基于ETC门架系统的公路隧道智能照明控制系统及方法与流程

本发明属于隧道智能照明控制技术领域，具体涉及一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统及方法。

背景技术：

由于明洞和暗洞效应，对隧道行车安全造成了很大影响。高速公路隧道照明系统是在隧道内设置照明灯具，实现隧道内外亮度变化的平缓过渡，满足行车安全性的要求。高速公路隧道照明系统会消耗大量的电能，照明系统负荷达到隧道运营总用电负荷的10％以上，运营费用居高不下。如何在保证隧道内亮度满足行车安全要求的情况下，有效降低隧道照明系统的用电量，具有重要意义。

现有技术中，隧道内照明系统灯具开启关闭主要依靠运营管理人员根据视频或环境检测系统进行人工干预完成，运营管理工作量大、管理粗放，已无法满足人们的需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统，包括：etc门架系统、obu卡、分中心、服务器、防火墙、智能照明控制模块、隧道内亮度检测系统和洞外亮度检测仪；

etc门架系统位于隧道入口的前方，etc门架系统距离隧道入口的距离为l0km；etc门架系统配置安装obu卡；etc门架系统通过网络与分中心连接；分中心通过网络安全设备与服务器连接；

在隧道内布置若干台灯具以及隧道亮度检测系统；在隧道洞口外面安装洞外亮度检测仪；隧道亮度检测系统的输出端以及洞外亮度检测仪的输出端均与智能照明控制模块的输入端连接；智能照明控制模块的输出端与各台灯具的控制端连接；智能照明控制模块还通过防火墙与服务器连接。

本发明还提供一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，etc门架系统通过obu卡实时采集通过车辆的车辆通行信息；其中，所述车辆通行信息包括车辆通过etc门架系统的时间点t1、车辆行驶信息以及车辆基本信息；

每隔预定时间间隔δt1，etc门架系统将δt1时间间隔内采集到的所有车辆通行信息汇总形成车辆通行数据表，然后，实时将所述车辆通行数据表发送给分中心；

步骤2，分中心实时将接收到的所述车辆通行数据表通过网络安全设备上传至服务器；

步骤3，智能照明控制模块通过防火墙从所述服务器实时读取到所述车辆通行数据表；

步骤4，智能照明控制模块预存储隧道基本数据，并对所述车辆通行数据表进行分析，再结合洞外亮度检测仪检测到的洞外实时亮度，预测到满足车辆通行时隧道不同照明区段需要达到的目标亮度值；

步骤5，智能照明控制模块预先存储隧道内每盏灯具的布置位置信息；智能照明控制模块根据隧道内外亮度检测系统，实时获取到洞口及隧道不同位置点的隧道实时亮度值；

智能照明控制模块比较所述隧道实时亮度值以及步骤4确定的隧道不同区段需要达到的目标亮度值，再以灯具的运行时间尽量小为参考，确定需要调节的灯具位置以及灯具亮度；灯具可通过无级调光系统进行亮度调节；

步骤6，智能照明控制模块在达到灯具控制时间点时，调节不同照明区段的灯具亮度；然后，智能照明控制模块通过隧道内亮度检测系统得到隧道实时亮度值，判断隧道实时亮度值是否达到目标亮度值，如果达到，则不动作；如果未达到，根据隧道实时目标亮度值与目标亮度值的差值，进一步确定需要调节亮度的灯具位置，并控制相应位置灯具的亮度，从而根据隧道内亮度检测系统的反馈数据，对开启的灯具位置、数量和亮度进行调整，满足目标亮度值的要求；

步骤7，然后，返回步骤1，进入下一周期的循环检测与控制过程。

优选的，步骤4具体为：

步骤4.1，etc门架系统距离隧道入口的距离为l0km；

智能照明控制模块对每台车辆对应的车辆通行信息进行分析，得到车辆通过etc门架系统的时间点t1以及车辆通过etc门架系统的车速v1，假设车辆从etc门架系统到隧道入口以车速v1匀速行驶，因此，通过下式得到车辆到达隧道入口的时间点t2：

t2＝t1+l0/v1(1)

因此，假设本次车辆通行数据表中共有n台车辆，每台车辆均对应车辆到达隧道入口的时间点t2，共得到n个时间点t2，取n个时间点t2的最小值，记为：t2min；预设置安全冗余时间δt，令t0＝t2min-δt，t0为对灯具进行控制的时间点；

步骤4.2，智能照明控制模块对本次车辆通行数据表进行分析，得到交通量预测值x；

步骤4.3，智能照明控制模块根据交通量预测值，根据下式得到入口段折减系数k：

式中：

a为预设定的交通量上限值；

b为预设定的交通量下限值；

x为交通量预测值；

n为实际车道数；

步骤4.4，按行车方向从前向后，将隧道依次划分为第一入口段、第二入口段、第一过渡段、第二过渡段、第三过渡段、基本段、第一出口段和第二出口段；通过以下方式，确定各区段的长度；

1)根据下式确定第一入口段和第二入口段的长度：

式中：

dth1为第一入口段的长度；

dth2为第二入口段的长度；

ds为照明停车视距，根据隧道长度和设计速度确定；

h为洞口内净空高度；

2)根据下式确定第一过渡段、第二过渡段和第三过渡段的长度：

dtr1＝26+1.3875(v-40)(4)

dtr2＝44+1.1125(v-40)(5)

dtr3＝67+1.6625(v-40)(6)

式中：

dtr1为第一过渡段的长度；

dtr2为第二过渡段的长度；

dtr3为第三过渡段的长度；

v为本次车辆通行数据表中各车辆通过etc门架系统的车速的平均值；

3)根据设计要求，确定基本段的长度din、第一出口段的长度dex1和第二出口段的长度dex2；

步骤4.5，通过以下方式，确定各区段需要达到的目标亮度值；

1)根据下式确定第一入口段和第二入口段的目标亮度值：

lth1＝k·l20(s)(7)

lth2＝0.5·k·l20(s)(8)

式中：

lth1为第一入口段的目标亮度值；

lth2为第二入口段的目标亮度值；

l20(s)为隧道洞外亮度；

2)根据下式确定第一过渡段、第二过渡段和第三过渡段的目标亮度值：

ltr1＝0.15·lth1(9)

ltr2＝0.05·lth1(10)

ltr3＝0.02·lth1(11)

式中：

ltr1为第一过渡段的目标亮度值；

ltr2为第二过渡段的目标亮度值；

ltr3为第三过渡段的目标亮度值；

3)根据隧道设计要求，确定基本段的目标亮度值lin；

4)根据下式确定第一出口段和第二出口段的目标亮度值：

lex1＝3·lin(12)

lex2＝5·lin(13)

式中：

lex1为第一出口段的目标亮度值；

lex2为第二出口段的目标亮度值。

本发明提供的基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统及方法具有以下优点：

实时采集即将通过隧道的车辆通行信息，包括车流量、车速等，精准预测即将进入隧道的车流量，对隧道不同区段所需目标照明亮度进行精准判断；再与隧道照明智能控制模块形成智能控制，即：真正意义耦合了车流量、车速、洞口亮度、照明灯具等信息，通过智能判断达到按需照明的目的，降低隧道运营能耗。

附图说明

图1为本发明提供的基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制方法的流程示意图；

图2为本发明提供的隧道区段划分方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统，解决了隧道照明系统与洞外亮度、车流量、车速的智能匹配关系，达到了按需照明的目的，降低了隧道运营能耗。

具体的，本发明提供一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统，通过在隧道入口前设置的etc门架系统进行车流量、车速等车辆通行信息的采集，将采集到的车辆通行信息传输到智能照明控制模块，智能照明控制模块根据未来一段时间的车辆通行信息，再结合洞外亮度检测仪检测的洞外亮度数据，，对隧道内入口段、过渡段、基本段、出口段的所需的目标亮度进行实时精准预测，结合隧道内照明灯具的布设方案，对隧道内灯具进行精确控制，达到按需照明的目的，在满足隧道内运营环境的相关照明要求的前提下，降低隧道运营能耗。

本发明提供一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统，包括：etc门架系统、obu卡、分中心、服务器、防火墙、智能照明控制模块、隧道内亮度检测系统和洞外亮度检测仪；

etc门架系统位于隧道入口的前方，etc门架系统距离隧道入口的距离为l0km；etc门架系统配置安装obu卡；etc门架系统通过网络与分中心连接；分中心通过网络安全设备与服务器连接；

在隧道内布置若干台灯具以及隧道亮度检测系统；在隧道洞口外面安装洞外亮度检测仪；隧道亮度检测系统的输出端以及洞外亮度检测仪的输出端均与智能照明控制模块的输入端连接；智能照明控制模块的输出端与各台灯具的控制端连接；智能照明控制模块还通过防火墙与服务器连接。

因此，etc门架系统用于实时采集车辆通行信息，包括车辆类型、车速、通过时间等数据，并将车辆通行信息通过分中心上传给服务器。

智能照明控制模块预存储隧道基本参数，包括隧道长度、路面材料、照明分段设置方式、灯具设置位置、灯具功率等基本数据，通过采集到的车辆通行信息，对隧道不同区域的目标亮度进行实时精准预测，并可计算得到车辆到达隧道的时间，与安全冗余度相减后，得到灯具控制的启动时间；再通过比较隧道不同区域的目标亮度与当前实际亮度进行比对，可得到对灯具的控制策略，包括灯具的控制数量及位置，满足车辆达到隧道后，隧道内满足照明舒适性、安全性的相关要求，并通过隧道内设置的亮度检测仪的反馈数据对其进行调整。

本发明还提供一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统的方法，适应于隧道前方一定距离设置有etc门架系统，设置有完善的隧道内亮度检测系统和洞外亮度检测仪，通过开发相应的智能照明控制模块，将实时交通量数据、隧道内外的亮度数据以及灯具开启之间进行智能耦合计算，从而实现隧道智能照明的目的。

本发明通过利用高速公路设置的etc门架系统对进入隧道的车辆进行精准数据采集，并结合隧道基本参数、洞外亮度和隧道内亮度检测器的反馈数据，通过智能照明控制模块实现对隧道照明灯具开启位置、数量和亮度的智能化控制，达到按需照明的目的，实现隧道照明系统的节能减排。

参考图1，基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制方法，包括以下步骤：

步骤1，etc门架系统通过obu卡实时采集通过车辆的车辆通行信息；其中，所述车辆通行信息包括车辆通过etc门架系统的时间点t1、车辆行驶信息以及车辆基本信息；

具体实现上，etc门架系统通过车载obu卡，例如车牌抓拍摄像机等，完成车辆通行信息的采集，作为隧道照明控制的关键参数。

实际应用中，车牌抓拍摄像机完成对车速的采集计算后，作为车辆到达隧道前的平均车速，沿途其他设备可以完成对车速的校正，作为隧道照明的控制性参数。

采集的相关信息通过网络安全的相关措施，到达服务器，智能照明控制模块通过防火墙调用服务器的相关数据完成实时数据的采集。

每隔预定时间间隔δt1，etc门架系统将δt1时间间隔内采集到的所有车辆通行信息汇总形成车辆通行数据表，然后，实时将所述车辆通行数据表发送给分中心；

步骤2，分中心实时将接收到的所述车辆通行数据表通过网络安全设备上传至服务器；

步骤3，智能照明控制模块通过防火墙从所述服务器实时读取到所述车辆通行数据表；

步骤4，智能照明控制模块预存储隧道基本数据，并对所述车辆通行数据表进行分析，再结合洞外亮度检测仪检测到的洞外实时亮度，预测到满足车辆通行时隧道不同照明区段需要达到的目标亮度值；

具体的，智能照明控制模块根据预先存储的隧道长度、照明分段设置方式、灯具设置位置、灯具功率等基本数据等基础数据，通过实时采集的相关数据(车流量、车速、洞外亮度等)，得出需要开启的灯具数量、灯具位置和灯具亮度的调节，实现对灯具的精准控制，满足车辆达到隧道后，隧道内满足隧道运营环境舒适性、安全性的相关要求。

步骤4具体为：

步骤4.1，etc门架系统距离隧道入口的距离为l0km；

智能照明控制模块对每台车辆对应的车辆通行信息进行分析，得到车辆通过etc门架系统的时间点t1以及车辆通过etc门架系统的车速v1，假设车辆从etc门架系统到隧道入口以车速v1匀速行驶，因此，通过下式得到车辆到达隧道入口的时间点t2：

t2＝t1+l0/v1(1)

因此，假设本次车辆通行数据表中共有n台车辆，每台车辆均对应车辆到达隧道入口的时间点t2，共得到n个时间点t2，取n个时间点t2的最小值，记为：t2min；预设置安全冗余时间δt，令t0＝t2min-δt，t0为对灯具进行控制的时间点；

因此，本发明根据车辆车速、距离隧道的距离及安全冗余所需时间确定照明系统调整的时刻。

步骤4.2，智能照明控制模块对本次车辆通行数据表进行分析，得到交通量预测值x；

步骤4.3，智能照明控制模块根据交通量预测值，根据下式得到入口段折减系数k：

式中：

a为预设定的交通量上限值；

b为预设定的交通量下限值；

x为交通量预测值；

n为实际车道数；

步骤4.4，参考图2，按行车方向从前向后，将隧道依次划分为第一入口段、第二入口段、第一过渡段、第二过渡段、第三过渡段、基本段、第一出口段和第二出口段；通过以下方式，确定各区段的长度；

1)根据下式确定第一入口段和第二入口段的长度：

式中：

dth1为第一入口段的长度；

dth2为第二入口段的长度；

ds为照明停车视距，根据隧道长度和设计速度确定；

h为洞口内净空高度；

2)根据下式确定第一过渡段、第二过渡段和第三过渡段的长度：

dtr1＝26+1.3875(v-40)(4)

dtr2＝44+1.1125(v-40)(5)

dtr3＝67+1.6625(v-40)(6)

式中：

dtr1为第一过渡段的长度；

dtr2为第二过渡段的长度；

dtr3为第三过渡段的长度；

v为本次车辆通行数据表中各车辆通过etc门架系统的车速的平均值；

3)根据设计要求，确定基本段的长度din、第一出口段的长度dex1和第二出口段的长度dex2；

步骤4.5，通过以下方式，确定各区段需要达到的目标亮度值；

1)根据下式确定第一入口段和第二入口段的目标亮度值：

lth1＝k·l20(s)(7)

lth2＝0.5·k·l20(s)(8)

式中：

lth1为第一入口段的目标亮度值；

lth2为第二入口段的目标亮度值；

l20(s)为隧道洞外亮度；

2)根据下式确定第一过渡段、第二过渡段和第三过渡段的目标亮度值：

ltr1＝0.15·lth1(9)

ltr2＝0.05·lth1(10)

ltr3＝0.02·lth1(11)

式中：

ltr1为第一过渡段的目标亮度值；

ltr2为第二过渡段的目标亮度值；

ltr3为第三过渡段的目标亮度值；

3)根据隧道设计要求，确定基本段的目标亮度值lin；

4)根据下式确定第一出口段和第二出口段的目标亮度值：

lex1＝3·lin(12)

lex2＝5·lin(13)

式中：

lex1为第一出口段的目标亮度值；

lex2为第二出口段的目标亮度值。

步骤5，智能照明控制模块预先存储隧道内每盏灯具的布置位置信息；智能照明控制模块根据隧道内外亮度检测系统，实时获取到洞口及隧道不同位置点的隧道实时亮度值；

智能照明控制模块比较所述隧道实时亮度值以及步骤4确定的隧道不同区段需要达到的目标亮度值，再以灯具的运行时间尽量小为参考，确定需要调节的灯具位置以及灯具亮度；灯具可通过无级调光系统进行亮度调节；

步骤6，智能照明控制模块在达到灯具控制时间点时，调节不同照明区段的灯具亮度；然后，智能照明控制模块通过隧道内亮度检测系统得到隧道实时亮度值，判断隧道实时亮度值是否达到目标亮度值，如果达到，则不动作；如果未达到，根据隧道实时目标亮度值与目标亮度值的差值，进一步确定需要调节亮度的灯具位置，并控制相应位置灯具的亮度，从而根据隧道内亮度检测系统的反馈数据，对开启的灯具位置、数量和亮度进行调整，满足目标亮度值的要求；

步骤7，然后，返回步骤1，进入下一周期的循环检测与控制过程。

在上述进行公路隧道智能照明控制的过程中，智能照明控制模块根据隧道入口前特定距离的etc门架系统，获得将来一小段时间内通过隧道的车流量和车速等车辆通行信息，从而实现对隧道内灯具的精准控制。实际应用中，还可以采用距离隧道入口更远位置的另一个etc门架系统，对智能照明控制模块的控制策略进行修正。具体的，假设距离隧道入口更远位置的另一个etc门架系统为etc门架系统m；etc门架系统m同样实时采集通过车辆的第一车辆通行信息，并传输给智能照明控制模块。智能照明控制模块根据第一车辆通行信息，如果预测到△t时间内(具体时间根据运营管理需求确定)进入隧道的车辆呈下降趋势，可次序关闭隧道内灯具，保证隧道基本段照明。

因此，可通过不同位置的多个门架系统进行组合使用，作为数据预测，对灯具的运行状态是否延续进行判断。

本发明通过利用高速公路设置的etc门架系统对进入隧道的车辆进行精准数据采集，并结合前期输入的隧道基本参数和隧道内外亮度数据的反馈数据，通过智能照明控制模块实现对隧道内灯具开启位置及数量的智能化控制，达到按需照明的目的，实现隧道照明系统的节能减排。是一种基于洞外亮度变化、隧道内通行车流量及车速精准预测及对灯具耦合控制的智能照明控制系统及设计方法，具有重要意义。

本发明提供的一种基于etc门架系统的公路隧道智能照明控制系统以及设计方法，适应于隧道前方一定距离设置有etc门架系统，设置有完善的亮度检测系统的隧道。通过开发相应的智能照明控制模块将实时交通量数据、亮度检测数据以及灯具开启之间进行智能耦合计算，从而实现隧道智能照明的目的。

本发明具体具有以下优点：

(1)实时采集即将通过隧道的车辆通行信息，包括车流量、车速等，精准预测即将进入隧道的车流量，对隧道不同区段所需目标照明亮度进行精准判断；再与隧道照明智能控制模块形成智能控制，即：真正意义耦合了车流量、车速、洞口亮度、照明灯具等信息，通过智能判断达到按需照明的目的，降低隧道运营能耗；

(2)利用既有的etc门架系统对车辆通行信息进行采集，车辆通行信息的采集更加准确，信息采集更加全面，拓展了高速公路数字的应用范围；

(3)降低了隧道运营管理人员的管理难度及运营管理的工作量，提高了隧道内的运营环境。

(4)对于车流量较少或者交通流不连续的隧道，基于隧道内交通流的精准预测，对灯具进行智能调控，大大降低照明能耗。

因此，本发明为公路隧道照明系统节能设计提供了一种新的设计思路和方案，工程造价更低、后期维护量更小、系统可靠性更高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。