ，- 一一、， 厂一一一一一一一 ，黑；赧jl 卤粤警徽 、 嵩f 7 两萄( 雨赢j 产粤! 蠹 向圈 两。徽 。镛液，、一7 m t 。丽枥n l c j 节点分支、，r 、树形分支， c 芗书点分支， c 。菊茏硅。) 图3 3d e v i c e n e t 现场总线拓扑结构 d e v i c e n e t 特点和功能如表3 2 所示。 表3 2d e v i c e n e t 的特点和功能 最人节点数最多6 4 个节点 支线长度 波特率干线距离 最大值累积值 网络k 度 12 5 k b i t s5 0 0 m 6 m1 5 6 m 2 5 0 k b i t s2 5 0 m6 m7 8 m 5 0 0 k b i t s 1 0 0 m6 m3 9 m 数据包 0 - 8 b 总线拓扑结构线性( 干线支线) ；电源和信号在同一电缆中 总线寻址带多点传送的( 一对多) 的点对点；多主站和主从；轮寻或状态改变 系统特性 支持设备的热拔插，无需网络断电 3 2d e v i c e n e t 的物理层 d e v i c e n e t 物理层主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接。传输 介质为5 芯同轴电缆，主干网长度最大5 0 0 m ，支线网络长度最大6 m 。其中一对用于 2 4 v d c 电源，一对用于c a n 通信( c a nh ，c a nl ) ，一根信号屏蔽线( s h i e l d ) 。 d e v i c e n e t 物理层由收发器、连接器、误接线保护电路、调压器和光耦组成，如图 3 4 所示。 电源分接头可加在网络的任何一点，还可以实现多电源的冗余供点。干线的额定电 流为8 a 。光电隔离设计允许外部供电的设备分享同一总线电缆，而其他基于c a n 的网 络只允许整个网络由一个电源供电。 d e v i c e n e t 可以使用几种不同类型的连接器，如开放式和密封式的连接器，还可以 使用大尺寸( 小型) 和小尺寸( 微型) 的可插式连接器。对不要求使用密封式连接器的 产品，可以使用开放式连接器。如果不要求可插式连接器，可以用螺丝或压接式连接直 接连接全0 电缆上。 1 6 k 安大学硕i j 学位论文 s h i e l d c a nh c a nl i 网络 i 电源i v + v - 图3 4d e v i c e n e t 物理层构成示意图 尽管d e v i c e n e t 不要求产品有状态指示器，但产品若带有状态指示器，则必须遵循 d e v i c e n e t 规范。d e v i c e n e t 规范