A “vehicle in, light brightens; vehicle out, light darkens” energy-saving control system of highway tunnel lighting
Li Qin a, Lili Dong a, Wenhai Xu a, Lidong Zhang b, Qiubo Yan c, Xiaodong Chen c
a School of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China
b High Grade Highway Construction Authority of Jilin Province, Jilin 130012, China
c Transport Science Institute of Jilin Province, Jilin 130012, China
A R T I C L E I N F O
Keywords: Tunnel lighting Energy-saving Environment luminance Demand luminance
ABSTRACT
In order to meet the requirements of traffic safety and energy-saving in tunnel, a “vehicle in, light brightens; vehicle out, light darkens” energy-saving control system is proposed. The tunnel lighting control system is designed based on “Guidelines for Design of Lighting of Highway Tunnels (China)” (JTG/T D70/2-01-2014). Firstly, when the approach of a vehicle is detected by the vehicle detectors, the demand luminance of tunnel interior is calculated based on changes of tunnel exterior environmental luminance, traffic volume and vehicle speeds. Then the actual luminance is calculated based on road surveillance images, the incremental PID (Proportional-Integral-Derivative) method was adopted to ensure the actual luminance meet the requirements of tunnel lighting. Further, when there are no vehicles in tunnel, the LEDs will be adjusted to their minimum luminance for energy-saving. The operation results show the tunnel lighting control system contributes to reduce electric energy consumption.
1. Introduction
Tunnels are the important sections of highways, and they have the special lighting circumstance. When the drivers arrive from the external environment to the tunnel, an alternate changing process of “bright-dark-bright” can be caused, and the “black hole effect” (Beka, 2005) and “white hole effect” (during the day, when drivers are close to tunnel exit, the tunnel exit appears to be a bright hole because of the high luminance of the tunnel exterior (Qin et al., 2015; Li, 2015), we call this phenomenon “white hole effect”) phenomenon can be generated, these changing process and phenomenon may directly affect driving safety (Roberts et al., 2016; Yeung and Wong, 2014). Tunnel lighting is essential for the normal operation of road tunnels, and its main objective is to create a favorable visual environment for drivers and to ensure visibility for the sight stopping distance.
In the special environments of tunnels, tunnel luminaries must be lit in order to ensure the driving safety. And in the central and western regions of China, most tunnel lighting systems have a low traffic flow, especially at night till midnight. However, the lighting in tunnels operates continuously (24 h a day and 365 days a year) (Gil-Martiacute;n et al., 2014) regardless of the existence of vehicles in the tunnel, which can cause the high lighting energy consumption. How to balance operating costs and the tunnel lighting is a highlight issue that the transportation department has to be concerned with.
In this paper, we propose a “vehicle in, light brightens; vehicle out, light darkens” energy-saving control system that ensures traffic safety and saves the energy of tunnel lighting significantly.
2. Lighting literature review
In order to reduce energy consumption and related costs in road tunnels, various technologies and methods are proposed by many researchers around the world. Methods can be divided into several categories as listed below.
The first category means using sunlight via shift of the threshold zone out of the tunnel. Pentilde;a-Garciacute;a and Gil-Martiacute;n (2013) set a pergola just before the portal gate of the road tunnel. Gil-Martiacute;n et al.(2011) placed a semi-transparent tension structure just before the entrance of the tunnel allowing natural light to pass. Pentilde;a-Garciacute;a et al. (2010 and 2011) provided an optimization model of tension structure in terms of light distribution. Gil-Martiacute;n et al.(2015) proposed a new method introducing a diffuser material in the space between beams of the pergola to save energy in the electrical lighting. Abdul Salam and Mezher(2014) introduced a construction method to reduce the sunlight levels at tunnel portals using shading structures. Drakou et al. (2015) placed a daylight “filter” structure before the tunnelrsquo;s portal to reduce the energy consumption.
The second category means decreasing the lighting level requests. Pentilde;a-Garciacute;a et al. (2015) presented the method to decrease the L20 (which determines the lighting requirements in tunnel) by means of planting the climb plants on the surroundings of the tunnel portal gate, achieve the lowest consumption from the lighting installation. Salata et al. (2015) used a new type of special asphalt (with a higher reflection coefficient) for road paving than other ordinary asphalts. The higher reflection coefficients ensures the same lighting results on the usable surfaces while using lower luminous flux systems, consuming less electric energy.
The third category is introducing sunlight as light source inside tunnel. Qin et al. (2015) introduced sunlight inside the tunnels. The system used the optical fiber lighting for enhanced lighting in highway tunnel, which can significantly reduce the energy consumption of tunnel lighting, environmental pollution and the maintenance costs of lighting facilities. Besides, Lu et al. (2015) used solar LED lighting for tunnel basic lighting and emergency lighting. However, the solar tracking device and optical fiber lighting system were relatively expensive, which were the major reasons affecting the application and popularization of the solar energy lighting system.
Another category is using the latest highly efficient light sources and adjusting the luminance of
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公路隧道照明“车入光亮;车出光暗”控制系统
李勤a，冬莉莉a,徐文海a,张莉东b，邱秋波c，陈晓东c
a大连海事大学信息科学与技术学院，大连116026b
b吉林省高级公路建设管理局，吉林吉林130012c
c吉林省交通科学研究院，吉林吉林130012
文章信息
关键词:隧道照明 节能 环境亮度 需求亮度
摘要
为了满足隧道交通安全和节能的要求，我们提出一种“车入，灯亮;车出，灯暗'的节能控制系统。隧道照明控制系统是根据《中国公路隧道照明设计指南》(JTG/ T D70 / 2-01-2014)设计的。首先，当通过车辆检测器检测到车辆的接近时，基于隧道外部环境亮度、交通量和车速的变化来计算隧道内部的需求亮度。然后根据道路监控图像计算出实际亮度，采用增量PID (比例-积分微分)方法来确保实际亮度满足隧道照明的要求。此外，当隧道中没有车辆时，LED将被调整到其最小亮度以进行节能。运行结果表明，隧道照明控制系统有助于降低电能消耗。
一、简介
隧道是高速公路的重要路段，具有特殊的照明环境。当驾驶员从外部环境到达隧道时，可能会导致“亮-暗-亮'交替变化，而“黑洞效应”（Beka,2005）和“白洞效应”（白天），当驾驶员靠近隧道出口时，由于隧道外部的高亮度，隧道出口似乎是一个亮洞（Qin等人，2015；Li，2015），我们将此现象称为“白洞效应”现象可能产生，这些变化的过程和现象可能直接影响行车安全（Roberts等，2016；Yeung和Wong，2014）。隧道照明对于公路隧道的正常运行至关重要，其主要目的是为驾驶员创造良好的视觉环境，并确保视线停驶距离的可见性。
在特殊的隧道环境中，为了保证行车安全，必须对隧道灯具进行照明。在中国的中西部地区，大多数隧道照明系统的交通流量都很低，尤其是在晚上到午夜。但是，无论隧道中是否存在车辆，隧道中的照明均连续运行（每年24公顷，一年365天）（Gil-Martin等，2014），这可能会导致照明能耗高。如何在运营成本和隧道照明之间取得平衡是运输部门必须关注的重要问题。
在本文中，我们提出了“车辆进入，灯光变亮；车辆驶出，灯光变暗”节能控制系统，可确保交通安全并显着节省隧道照明的能源。
二、照明文献综述
为了减少公路隧道的能耗和相关成本，世界上许多研究人员提出了各种技术和方法。方法可以分为以下几类。
第一类方法是指通过将闽值区域移出隧道来利用阳光。Pentilde;a-Garciacute;a和Gil-Martiacute;n（2013）在公路隧道的入口门前设置了凉棚。Gil-Martiacute;n等人（2011年）在隧道入口之前放置了一个半透明的张力结构，以允许自然光通过。Pentilde;a-Garciacute;a等人（2010）Pentilde;a-Garciacute;a等人（2011）提供了一种基于光分布的张力结构优化模型。Gil-Martiacute;n等人（2015）提出了一种在凉棚梁之间的空间中引入扩散材料的新方法，以节省电气照明中的能量。阿卜杜勒·萨拉姆（Abdul Salam）和梅泽（Mezher）（2014）介绍了一种使用遮阳结构降低隧道入口日照水平的施工方法。Drakou等人（2015年）在隧道的入口前放置了日光“过滤器”结构，以减少能耗。
第二类方法是指降低照明水平要求。Pena-Garcla等人(2015)提出了一种方法，通过在隧道入口门的周围种植攀缘植物来降低L20（这决定了隧道的照明要求），从而实现了照明设备的最低能耗。Salata等人（2015）使用一种新型的特殊沥青（具有更高的反射系数）进行铺路，比其他普通沥青要多。较高的反射系数可确保在可用表面上获得相同的照明效果，同时使用较低的光通量系统，从而消耗较少的电能。
第三类方法是在隧道内引入阳光作为光源。秦等人在隧道内引入了阳光。该系统采用光纤照明来增强公路隧道的照明效果，可以大大降低隧道照明的能耗，环境污染和照明设施的维护成本。此外,Lu等人将太阳能LED照明用于隧道基本照明和应急照明。但是，太阳能跟踪装置和光纤照明系统比较昂贵，这是影响太阳能照明系统的应用和普及的主要原因。
另一类方法是使用最新的高效光源，并通过智能控制系统调整隧道照明器的亮度。该方法可以根据需要提供隧道内部的亮度并且避免浪费能量。由于智能调光系统已用于隧道照明中，因此隧道照明控制方法可分为两类:一类是逻辑开关控制方法(其中，隧道照明器的不同组合和排列用于实现所需的照明亮度及其控制方法)。优点是灵活的灯具选择，易于维护和简单的电路设计，但是其亮度均匀性不够好，并且隧道内部的亮度无法与外部亮度一起调节，这是当前大多数隧道照明控制系统（Guo和Lang采用的，2009）；隧道照明的另一种控制方法是无级控制方法（该方法可以基于调光控制器实现隧道照明亮度的连续调节，并且是考虑到节能的理想控制模型。因此，隧道内部的亮度可以随着外部照度，交通量和车辆的变化而动态变化。）。隧道照明旨在确保驾驶员在白天和黑夜条件下的安全和舒适，它也是隧道工程中最大的能耗部分：采用各种技术和方法来减少公路隧道的能耗。
永井等人（2005）和Huang和Luo（2006）使用手动和顺序控制方法来控制道路隧道照明系统，以最大程度地减少电耗。但是，先前的研究中，当有车辆通过隧道时，系统仍会以100％的亮度打开隧道照明器。
Carni等人（2013）提出了一种智能控制，可以根据外部亮度，气候条件和交通强度的输入信号来自动操作和调整照明系统发出的光束。但是，该方法并未在实际的隧道中实施以分析节能效果。Yang和Wang（2010）从隧道灯具的布置，隧道灯具的选择，照明控制方法和照明系统维护等方面介绍了隧道节能技术，并介绍了几种智能控制方法来节约隧道照明系统的能源。但是，这些方法尚未在实际隧道中部署以显示任何实际限制。
Li（2015）提出了一种非线性隧道照明最优控制模型，该模型考虑了交通安全和节能问题，并满足了需求亮度，总平均亮度和最小调光比约束。Zeng等人（2011）设计了一种隧道照明能量控制系统的模糊控制算法，结果表明节能系统为交通安全提供了足够的照明水平。Yang等人（2011年）采用模糊方法设计了隧道照明控制系统，以隧道外部环境亮度，交通量和车速信息为输入，建立了模糊照明系统，结果表明该模糊系统具有显着的节能效果和良好的适应性。但是，以前的研究没有考虑到在隧道中没有车辆时使隧道灯具变暗，这可以有效地消除过多的照明以减少能源使用，尤其是对于低流量的隧道。
最近，人们对LED灯的极大兴趣引起了隧道中新的照明系统的兴起。LED是一种新型的绿色照明光源，它需要较少的维护，为驱动器提供高亮度，具有较高的显色指数，启动速度更快，为驱动器提供更好的安全感，使用较少的能量并且可以连续调节LED电流（He等人，2010，Mao等人，2008）。然而，存在关于在阈值区域中使用LED的持久争议，因为在阈值区域中的照明器的数量（其所需的亮度值与外部环境亮度直接相关）将是巨大的。为了避免在阈值区域中使用过多的LED，许多研究人员使用了高压钠灯和LED的混合物（Salata等人，2015年），导致照明颜色奇怪的问题。尽管LED器件比高压钠灯昂贵，会导致安装成本的增加，但由于其较低的管理成本，也会减少资金的投入。此外，在隧道中使用LED照明装置将使驾驶员对隧道的对准有直观的了解，从而使驾驶员更加舒适。此外，LED灯具将增加迎面而来的车辆之间的安全距离（Floslash;和Jenssen，2007）。在当前情况下，尽管存在高压钠灯和LED的混合使用，并且仅存在用于道路隧道的阈值区域中的LED。由于它的很多优点，中国很多公路隧道都采用LED作为隧道照明光源。
三、材料和方法
3.1 隧道照明控制系统的结构
隧道照明控制系统的结构框图如图1所示。控制系统分为三层：数据处理和显示层，数据通信层和数据采集层。第一层是数据处理和显示层，包括照明控制软件，用于计算隧道各部分的需求亮度，向LED调光控制器发送调光命令，以调整LED灯具的输出功率，实现照明电量统计，显示隧道各段的照明条件，并实施灯具的维护管理。第二层是数据通信层，由本地和远程光收发器组成并将从探测器收集的数据传递到照明控制软件，然后通过RS-485总线将控制命令发送到LED调光控制器。第三层是数据采集层，实现数据采集，通过设置在隧道入口或内部的车辆检测器，亮度计和监视摄像机直接收集交通速度，交通量，外部亮度和监视图像信息。通过LED调光控制器进行LED灯具的功率的调节。
3.2 隧道硬件系统的结构
就我们提出的“车入，灯亮；车出，灯暗”节能隧道照明控制系统，以吉林省通化市的赤白隧道（右洞）为例。图2 给出了隧道照明控制系统的硬件布局图。硬件系统主要包括车辆检测器，亮度计，监控摄像机（C1，C2，hellip;hellip;，CN），LED调光控制器（DC1，DC2，hellip;hellip;，DCN），光纤网络，照明控制软件和操作的控制服务器在隧道运营监控中心。车辆检测器安装在距隧道入口约425m 处，用于检测车辆是否即将进入隧道、交通流量、车辆速度。车辆检测器位置的确定考虑了两个因素：一个是在从检测到车辆到所有照明灯最后点亮的时间间隔内车辆行驶的距离（称为此距离D1）；另一个是所有照明灯都亮起时车辆与隧道入口之间的距离，避免引起视觉不适问题（将此距离称为D2）。D1由最大行驶速度（几百辆车在赤柏隧道中的速度可能超过130 km/h，但都小于150km/h）和时间间隔（从赤白隧道开始的3s秒），从车辆到所有照明器的亮度调节过程最终点亮，即125m（3stimes;150km/h）。D2由实验确定，约为200-400m。采用距入口安全停止距离，离地面1.5 m的亮度计测量外部亮度，并且可以连续监控以隧道门为中心的20°角范围内的平均亮度。监控摄像头以120m的间隔放置在隧道右墙上方3.5 m以获得道路和过往车辆的最佳视野。监控摄像机捕获的视频图像信号用于检测隧道中的车辆并计算路面的平均亮度（Rios-Cabrera等人，2012；Castaneda等人，2011）。此外，隧道照明控制软件在控制服务器中运行，旨在通过光网络向LED调光控制器发送控制命令，通过接收到的命令调整LED灯具的功率，从而实现隧道照明的持续调光。（Fan等人，2010）
3.3 照明控制系统的操作机构
图3给出了车辆即将进入隧道时的系统操作机制。当车辆检测器检测到车辆接近时，照明控制服务器将根据车辆收集的信息和亮度计来计算隧道中每个路段的需求亮度，然后基于监视摄像机捕获的监视图像来计算路面的实际亮度。另外，PID调节控制模块分析需求亮度和实际亮度信息，以对LED灯具的功率进行无级亮度控制。
图4显示了隧道中没有车辆时的系统操作机制。根据放置在隧道上的监控摄像头捕获的监控图像在隧道中未检测到车辆的同时，在没有车辆将要进入隧道的情况下，即车辆检测器没有检测到车辆。将LED调整到其最小亮度，即最大亮度的10％。
3.3.1 隧道内部的需求亮度
为了确保车辆交通以最舒适、最安全的方式穿越隧道（Salata等人，2015），隧道内亮度的适应曲线如图5所示。JTG（2014）和CIE Publ.88（2004）将隧道的纵断面分为五个区域，具有五个不同的需求亮度等级（图5）（Moretti等人，2016）。
隧道长度和室内亮度的计算必须符合国家隧道照明标准。虽然不同国家/地区之间的国家标准略有不同，但是大多数标准都是由CIE Publ.88（2004）建立的。作为参考，本文各部分的亮度计算均基于中国的隧道照明设计标准（JTG，2014年）。中国的隧道照明设计规范是根据工程经验和科研成果制定的，并考虑了中国隧道运营的现状，借鉴了其他国家的有关规定。JTG（2014）与CIE Publ.88（2004）略有不同，但JTG（2014）中的许多规定都引用了CIE Publ.88（2004）。过渡区分为三个部分，每个部分的相应亮度参考CIE Publ.88（2004）的自适应曲线。出口区域2的亮度也参考CIE Publ.88（2004）的相关规定。但是，CIE Publ.88（2004）和JTG（2014）之间存在一些差异。例如，JTG（2014）将阈值区和出口区分为两个部分，而CIE Publ.88（2004）中将其分为一个部分。亮度折扣系数值（L20/Lth1阈值区1的），内部亮度，出口区1的亮度以及关于每个部分的隧道长度的计算也不同。可以在JTG（2014）和CIE Publ.88（2004）中找到更多详细信息。
根据JTG（2014），Fan和Li（2011）中的数据，使用MATLAB通过线性回归，得出了每个路段的白天亮度计算公式。表1示出了隧道内的亮度。
在表1中，L20是实时外部环境亮度（cd/msup2;），它是聚焦在20°角圆锥形孔中并向前看隧道开口中心点的平均亮度值（JTG，2014年；阿卜杜勒·萨拉姆和梅泽尔，2014年）。v是车速（km/h），N是交通量（veh/(h·ln)）。
但是，夜间隧道中的亮度没有变化。并且隧道中的夜间亮度无需计算。如果隧道位于照明路段上，则隧道内的亮度应至少等于该水平。如果隧道是未照明道路的一部分，则内部的平均路面亮度不得低于1cd /msup2;（JTG，2014年）。
3.3.2 基于监控图像的车辆检测
及时准确地检测隧道内的车辆，是隧道照明节能系统稳定运行的保证。由于监视摄像机安装在隧道中的固定位置，并且隧道内部道路表面的亮度很少受到室外环境的影响。因此，我们提出了一种基于背景减法结合边缘检测，图像分块和阈值检测方法的隧道车辆检测算法。
隧道中车辆检测的过程可以简要描述如下（图6）：
步骤1：在程序运行之前，获取没有车辆的不同照明亮度下的图像作为背景图像。并在24小时内以各种照明亮度级别将监控摄像机捕获的图像作为实时图像。然后，在运行程序的过程中，每当照
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