公路隧道照明节能控制软件设计及实现_硕士学位论文

硕士学位论文公路隧道照明节能控制软件设计及实现导师姓名职称申请学位级别学科专业名称论文提交日期论文答辩日期学位授予单位THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFHIGHWAYTUNNELLIGHTINGENERGYSAVINGCONTROLSOFTWAREADISSERTATIONSUBMITTEDFORTHEDEGREEOFMASTERCANDIDATEZHENGCHANGKESUPERVISORPROFLISHUGUANGCHANGANUNIVERSITY,XIAN,CHINA摘要公路隧道在运营时能耗较大，高昂的照明费用给公路隧道运营单位造成沉重的经济负担。现阶段大部分公路隧道照明系统对隧道照明灯具采用分级调光控制模式，即通过控制开关照明回路来实现隧道内照明亮度的调节。这种调光模式容易造成隧道内道路亮度不均匀，影响驾驶员视觉，给行车安全造成一定的隐患。本文设计了一款公路隧道照明节能控制软件，该软件基于隧道照明灯具调光硬件平台和NET平台设计，不仅能对隧道照明灯具进行一定范围内无级调光控制，而且能对灯具进行有效管理和维护。硬件平台采用L6574对灯具实现无级调光，采用LONWORKS现场总线进行通信，使用时无需重新布设照明线路，极大地减少了维护成本。本论文主要完成了以下内容按照公路隧道通风照明设计规范中对隧道照明的要求，以实际隧道照明控制为背景，通过对隧道照明系统的需求分析、架构设计、类设计和数据库设计，最终完成隧道节能控制软件的设计及实现。软件包括用户登录、硬件配置、隧道参数设置、灯具管理、系统控制和状态查询等功能模块。软件中使用GIS技术将隧道照明系统中照明灯具的位置信息和工作状态信息相对应，以图形化方式实现对灯具的管理、控制和状态查询。软件实现了隧道照明灯具调光控制预案自动生成，能对隧道照明灯具进行手动和分时序无级调光控制。关键词隧道照明，节能，调光控制，GISABSTRACTDUETOTHELAGREENERGYCONSUMPTIONOFTHEHIGHWAYTUNNELDURINGTHESERVINGTIMEISLARGE，THEEXPENSIVELIGHTINGCOSTSHAVEBECOMEAHUGEFINANCIALBURDENONOPERATIONDEPARTMENTSOFHIGHWAYTUNNELATPRESENT,THETUNNELLIGHTINGFIXTUREISCONTROLLEDINTHEMODEOFCLASSIFICATIONDIMMINGONMOSTHIGHWAYTUNNELLIGHTINGSYSTEMS,THATISTOADJUSTTHELIGHTINGBRIGTNESSINTHEHIGHWAYTUNNELBYSWITCHTHELIGHTINGCIRCUITTHISDIMMINGMODEISEASILYTOCAUSETHEBRIGHTNESSNONUNIFORM,AFFECTTHEDRIVERSVISIONANDCAUSESOMEPOTENTIALRISKTOTRAFFICSAFETYTHISPAPER,DESIGNSANEWKINDOFHIGHWAYTUNNELENERGYSAVINGCONTROLSOFTWARE,WHICHISBASEDONTHEDIMMABLEHARDWAREPLATFORMFORTHETUNNELLIGHTINGFIXTUREANDNETPLATFORM,ANDCANNOTONLYDIMMTHETUNNELLIGHTINGFIXTUREWITHINACERTAINRANGE,BUTALSORUNEFFECTIVEMANAGEMENTANDMAINTENANCEOFTHELAMPSL6574ISADOPTEDTOCHANGETHEPOWEROFTHELAMPSBYTHEHARDWAREPLATFORMANDLONWORKSFIELDBUSISUSEDINCOMMUNICATION,WHICHGREATLYREDUCESTHECOSTOFWIRINGFORTHEREISNONEEDTOCHANGETHELIGHTINGCIRCUITTHEMAINCONTENTSOFTHISPAPERAREASFOLLOWSACCORDINGTOTHEDESIGNSPECIFICATIONSFORTHEHIGHWAYTUNNELVENTILATIONANDLIGHTING,WECOMPELETEDTHEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHESOFTWAREBYTHEREQUIREMENTANALYSIS,ARCHITECTUREDESIGN,CLASSDESIGNANDDATABASEDESIGNOFTHETUNNELLIGHTINGSYSTEM,WHICHISBASEDONTHEACTUALTUNNELLIGHTINGCONTROLUSERLOGINMODULE,HARDWARECONFIGURATIONMODULE,TUNNELPARAMETERSETTINGSMODULE,LAMPMANAGEMENTMODULE,SYSTEMCONTROLMODULEANDSTATEQUERYMODULEAREINCLUDEDINTHESOFTWARETHEGISTECHNOLOGYISUSEDINTHESOFTWARE,WHICHCONNECTSTHELOCATIONINFORMATIONTOTHESTATEINFORMATIONOFTHEFIXTURE,SOTHEFIXTURECANBECONTROLLED,ADMINISTRATEDANDQUERIEDINAGRAPHICWAYTHESOFTWAREREALIZESTHATTHEDIMMINGCONTROLPLANOFTHETUNNELLIGHTINGISGENERATEDAUTOMATICALLY,ANDCANEXECUTESTEPLESSDIMMINGCONTROLFORTHETUNNELLIGHTINGFIXTUREINAMANUALANDTIMINGSEQUENECEMANNERKEYWORDSTUNNELLIGHTING,ENERGYSAVING,DIMMINGCONTROL,GIS目录第一章绪论111研究背景及意义112国内外隧道照明技术发展状况213隧道使用灯具介绍414隧道照明控制模式介绍6141分级调光控制模式6142无级调光控制模式6143隧道照明控制方式6144照明系统的调光控制方式715我国公路隧道照明系统存在的主要问题716本文技术路线817研究内容及论文安排818本章小结9第二章公路隧道照明节能控制软件设计依据1021隧道照明视觉特点1022公路隧道照明理论10221隧道照明亮度曲线10222基本段照明11223入口段照明13224过渡段照明14225出口段照明1523隧道照明计算1523硬件平台介绍17231硬件系统的基本结构17232总控制器18233主节点19234单节点19235数字调光电子镇流器2024硬件通信协议介绍21241协议格式21242命令传送规定21243具体命令说明2125实例隧道灯具调光24251实例隧道灯具调光计算24252实例隧道灯具调光控制2526本章小结26第三章基于NET公路隧道照明节能控制软件设计2731开发环境介绍27311NETFRAMEWORK简介27312POSTGRESQL/POSTGIS数据库介绍28313NPGSQL数据库访问技术介绍29314软件界面设计工具FLASH介绍30315GIS应用的开发控件MAPWINGIS介绍3032需求分析与构架设计30321问题域的一般描述30322系统待开发功能模块结构30323系统其他需求3533系统用例模型35331系统边界35332主要参与者及其使用目标36333系统用例图3634类设计38341类的分布构架设计38342系统主要类介绍4035系统数据库设计45351数据库实体属性45352隧道节能控制系统ER图49353ER图装换成关系表4936本章小结50第四章公路隧道照明节能控制软件功能实现5141软件功能模块实现51411登录模块51412用户管理52413灯具管理53414系统设置55415系统控制57416状态查询5842通信故障报警5943本章小结59第五章总结与展望61参考文献63致谢66第一章绪论11研究背景及意义随着我国经济水平整体提升，国家加大了对基础设施建设的投入，公路交通建设飞速发展。据统计，截止2012年底，全国公路总里程突破400万公里，高速公路里程达85万公里。作为公路路网的重要组成部分，社会和经济发展的重要基础设施，公路隧道建设具有保护生态环境、有效利用土地资源、缩短通车里程等重大意义。随着公路建设规模的日益扩大，隧道建设的总里程也不断的增加，其中位于包茂高速陕西境内的秦岭终南山隧道，是亚洲最长，世界上建设规模最大的高速公路隧道，这是我国公路隧道建设史上新的里程碑,标志着我国在公路隧道的设计、施工、监理、养护达到新的高度。随着隧道修筑技术的不断成熟的同时，对隧道的安全运营也提出更高的要求。为保证隧道运营过程中行车和人员安全，隧道运营单位需投入大量的人力、物力和财力，同时产生巨大能耗，其中隧道照明已成为运营单位主要的开支之一。一直以来，在保证行车安全的前提下，如何降低能耗、减少隧道运营成本、平衡隧道照明的安全和节能，成为隧道设计、建设和运营单位努力要解决的难题。在国家“十一五”交通科技发展规划中，节能减排是重点研究领域。在“十二五”交通科技发展规划中，继续以“公路隧道建设与运营管理技术”、“资源节约与环境友好交通技术”为研究重点。对于隧道照明系统的节能,交通运输部门和隧道科研工作者们积极探索和实践隧道照明技术的研发和应用，努力在隧道照明设计、配光、照明控制方法，隧道灯具使用等方面采取改善措施，来降低隧道照明系统的能耗和运行成本，并取得一定的成效。例如云南省隧道科研工作者采用太阳能光伏发电结合LED照明解决山区高速公路供电质量差等问题，安徽省隧道科研工作者省围绕照明设计参数选择，智能控制技术等方面开展隧道照明综合节能研究。现有的隧道照明隧道控制模式大多采用分级调光控制，即根据不同季节，不同天气，不同时间段的照明需求，控制隧道照明回路开关，以满足照明要求。其主要的控制方式有手动控制，分时序控制1。简单的开关照明回路，容易造成隧道内地面照度不均匀，在地面形成“斑马线”，对驾驶员造成一定的视觉障碍，使驾驶员很容易产生视觉疲劳，不能有效的保证行车安全，存在一定安全隐患；频繁的开关灯也影响灯具寿命；在运营过程中还存在着过度照明，能耗浪费等。现有隧道内使用的灯具主要有高压钠灯、低压钠灯、新型节能灯具荧光灯和LED灯等。钠灯由于其透光性能好，特性稳定，光效高，使用寿命长，价格相对较低等优点，在公路隧道照明中被已广泛使用，但钠灯正常工作时会产生较大能耗。针对现有的隧道控制模式和隧道照明灯具的使用情况，本文设计了一款公路隧道照明节能控制软件，该软件能对隧道照明灯具进行一定范围内无级调光控制的，其控制方式沿用现有隧道照明系统中广泛使用的手动控制和分时序控制方式。本文的研究意义可概括为以下几点（1）本文对隧道照明灯具采用无级调光控制，使隧道内亮度相对“均匀”的变化，能消除回路控制的一些弊端，更好的保证行车安全，更加符合公路隧道通风照明设计规范JTJ02611999要求，减少资源浪费，节约隧道运营成本。（2）本文针对现已在隧道内广泛使用的照明灯具设计节能控制软件，硬件控制平台采用LONWORKS总线通信，使用时无需重新更换照明灯具和重新布设照明线路，降低了维护成本。（3）本文研究设计照明节能软件控制系统,只需更改系统参数设置，便可适用于所有类型公路隧道，具有较强的可移植性，具有广阔的经济价值和推广价值。12国内外隧道照明技术发展状况国外公路隧道照明技术研究起步早，控制技术较成熟。如早在二十世纪六十年代，意大利和法国之间的勃朗峰隧道（MOUNTBLANCTUNNEL）就可以按照交通量的变化进行照明调光2，荷兰著名的道路照明专家范波莫和德波尔在道路照明中提出并系统的阐述公路隧道照明理论3。1964年荷兰学者DASCHREUDER提出以隧道洞外和入口亮度关系曲线、亮度变化适应曲线为内容的隧道照明理论，该理论被许多国家和学术团体所采纳。70年代后，许多国家相继制定推出公路隧道照明设计规范或指南。其中隧道国际照明委员会于1982年制定的照明（CIENO302,1998）规范标准，被世界各国广泛采纳，随后世界各国相继实施颁布各自的标准，如EUROSTD于1997年制定了欧洲隧道照明标准，日本于1990年制定了隧道照明指针4。在公路隧道照明控制技术上，国外也已达较先进的水平，澳大利亚邦奇电子推出的DYNALITE智能照明系统5、奇胜科技推出的CBUS系统，美国路创公司推出的GRAFIK隧道照明控制系统等。我国公路隧道照明技术起步相对较晚，到上世纪80年初我国才开始关注公路隧道照明领域的建设发展6。上世纪八九十年代，我国隧道科研工作者们开始引入国外先进的隧道照明理论，翻译和发表国外公路隧道研究的相关文献，如王太同7翻译了日本公路隧道照明理论创始人成定康平和吉川孝次郎有关短隧道照明研究的文献，徐正言8翻译了国外有关公路隧道照明控制系统构成的文献；林贤光翻译了荷兰道路照明专家范波莫、德波尔的所著的道路照明，将公路隧道照明理论正式引入国内。此外，隧道科研工作者们，也在学习和借鉴国外技术的基础上，开始尝试性地开展公路隧道照明的设计工作，公路隧道技术也至此开始发展。如李尊爱介绍了某越岭隧道的照明设计方案，朱应龙9在考察香港隧道设施以及参照日本公路隧道照明标准的基础上，对福州到马尾的鼓山公路隧道照明系统进行了设计等。到20世纪90年代，我国开始颁布实施JTJ0261990公路隧道设计规范，至此我国公路隧道照明设计有了相应的技术标准，但是由于该规范不是很完善，为了适应我国公路隧道照明技术的发展需求，隧道科研工作者们主要通过1介绍国外公路隧道照明设计标准及实践检验，为我国的公路隧道照明设计的提高提供借鉴。如刘南山综述了国外公路隧道照明的研究成果及实践经验；郑晋丽介绍了挪威道路隧道照明设计准则等10。（2）研究如何克服“黑洞效应”、“白洞效应”等问题，设计实际的隧道照明系统。如王源昆11探讨了公路隧道照明设计原则、灯具的选择与使用、照明控制方式等。漆光荣12介绍了泉州到厦门高速公路隧道通风照明系统设计方案；赵忠杰13探讨了公路隧道照明设计的原则和标准，并提出改进后的隧道照明亮度曲线。（3）从控制方式和控制对象等方面研究对隧道照明系统的动态控制。如王学堂14等通过对隧道内光照亮度函数的研究，建立了亮度、速度、入口段和出口段长度之间的数学关系，提出对隧道内亮度进行动态控制；赵鸿鸣15等提出结合隧道照明灯具及其控制设备，对隧道照明进行监测与控制，保证白天洞内外照度的平缓过渡，并且提出结合交通流参数对隧道照明节能控制策略。我国于2000年1月颁布了公路隧道通风照明设计规范（JTJ02611999,该规范对照明系统构成、洞外亮度与减光、隧道各照明段的长度与亮度、照明总均匀度与纵向度、调光分级、光源与灯具、应急照明、灯具布置等内容作出详细的规范说明16。国内主要隧道照明技术的研究主要基于该规范,至此以后，国内主要研究焦点从隧道照明系统的设计构架、隧道灯具使用、照明系统的控制方式、隧道照明亮度分析和计算等方面来实现照明系统的节能和优化。如重庆交通科学设计研究院开展了山区高速公路隧道节能型照明系统研究与应用17、高速公路隧道照明需求与节能技术研究18、特大断面隧道节能技术研究19等课题的研究，从系统工程的角度为隧道照明节能问题提出一整套关键技术。经过近几十年发展和隧道科研工作者们的努力，我国在公路隧道照明领域取得丰硕的成果，主要表现在（1）新的隧道照明理论的提出有关隧道科研工作者对中间视觉理论进行深入研究，陈文成20通过实验建立了新型中间视觉S光度学模型，并由此计算出不同光源在亮度水平不同的情况下的中间视觉修正系数，并将此应用于公路隧道照明设计中。（2）新技术和新设备在隧道照明系统中的应用工业以太网现场总线技术21，模糊控制、神经网络等智能控制技术在公路隧道照明中得到初步应用22，LED灯2324和电磁感应灯2526及其无级调光技术也在公路隧道照明中获得应用。13隧道使用灯具介绍隧道照明中系较常使用的灯具有高压钠灯、低压钠灯、金属卤化灯、紧凑型荧光灯，一些新型光源，如电磁感应灯和LED灯等在也在公路隧道照明系统中开始试点使用，其特点如下（1）高压钠灯高压钠灯是我国正在推广使用的第三代绿色照明节能光源，它是一种高强度气体放电灯，工作时发出金白色光，具有发光效率高、透雾性强、特性稳定、光通量维持率高、寿命长、价格相对低廉等特点27。作为传统的隧道照明光源，高压钠灯已经广泛用于公路隧道领域，但由于内冲气体的负阻特性，如将钠灯直接接入电网中，其工作状态不稳定，在工作过程中会因持续放电而导致电流的上升，而导致钠灯或电路中的零部件被烧毁，所以高压钠灯在使用过程需要配备电子整流器。高压钠灯启动时间长，在通电510MIN左右才能达到正常亮度，再次启动需要约5MIN时间间隔。而且高压钠灯使用能耗较高，光源利用率较低，本文中使用的高压钠灯带有可调光整流器，其调光范围可以达到60100。（2）低压钠灯低压钠灯是利用低压钠蒸气放电发光的电光源，工作时发出单色黄光，具有发光效率特高、透雾性强、透视性较好、寿命长等特点，但其显色性不佳，光谱分布过窄。本文中使用的低压钠灯带有可调光整流器，其调光范围可以达到60100。（3）金属卤化灯金属卤化灯有两种，一种是石英金卤灯，其电弧管泡壳是用石英做的，另一种是陶瓷金卤灯，其电弧管泡壳是用半透明氧化铝陶瓷做的，金属卤化灯是目前世界上最优秀的电光源之一。具有光效高、寿命长、显色性好、结构紧凑、性能稳定等特点。但是灯内的填充物中有汞，由于汞是有毒物质，若处理不当，会直接排入大气，会对环境造成污染。（4）紧凑型荧光灯紧凑型荧光灯是目前被公认为能取代白炽灯的唯一适宜光源，发光效率比普通荧光灯高5，光效和寿命比普通白炽灯高5倍以上，由于显色性高，在城市隧道中有一定的使用。（5）电磁感应灯电磁感应灯，是集电子、电磁、真空等技术于一体的国际第四代节能环保型新光源。与传统的照明灯具相比，具有结构简单、无电极、无灯丝、超长使用寿命、无闪烁、显色性高、高光效、可瞬间启动、无汞污染等特点。而且具有可调光特性，调光范围可达到30100。（6）LED灯LED作为新型的半导体光源，具有寿命长、高光效、高显色性、启动时间短、电流电压小、低功耗、结构牢固、运行成本小、可进行无级调光等特点；但是价格昂贵，散热不好，透雾性不佳，光衰减较大28。表11灯具特性表灯具种类光效（LM/W显色指数（RA）色温K平均寿命（H）高压钠灯10012023/60/851950/2200/250024000低压钠灯20023175028000金属卤化灯759565923000/4500/5600600020000紧凑型荧光灯6085全系列8000电磁感应灯557085300040004000080000LED灯50906400100000公路隧道结构和地理位置的特殊，隧道照明系统对照明灯具的选择有特殊要求。隧道照明系统中一般选用的灯具有高压钠灯、低压钠灯、高压汞灯和荧光灯。高压汞灯光效不高，而且容易造成环境污染；钠灯由于其高光效、寿命长、透雾性强、价格相对低廉，已在公路隧道照明系统中广泛使用；荧光灯由于其显色性好，光效和寿命均强于普通白炽灯，在隧道照明中有一定的使用。新型照明灯具电磁感应灯和LED灯，在隧道照明系统也正在逐步推广使用，但由于其透烟透雾性不好，使其不能完全取代钠灯在公路隧道照明系统中的使用。14隧道照明控制模式介绍141分级调光控制模式分级调光控制是指隧道照明系统分为“晴天”、“多云”、“阴天”、“夜间”和“深夜”五级照明控制模式，每级照明模式对应相应的照明回路控制，系统根据不同的天气情况对隧道灯具进行开关量调节晴天，开启基本段和加强段照明回路；多云，关闭引入段和加强段照明回路；阴天，关闭引入段和过渡段部分照明回路；夜间，开启基本照明回路29；深夜，开启单侧基本照明回路。在公路隧道照明控制系统中，主要使用分级调光控制模式，通过控制照明回路的开关，调节隧道照明亮度。但是这种控制模式对隧道灯具布设要求较高，调整范围较大，控制效果过于粗放，容易在隧道内形成“斑马线”，使得行车舒适性差，给行车安全造成隐患，同时还存在过度照明，隧道照明系统内有70左右的能耗被过度照明消耗30。142无级调光控制模式无级调光控制3132是指根据照明控制参数的变化而连续调节照明灯具的使用功率，从而实现不同亮度等级的转变，实现隧道照明亮度较为平滑的调控。无级调光模式较分级调光模式更为精确，可以按照照明规范的要求，按需调节隧道照明灯具的功率，不需要灯具满负荷工作，改变了传统公路隧道照明系统亮度需求和灯具能耗的不可控性，有效的避免了过度照明，不但能使隧道内照度更加均匀变化，而且节约电能。无级调光模式主要针对LED灯、电磁感应灯和高压钠灯等灯具。随着照明技术的发展，无级调光控制模式在隧道照明系统中也正在推广使用。143隧道照明控制方式在隧道实际的运营中，照明系统控制方式可分为手动控制、分时序控制和智能控制三种控制方式1手动控制是指根据隧道内交通流的变化情况，通过人的主观判断，手动对隧道照明亮度进行控制。手动控制方式，自动化程度较低，对于隧道运营单位的工作人员来说，单纯地进行现场人工手动控制，则使得每天的工作量非常大。目前手动控制主要作为在交通事故等一些特殊情况下的辅助手段。2分时序控制是指照明系统根据不同天气状况和不同时间段，自动控制隧道照明亮度。分时序控制不能结合实际情况变化控制照明亮度地改变，容易造成“过度照明”和“照明不足”，因此分时序控制需要对隧道的所处的地理环境和不同季节的天气状况进行考察，根据经验数据确定分时序照明控制预案。3智能控制是指根据采集隧道外实时洞外亮度、隧道内实时交通流量、行车速度等参数，经过控制算法处理并发送调光指令控制照明亮度。智能控制系统一般由亮度检测器、交通流量检测器、控制系统、照明灯具和灯具控制器构成。亮度检测器、交通流检测设备将亮度、交通流参数传递给上位机，上位机通过控制算法处理，通过发送远程调光指令对隧道照明亮度进行控制。144隧道照明系统的调光控制方式照明系统的调光控制方式主要针对无级调光模式，目前主要调光控制有电压控制电流源亮度控制方式，脉冲宽度调制PWM亮度控制方式，限流亮度控制方式。1电压控制电流源亮度控制方式是利用直流信号电压来控制输出电流平均值变化的一种输出电流可控电源33，从而达到灯具功率调节的目的。2脉冲宽度调制PWM亮度控制方式利用数字脉冲，控制灯具调光控制器。灯具的调光控制器可以通过控制电压或者电流来实现对功率的无级调节来达到节能的目的，该调光方式具有反应速度快，不产生低次谐波，不影响系统功率因素等优点。3限流控制方式利用电阻、晶体管限制流过灯具的电流，从而控制灯具亮度。15我国公路隧道照明系统存在的主要问题经过几十年的发展，我国在公路隧道照明领域取得了瞩目成果和创新，但是仍存在很多问题，主要表现在1隧道照明理论的研究要较为薄弱，尚未有中国的隧道照理论流派在国际隧道照明学界能占有一席之地，对于隧道照明理论的原始创新还需要有更大的突破，对于中间视觉理论、洞外亮度参数、入口段亮度折减系数、隧道各区段亮度设计参数、连续隧道照明折减率等问题均需进一步深入研究。2对隧道照明专业人才的培养不够重视，致使隧道照明专业人才相当短缺，制约着隧道照明设计技术的提高和技术理论的创新。3我国隧道照明的现代化和自动化水平还有待进一步提高，洞外亮度检测仪、洞内隧道照度仪等国产设备的可靠性和准确性与国外产品还有一定的差距。4在隧道照明灯具的使用方面，我国隧道照明系统的照明灯具多使用钠灯，多使用分级控制模式和手动控制方式。在隧道实际运营过程中，钠灯使用时能耗较大，运营单位迫于隧道照明运营和维护的成本压力，大多数隧道在运营时长时间关闭一些回路的灯具，造成隧道内光线偏暗，明暗交错，亮度不均匀，容易使驾驶员产生视觉疲劳，给行车安全带来了极大的安全隐患。单纯的手动控制，主观性太强，而且需要专门的操作人员负责隧道照明系统的运营，增加了运营投入成本。16本文技术路线本文主要研究内容为基于NET的公路隧道照明节能控制软件的设计及实现。围绕该问题本文首先分析当前公路隧道照明系统中的灯具使用情况及灯具特点，隧道照明灯具控制模式，隧道照明灯具的控制方式和隧道照明灯具的调光方式，同时指出现有公路隧道照系统存在的弊端，提出本文的写作背景。通过进一步对公路隧道通风照明设计规范，调光硬件平台和实际公路隧道的控制分析，提出公路隧道照明节能控制软件的设计依据。通过对公路隧道照明控制系统的需求分析，设计出软件的功能架构，类架构和数据库架构，最终完成软件的设计。应用NET平台、FLASH技术、MAPWINGIS技术、POSTGRESQL数据库技术，用C语言最终完成软件的实现，并实现在实验室环境下对钠灯的实际控制。17研究内容及论文安排本文主要针对公路隧道照明系统内广泛使用的照明灯具，基于隧道照明灯具调光硬件控制平台和NET平台，根据公路隧道通风照明规范和隧道照明系统相关理论要求，以浙江温州绕城高速公路北线江北岭隧道为实际控制背景，设计了一款公路隧道节能控制软件。该节能控制软件能对隧道照明灯具在一定范围内进行无级调光，对隧道照明灯具采取手动控制和分时序控制方式。论文的总体结构分为5章第一章绪论。本章主要介绍论文的研究背景及意义，国内外隧道照明系统发展现状，隧道照明灯具使用情况，隧道照明系统的控制模式、控制方式、调光方式及我国公路隧道照明系统存在的主要问题等内容。在此基础上提出本文的技术路线和论文安排。第二章公路隧道照明节能控制软件设计依据。本章主要从隧道照明控制理论、隧道通风照明规范和硬件控制平台、硬件通信协议等几个方面阐述软件系统的设计依据。并以温州绕城高速公路北线江北岭隧道为实际背景，计算出隧道入口段、过渡段、基本段和出口段的照明亮度需求、隧道内照明灯具的平均照度和功率调节需求。第三章公路隧道照明节能控制软件功能设计。本章通过对隧道照明系统的需求分析、架构设计、类设计和数据库设计等完成公路隧道节能控制软件的设计。软件包括用户登录、硬件配置、隧道参数设置、灯具管理、系统控制和状态查询等功能模块。第四章公路隧道照明节能控制软件功能实现。本章主要介绍公路隧道照明节能控制软件各功能模块的实现情况。在实验室环境下布设公路隧道照明灯具，模拟实际隧道洞外亮度和交通流参数变化情况，实现公路隧道节能控制软件对照明灯具的实际控制。第五章总结与展望。本章主要总结本论文取得的研究成果和不足之处，提出论文的进一步研究方向。18本章小结本章主要介绍了论文的研究背景及意义，国内外公路隧道照明技术的发展状况，公路隧道照明系统的灯具特性，公路隧道照明灯具的控制模式，照明灯具的控制方式，照明灯具的调光方式和论文的技术路线及论文安排。第二章公路隧道照明节能控制软件设计依据本章主要介绍公路隧道照明视觉特点，隧道照明控制理论，调光硬件平台和隧道照明控制亮度需求计算，并以浙江温州绕城高速公路北线江北岭隧道为实际控制对象，为公路隧道节能控制软件的设计提供理论和现实的依据。21隧道照明视觉特点公路隧道由于其特殊的管状结构，使得其洞内外亮度相差悬殊，驾驶员进入隧道过程视觉要经历由明到暗再到明亮的过程，当隧道内外的光照相差很大时，驾驶员在驶向洞口时，会产生“黑洞效应”，驾驶员很难适宜视觉上的变化，辨清洞口附近的情况；而在驶出洞口时会产生强烈的眩光。并且隧道环境相对封闭，隧道内部汽车排除的废气无法迅速消散，形成烟雾，烟雾可以将汽车头灯和隧道内照明灯具发出的光吸收和散射，降低了能见度。为了保证行车安全和舒适，防止因视觉信息不足而出现交通事故。我国颁布了公路隧道通风照明设计规范，规范明确规定长度大于100M的公路隧道应该设置照明设施，规范对照明总均匀度与纵向度、调光分级、光源与灯具、应急照明、灯具布置等内容作出详细的规范说明。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。22公路隧道照明理论221隧道照明亮度曲线在公路隧道照明系统中，沿隧道路面中线，由接近段经入口段、过渡段、基本段直至出口段，驾驶员在白天所要求的路面亮度变化曲线，称为亮度曲线，如图21所示。20LS20A洞口亮度（）CD2MSA接近段DPTHL适宜曲线入口段THD过渡段TRB中间段INL1TRL2TR3T图21隧道各照明段亮度曲线与长度P洞口；S接近段起点；A适应点；D适应距离；洞外亮度；洞外亮度；20SL20L（A入口段亮度；、过渡段亮度；中间段亮度。LTH1LTR2TR3TRIN222基本段照明1基本段亮度IN在公路隧道照明区段中，基本段照明的任务是保证停车视距。基本段的照明水平与能见度、行车速度以及交通量等因素有关。在正常的亮度下可按下表LIN21取值。表21基本段亮度取值基本段的亮度INL2/CDM基本段的亮度INL2/CDM行车速度/KMH双车道单向交通N2400辆/H双车道双向交通N1300辆/H双车道单向交通N015P截光型2412半截光型189非截光型155注路面反射比P（4）亮度与功率关系由平均照度计算公式，见式（25）和平均亮度计算公式，见式（27）可知，亮度与功率的关系，见式（28）LPLQMNPWS（28）23硬件平台介绍231硬件系统的基本结构本公路隧道照明节能控制系统的硬件控制平台由杭州奥能照明有限公司设计提供，实例隧道浙江温州绕城高速公路北线江北岭隧道中采用高压钠灯和低压钠灯作为隧道照明灯具，硬件平台基本框图如图22所示。管理层总控制器主节点主节点主节点单节点单节点单节点GPRS电子镇流器电子镇流器电子镇流器RS485电力线钠灯钠灯钠灯图22照明系统硬件平台实现框图如图22所示，上位机通过GPRSGPRS转RS232将命令传送到总控制器，总控制器可以通过继电器开关支路总闸，总控制器通过RS485通信将命令传送到主节点，主节点通过电力线通信寻址将命令发送到单节点，单节点控制电子镇流器来控制钠灯的开关以及调光。主节点和单节点通过LONWORKS现场总线技术组成了LONWORKS控制网络。232总控制器在本系统中，总控制器的主要作用是通过RS232接收计算机的控制命令，并将命令通过RS485传送到主节点。同时，接收主节点反馈的信息，并将反馈信息传送到计算机。总控制器控制芯片ATMEGA128是一款由ATMEL公司生产的AVR单片机，总控制器功能框图如图23所示。232通信模块MCUMEAG128485通信模块最小系统电路时钟芯片DS1302继电器控制模块拨码地址图23总控制器通信原理框图233主节点主节点控制电路采用电力线智能芯片PL3150作为主控芯片，主节点控制功能电路包括耦合电路、功率放大电路、带通滤波电路及外围扩展电路。主节点接收到RS485的数据，经D/A转换，功率放大，经耦合电路，经BPSK调制后将数据传输到线路中。同时耦合电路从线路中提取高频信号，经带通滤波电路滤波、A/D转换后传输给PL3150，解调后得到通信数据，PL3150通过RS485将数据传输到主控器。主节点控制电路如图24所示外扩EEPROM辅助电源RS485神经元内核DSPA/DD/A耦合电路带通滤波功率放大PL3150LINENEURAL拨码地址图24主节点控制电路图234单节点单节点控制器中用电力线通信专用芯片PL3120和单片机ATMEGA88作为控制芯片。PL3120与单片机ATMEGA88之间的信息传输，数据交换，主要通过I2C实现通信，PL3120作为主机，ATMEGA88作为从机。单节点主要功能执行上位机下传指令，控制电子镇流器完成钠灯的开关灯，以及调光，传输钠灯状态到主节点，单节点控制框图如图25所示辅助电源神经元内核DSPA/DD/A耦合电路带通滤波功率放大PL3120LINENEURAL拨码地址MCUAMTMEAG88I2C通信电子调光整流器图25单节点控制框图235数字调光电子镇流器电子镇流器采用传统的两级拓扑结构，如图26所示，前一级是功率校正PFC电路，它能够提供400V母线电压；后一级是半桥逆变电路，它主要通过谐振电路实现高压点火，并产生高频信号驱动高压钠灯。与此同时，在该电子镇流器中加入了调光控制电路，主要通过改变ATMMEGA88管脚输出的PWM波的占空比，改变灯的输出功率，从而达到调光的目的。另一方面，为了减小电子镇流器对电网造成的谐波污染，加入了EMI滤波器36。EMI滤波器功率因数校正电路高频逆变电路谐振点火电路灯PFC电路半桥逆变电路400V图26两级拓扑结构电子镇流器24硬件通信协议介绍硬件通信协议主要基于LONWORKS通信协议LONTALK，采用NEURONC编写。241协议格式0X350X70LENADDRLABELCMDDATACRC协议字段解释LENADDRLABELCMDDATA；ADDRGRPS站名，为主控制器上的一个拔码地址；LABEL值为NULL；CMD发下命令；DATA数据域；CRC数据校验A001。242命令传送规定命令传送规定下位机接收到上位机的操作命令后，立即回应一应答帧，上位机接收到应答帧后，停止发送此帧。若上位机在一定的时间内没有收到下位机的应答帧，应重发此命令帧。下位机在空闲时，会主动上传灯信息，上位机在接收到此信息后，不用下发应答帧。上位机下传命令格式0X350X70LENADDRLABEL0X88DATACRC下传命令标识为0X88。下位机应答为0X350X708ADDR应答DATACRC243具体命令说明1下载GPRS时间如当前时间为201199133733下传命令应为0X35,0X70,11,1,0,0X88,0X47,17,9,9,19,55,51,6,CRC。2下载总路属性0X35,0X70,11,1,0,0X88,0X27,1,2,6,36,3,4,5,CRC。0X27后面字段说明1为GPRS站名；2为本站总共有2条支路；6为本站总共有6条回路；36为本站共有36个灯；3，4，5为备用。3下载支路属性0X35,0X70,14,1,0,0X88,0X26,2,4,6,6,5,6,6,6,6,6,CRC。0X26后面字段说明2为支路序号，4为回路序号，6为第4回路上共有6个灯，本回路初始中继为6。5为回路序号，6为第5回路上共有6个灯，本回路初始中继为6。4下载开关灯时间，调光时间0X35,0X70,16,1,0,0X88,0X24,2,1,18,00,05,00,00,00,80,01,00,60,CRC。0X24后面字段说明2为支路序号，1为备用，18,00为开灯时间为1800,05，00为关灯时间。00,00表示第一次调光时间为0000，80表示第一次调光百分比，01，00表示第二次调光时间为0100,60表示第二次调光时间百分比。调光时间一定要在开灯与关灯时间之间。如现在开灯时间为18点，关灯时间为5点，那么调光时间应在18与5之间，不能为17点或6点等。关灯时间必须在开灯时间后面，否则会引起灯的闪烁。5读取GPRS时间0X35,0X70,9,1,0,0X88,0X48,1,1,1,1,1,CRC。下位机回应数据格式0X35,0X70,16,1,0,0X8,0X48,YEAR,MONTH,DAY,HOUR,MINUTE,SEC,WEEK,CRC。6读取总路信息0X35,0X70,9,1,0,0X88,0X37,1,1,1,1,1,CRC。下位机回应数据格式0X35,0X70,16,1,0,0X8,0X37,1,1,支路数，回路数，总灯数,CRC。7读取支路属性0X35,0X70,9,1,0,0X88,0X36,2,1,1,2,3,CRC。下位机回应数据格式0X35,0X70,16,1,0,0X8,0X37,1,1,回路序号，灯数目，初始中继，回路数，灯数目，初始中继，回路序号，灯数目，初始中继，CRC。8读取开关灯调光时间0X35,0X70,9,1,0,0X88,0X34,2,1,1,2,3,CRC。下位机回应数据格式0X35,0X70,16,1,0,0X8,0X34,1,1,开灯时间时，开灯时间分，关灯时间时，关灯时间分，调光时间时，调光时间分，调光功率百分比，调光时间时，调光时间分，调光功率百分比，CRC。9开、关总闸0X35,0X70,10,1,0,0X88,0X20,2,1,1,255,CRC。255为开闸，如果为0则为关闸。10开关单灯命令0X35,0X70,9,1,0,0X88,0X13,4,2,1,255,CRC0X13后边字段说明4,表示第四条回路2,表示第四条回路中的第二个灯；如果此为255表示对整条回路进行操作，操作结果要看它后面的第二个字节的内容1备用；255表示开灯，如果为0表示关灯，调功率修改255。11上传数据的返回格式0X35,0X70,17,1,0,0XAB，是否空闲，命令种类，回路序号，灯控制器序号，灯序号，电流，电压，工作种类，累计工作时间高字节，累计工作时间低字节，用电度数高字节，用电度数低字节，灯种类，总闸继电器状态，后面为备用。字段说明OXAB上传查询信息命令是否空闲下位机可以缓存4条上位机下发的指命，当它为1时表示忙，否则空闲，建议，当判断为空闲时才下发下一命令；命令种类119表示某个灯节点电力线通信不上；120表示单路控制器485通信不上；20表示一切正常，此为正常的查询命令；电流，电压,1表示开灯等待，2表示采样等待，3表示控制片工作不正常，其余数据为正常工作时电流，电压值；工作种类0表示关灯，255表示开灯，0100表示当前调光的功率百分比。25实例隧道灯具调光251实例隧道灯具调光计算浙江温州绕城高速公路北线江北岭隧道，隧道全长2436米，双向三车道行车，隧道照明灯具采用低压钠灯和高压钠灯。本文以该隧道已布设的照明灯具为实际控制背景，根据洞口亮度值、行车速度和交通量的历史数据，按上文中式23，表21，表24和表27要求计算隧道入口段、过渡段、基本段和出口段的亮度需求，按式25、式（26）和式（27）可以计算出隧道亮度。据式（28）可知,灯具功LQMNPWS率和亮度变化是线性关系，由此可以计算出功率调节需求。由于系统中钠灯功率调节范围只能在60100之间，所以当灯具调光亮度需求小于等于60时，取60。实例隧道灯具参数、道路设计参数如表29所示，实例隧道灯具亮度、功率如表210所示。表29隧道灯具参数和道路设计参灯具参数设计参数钠灯种类功率PW光效光通量LM利用系数养护系数M排列方式N道路宽WM灯具间距SM亮度系数Q隧道段55145810004072121215低压钠灯901481350004072121215基本照明1501001500004071121515过渡段1150100150000407112315过渡段21501001500004071124515过渡段325011228000040711207515引入段1250112280000407112115引入段2高压钠灯250112280000407112215出口段表210实际隧道中灯具照明亮平均照度表钠灯种类功率PW平均照度AVELX亮度L（）2/CDM亮度与功率比L/P隧道段553150210004低压钠灯905250350004基本照明150233331556010过渡段115011667778005过渡段21507778519003过渡段3250871115807023引入段1250653334356017引入段2高压钠灯250326672178009出口段252实例隧道灯具调光控制对浙江温州绕城高速公路北线江北岭隧道照明灯具的控制模式采用无级调光模式，其照明灯具调光范围在60100。为节约隧道节能控制软件前期推广的使用成本，本文对钠灯控制方式采用分时序自动调光为主，手动控制为辅，智能控制方式在本文中暂没有涉及，下文软件进一步设计和实现过程中会为智能控制方式留有接口，方便软件功能的进一步拓展。其控制流程为首先根据不同季节、不同天气和不同时间段，洞外亮度、车流量和行车速度的历史数据，制定灯具功率分时序调光预案。在实际控制中，管理员选择合适调光的预案，实现灯具亮度的自动调节。同时加入手动控制方式，以便在交通事故、异常天气等特殊情况发生时能实现隧道亮度调节的人为干预，手动控制方式优先级高于分时序自动控制。系统控制流程图，如图27所示。开始初始化软件各模块设置是否处于手动控制结束Y根据实例隧道洞外亮度、交通流参数的历史数据，制定调光预案选择调光预案N执行分时序调光发送调光控制指令状态查询模块显示钠灯状态信息，记录操作日志结束检测通信网络是否正常Y报警结束N图27系统控制流程图26本章小结本章主要介绍隧道照明视觉特点，隧道照明理论，调光系统硬件平台调光原理，调硬件平台通信协议，隧道照明控制亮度需求计算等相关知识，并以实际隧道浙江温州绕城高速公路北线江北岭隧道照明灯具为实际控制对象，提出对隧道灯具采用分时序自动控制为主和手动控制调光为辅的控制方式，为下文软件的系统的设计提供理论和现实依据。第三章基于NET公路隧道照明节能控制软件设计本公路隧道照明节能控制软件设计主要基于NETFRAMEWORK平台，NET以其高度的组件可复用性、稳定性、安全性和可扩展性等优点为本隧道照明节能控制软件的设计提供了良好的基础，开发语言用C，采用POSTGRESQL作为底层数据库管理工具，采用MAPWINGIS组件作为GIS二次开发工具，采用FLASH和WINDOWSFORMS作为软件控制界面的设计工具。本章主要讨论隧道照明节能控制软件的设计，把节能软件的设计分为架构设计、类设计和数据库设计三方面。31开发环境介绍311NETFRAMEWORK简介NET（MICROSOFTNETFRAMEWORK）是由微软开发，以INTERNET为中心，一个致力于敏捷软件开发、快速应用开发、平台无关性和网络透明化的软件开发平台，是WINDOWS操作系统新托管代码编程模型，通过NET可以将用户数据存放在网上，并随时随地通过与NET兼容的设备访问这些数据，同时支持多种语言，例如C、VBNET、VCNET、JSCRIPTNET、COBOL、SMALLTALK等，利用NET平台框架开发出来的程序，在不同的平台上都可以运行，实现一次程序编写，到处都可以运行。基于NETFRAMEWORK可构建WINDOWS应用程序、控制台应用程序、WINDOWS服务、WEB应用程序、WEBSERVICE应用、面向OFFICE应用和智能设备应用等。NETFRAMEWORK具有两个主要组件37公共语言运行时（CLR）和NETFRAMEWORK类库，其组织结构图31。公共语言运行时是NETFRAMEWORK的基础，包括CTS和CLS两个子集，提供负责内存管理、线程管理、远程处理和语言集成安全等运行时的一些服务。主要功能有内存管理、即时编译（JIT）、公共类型系统（CTS）、版本管理等。NETFRAMEWORK的另一个主要组件是NETFRAMEWORK基础类库，它