隧道群路段节能管控系统

技术领域

本申请涉及隧道照明技术领域，特别是涉及一种隧道群路段节能管控系统。

背景技术

随着科技的发展和社会的不断进步，照明技术在公路隧道的应用也越来越广泛。隧道作为公路基础设施的重要组成，特别是中西部地区隧道在公路建设占比较大，甚至超过30％。隧道运营安全管理对道路的正常运营至关重要，因此公路运营能耗的管理随着数量增加、政策的变化也越来越受关注。为确保隧道运营的安全,传统的隧道照明控制方式为全天24小时照明，隧道照明灯一般按照设计亮度的较大值进行设置，长期照明对电能消耗较大，造成能源浪费。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可降低能源浪费的隧道群路段节能管控系统。

一种隧道群路段节能管控系统，包括：

设置于隧道群上游的上游监测装置和上游控制终端，所述上游监测装置连接所述上游控制终端，用于监测隧道群上游的交通状态数据并发送至所述上游控制终端；

设置于隧道入口的车辆检测器，所述车辆检测器与所述上游控制终端以及照明控制终端进行通信，用于检测隧道入口的车辆信息；

设置于隧道中的隧道照明灯和所述照明控制终端，所述照明控制终端连接所述隧道照明灯，并与所述上游控制终端通信，所述上游控制终端通信隧道群上游的交通状态数据以及隧道入口的车辆信息对所述隧道照明灯进行照明控制。

在其中一个实施例中，所述隧道照明灯的数量为两个以上，所述上游控制终端根据隧道群上游的交通状态数据以及隧道入口的车辆信息进行分析，在检测到隧道群上游有车辆进入且隧道入口有车辆进入时，控制各所述隧道照明灯的亮度为设定的正常状态时的亮度。

在其中一个实施例中，在隧道群上游有车辆进入且隧道入口有车辆进入时，所述上游控制终端还根据隧道群上游的交通状态数据以及隧道入口的车辆信息确定车流量，当所述车流量大于预设流量阈值时，控制各所述隧道照明灯的亮度为设定的正常状态时的亮度；当所述车流量小于或等于所述预设流量阈值时，控制各所述隧道照明灯的亮度低于正常状态时的亮度。

在其中一个实施例中，隧道群路段节能管控系统还包括后台控制设备，以及设置于隧道群下游的下游监测装置，所述下游监测装置用于检测隧道群下游的交通状态数据；所述后台控制设备与所述上游控制终端、所述照明控制终端和所述下游监测装置进行通信，所述后台控制设备根据所述隧道群上游的交通状态数据以及所述隧道群下游的交通状态数据，确定车辆已经驶离隧道群下游且无车辆进入隧道群上游时，下发指令至所述照明控制终端，下调部分隧道照明灯的亮度，或关闭部分隧道照明灯。

在其中一个实施例中，在隧道群上游有车辆进入且隧道入口有车辆进入时，所述上游控制终端还根据所述隧道群上游的交通状态数据以及所述隧道群下游的交通状态数据确定隧道群上下游的洞外光照亮度，根据所述隧道群上下游的洞外光照亮度对隧道群的引入段、出口段的隧道照明灯的照明亮度进行适配调整，将隧道群的引入段照明亮度设置为接近隧道群上游的洞外光照亮度，将隧道群的出口段照明亮度设置为接近隧道群下游的洞外光照亮度。

在其中一个实施例中，隧道群路段节能管控系统还包括控制终端，以及设置于隧道内侧壁的隧道监测装置，所述控制终端与所述隧道监测装置和所述上游控制终端进行通信；所述隧道监测装置用于检测隧道内的交通状态数据，所述上游控制终端在隧道群上游未有车辆驶入且隧道内车辆已通过时，控制设置于隧道群中间隧道的隧道照明灯关闭或下调亮度。

在其中一个实施例中，所述上游控制终端包括边缘计算单元和信息提示屏，所述边缘计算单元连接所述上游监测装置和所述信息提示屏；所述信息提示屏用于显示提示信息，所述提示信息包括目前车速和前方路况；所述边缘计算单元利用安全算法对监测数据进行分析存储，同时对下游隧道照明设备、隧道入口监测设备根据需要进行通讯和控制；所述车辆检测器为雷视一体机，与上游的所述边缘计算单元及隧道中的所述照明控制终端进行通信。

在其中一个实施例中，所述上游监测装置包括连接所述边缘计算单元的上游交通量监测单元、上游车速监测单元和上游气象环境监测单元；所述上游交通量监测单元对路段的交通流量进行持续监测用于判定流量情况，所述上游车速监测单元监测车辆速度预判行驶到隧道时间，所述上游气象环境监测单元对隧道群路段本地气象信息进行监测，所述本地气象信息包括能见度和光照亮度；所述上游交通量监测单元为双激光交通量监测单元、地磁、地感线圈或雷视一体机。

在其中一个实施例中，所述隧道监测装置包括安装于隧道内侧壁的激光雷达监测装置、车速采集装置和洞内光照亮度采集装置，采集隧道内实时车辆通过信息及洞内亮度传输至所述控制终端，所述控制终端将车流量和亮度信息及时反馈所述上游控制终端，当上游未有车辆驶入，隧道群中间本地车辆已通过时，针对隧道群中间的隧道关闭部分隧道照明灯或下调亮度；所述激光雷达监测装置由多个激光雷达组成，各所述激光雷达沿隧道反向布设在隧道洞内外。

在其中一个实施例中，所述下游监测装置包括下游交通量监测单元、下游车速监测单元和下游气象环境监测单元，所述下游监测装置用于反馈车辆是否已驶离该路段和洞外的气象信息；所述下游交通量监测单元为双激光交通量监测单元、地磁、地感线圈或雷视一体机。

上述隧道群路段节能管控系统，在隧道群上游设置上游监测装置和上游控制终端，监测隧道群上游的交通状态数据。在隧道入口设置车辆检测器，检测隧道入口的车辆信息。在隧道中设置隧道照明灯和照明控制终端，上游控制终端与车辆检测器、照明控制终端通信，根据隧道群上游的交通状态数据以及隧道入口的车辆信息对隧道照明灯进行照明控制，实现结合监测数据对隧道的照明智能管控，有效降低能源浪费。

附图说明

图1为一个实施例中隧道群路段节能管控系统的结构框图；

图2为另一个实施例中隧道群路段节能管控系统的结构框图；

图3为一个实施例中隧道群路段节能管控系统的设计架构参考图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

我国运营高速公路位居世界前列，运营对能源的需求与日俱增，碳排放量增速明显，特别是隧道的运营管理，隧道照明为全天24小时照明应用场景，长期照明对电能消耗较大，电费支出在运营单位的日常开支中占比较高。根据某高速隧道管理运营单位的统计，电费支出在日常隧道运维开支中的占比高达85％。虽然我国公路发展势头迅猛，但国内隧道照明系统发展起步较晚，特别是智能控制及节能设计等方面，依旧存在技术与经验上的不足。2000年颁布《公路隧道通风照明设计规范》，详细规定了隧道调光分级、光源分级、总均匀度以及灯具布置等，2014年《公路隧道照明设计细则》提出了节能标准与措施，应根据交通量变化、洞外亮度变化、季节更替等多种工况制定调光及运营管理方案。目前已开始将LED(Light Emitting Diode，发光二极管)灯与无极调光技术应用于公路隧道照明中，在进行了积极的探索和努力下，正在逐步形成了一系列标准和规范。但总体我国的公路隧道照明主动管控系统的发展才刚刚起步，针对隧道群路段的交通量监测、洞内外环境监测及共享、照明装置设施等的联动控制等还没有具体化和相关解决方法，更没有在上述场景建立对应的主动管控策略。

在保障运营安全的前提下，如何实现高速公路的“双碳”目标，隧道节能及高速公路双碳数字化能源管理尤为重要，利用智慧能源管理系统，将高速公路的重要场景纳入管理范围内，通过精准化管理实现节能降耗。目前隧道照明等作为能源消耗重要组成，但现有管理较为简单，主要使用节能灯、手动控制、定时控制(时序控制)等，整体的感知能力、自动控制能力和智慧程度较低，难以有效解决隧道照明等设施的自适应控制及隧道群照明的联动控制，无法提供更为舒适的隧道及隧道群的行车环境。

基于此，本申请提供了一种隧道群路段节能管控系统，基于现有隧道照明的管控方式的特点制定了隧道群照明智能管控策略，对交通量变化、洞外亮度变化、车速、隧道照明环境、气象环境等进行监测，智能控制调节照明相关设施，实现主动监测、动态管控和智慧管理，实现对隧道群照明设施自适应智能控制，能提供更好的隧道行车环境，更好帮助驾驶员安全通过隧道，同时达到节能减排效果。其中，基于交通量及行车环境监测的隧道群照明智能管控策略可以在高速公路上根据实际应用场景组建对应的系统(策略)，系统(策略)相互具有交集，具备相互独立的运行能力，也可以全系统整体运行。同时多隧道可独立运行也可整体运行。基于交通量及行车环境监测的隧道群照明管控原则上需要经过中心控制设备经过分析对照明控制端进行控制，再进行照明灯具的控制。在设备运行稳定和安全保障下，可以由边缘计算单元直接控制照明控制终端。

在一个实施例中，提供了一种隧道群路段节能管控系统，适用于山区隧道群路段的节能管控。如图1所示，隧道群路段节能管控系统包括：

设置于隧道群上游的上游监测装置110和上游控制终端120，上游监测装置110连接上游控制终端120，用于监测隧道群上游的交通状态数据并发送至上游控制终端120。

设置于隧道入口的车辆检测器130，车辆检测器130与上游控制终端120以及照明控制终端150进行通信，用于检测隧道入口的车辆信息。

设置于隧道中的隧道照明灯140和照明控制终端150，照明控制终端150连接隧道照明灯140，并与上游控制终端120通信，上游控制终端120根据隧道群上游的交通状态数据以及隧道入口的车辆信息对隧道照明灯140进行照明控制。

上游监测装置110和上游控制终端120的具体结构并不唯一，在一个实施例中，上游控制终端120包括边缘计算单元和信息提示屏，边缘计算单元连接上游监测装置110和信息提示屏。其中，信息提示屏可采用门架式情报板，信息提示屏用于显示提示信息，包括目前车速、前方路况等，如显示“您已进入前方隧道群路段，请保持合理车速，正确使用灯光”等。进一步地，上游监测装置110可包括连接边缘计算单元的上游交通量监测单元、上游车速监测单元和上游气象环境监测单元。其中，上游交通量监测单元可以是双激光交通量监测单元、地磁、地感线圈或雷视一体机。

具体地，可根据路段特性，将隧道或隧道群划分为引入段(入口段)、适应端(过渡段)、基本段和出口段，在隧道群上游2-3公里处设置上游监测装置110(包括双激光交通量监测单元、上游车速监测单元和上游气象环境监测单元)、边缘计算单元和信息提示屏，双激光交通量监测单元用于对路段的交通流量进行持续监测用于判定流量情况，可用地磁、地感线圈或雷视一体机代替。上游车速监测单元用于监测车辆速度预判行驶到隧道时间，上游气象环境监测单元用于对隧道群路段本地气象信息进行监测(能见度、光照亮度等)。边缘计算单元利用安全算法对监测数据进行分析存储，同时对下游隧道照明设备、隧道入口监测设备等根据需要进行通讯、控制等。

在隧道入口200-300米处安装车辆检测器130(具体可采用雷视一体机)，与上游的边缘计算单元及隧道中的照明控制终端150进行通信。隧道照明灯140的数量为两个以上，沿隧道走向分布设置在隧道内壁，可将相邻的多个隧道照明灯140分为一组，每组隧道照明灯140通过一个照明控制终端150进行控制。隧道照明灯140的类型并不唯一，具体可采用LED灯或其他类型照明灯。

在一个实施例中，隧道照明灯140的数量为两个以上，上游控制终端120根据隧道群上游的交通状态数据以及隧道入口的车辆信息进行分析，在检测到隧道群上游有车辆进入且隧道入口有车辆进入时，控制各隧道照明灯140的亮度为设定的正常状态时的亮度。其中，隧道照明灯140正常状态时的亮度取值并不唯一，可根据实际需要进行设置。当上游的边缘计算单元检测到有车辆进入时，结合隧道入口处的车辆检测器检测到有车辆进入时触发隧道照明控制，启动隧道照明灯140使隧道照明亮度达到正常状态。

进一步地，在一个实施例中，在隧道群上游有车辆进入且隧道入口有车辆进入时，上游控制终端120还根据隧道群上游的交通状态数据以及隧道入口的车辆信息确定车流量，当车流量大于预设流量阈值时，控制各隧道照明灯140的亮度为设定的正常状态时的亮度；当车流量小于或等于预设流量阈值时，控制各隧道照明灯140的亮度低于正常状态时的亮度。其中，预设流量阈值的具体取值也不是唯一的，可根据实际需要进行设置。在隧道群上游有车辆进入且隧道入口有车辆进入时，上游控制终端120还结合实际的车流量来进行照明亮度调控，车辆较大时达到设计要求亮度，车流较小时保持在低于设计要求的亮度，进一步减少能源浪费。

在一个实施例中，如图2所示，隧道群路段节能管控系统还包括后台控制设备160，以及设置于隧道群下游的下游监测装置170，下游监测装置170用于检测隧道群下游的交通状态数据；后台控制设备160与上游控制终端120、照明控制终端150和下游监测装置170进行通信，后台控制设备160根据隧道群上游的交通状态数据以及隧道群下游的交通状态数据，确定车辆已经驶离隧道群下游且无车辆进入隧道群上游时，下发指令至照明控制终端150，下调部分隧道照明灯140的亮度，或关闭部分隧道照明灯140。可以理解，下游监测装置170的结构也不是唯一的，在一个实施例中，下游监测装置170包括下游交通量监测单元、下游车速监测单元和下游气象环境监测单元。其中，下游交通量监测单元为双激光交通量监测单元、地磁、地感线圈或雷视一体机。后台控制设备160可包括存储服务器、业务服务器、客户端等。

具体地，在隧道群下游300-1000米处设置下游监测装置170(包括下游交通量监测单元、下游车速监测单元和下游气象环境监测单元)，用于反馈车辆是否已驶离该路段和洞外的气象信息(异常能见度及时反馈进入隧道群路段起点的信息提示屏展示)。当隧道中的车辆已经驶离隧道群且无车辆进入该路段时，后台控制设备160下发指示对隧道群路段的照明设施进行控制，下调部分隧道照明灯140的亮度或关闭部分隧道照明灯140，实现照明动态控制，特别是夜间时可很好的节省能源。

在一个实施例中，在隧道群上游有车辆进入且隧道入口有车辆进入时，上游控制终端120还根据隧道群上游的交通状态数据以及隧道群下游的交通状态数据确定隧道群上下游的洞外光照亮度，根据隧道群上下游的洞外光照亮度对隧道群的引入段、出口段的隧道照明灯140的照明亮度进行适配调整。具体地，可结合隧道群上下游的洞外光照亮度，将隧道群的引入段照明亮度设置为接近或等于隧道群上游的洞外光照亮度，将隧道群的出口段照明亮度设置为接近或等于隧道群下游的洞外光照亮度，对引入段、出口段照明亮度进行适配调整，尽可能减少“黑洞现象”和“白洞现象”。

在一个实施例中，隧道群路段节能管控系统还包括控制终端，以及设置于隧道内侧壁的隧道监测装置，控制终端与隧道监测装置和上游控制终端120进行通信；隧道监测装置用于检测隧道内的交通状态数据，上游控制终端120在隧道群上游未有车辆驶入且隧道内车辆已通过时，控制设置于隧道群中间隧道的隧道照明灯140关闭或下调亮度。其中，隧道监测装置可包括安装于隧道内侧壁的激光雷达监测装置、车速采集装置和洞内光照亮度采集装置。激光雷达监测装置由多个激光雷达组成，各激光雷达沿隧道反向布设在隧道洞内外。

具体地，距离隧道入口100-150米处安装激光雷达，隧道内激光雷达间隔150-200米设置一个，离电缆高度为20厘米，其电缆从电缆沟引上来到激光雷达处，电缆中的电缆线由金属软管保护并采取明敷固定在隧道壁方式安装。对于较长隧道或间隙较短的隧道群，在隧道内侧壁安装激光雷达监测装置、车速采集装置及洞内光照亮度采集装置，采集隧道内实时车辆通过信息及洞内亮度传输至控制终端，控制终端将车流量和亮度等信息及时反馈上游控制终端120，通过合理的设置亮度参数，当上游未有车辆驶入，隧道群中间本地车辆已通过时，针对隧道群中间的隧道关闭部分隧道照明灯140或下调亮度。

图3为隧道群路段节能管控系统的设计架构参考图，边缘计算单元与照明控制终端之间可通过5G、LORA、光纤或其他通讯方式进行通信，边缘计算单元、存储服务器、业务服务器和客户端之间可通过光纤进行通信。在隧道上游路段设置外场设备，通过对指标采集及边缘计算单元分析，经过设定算法测算，由控制终端和后台控制设备对隧道群的照明控制终端进行联动控制，根据需要实现对照明设施的动态控制(无车降低亮度或关闭部分灯具，车流较小时提高到核实保证亮度，车辆较大时达到设计要求亮度)，实现按需管理，避免夜间无车等时段电能浪费。同时隧道所搭建的控制平台可以对管理的隧道进行实时监控和控制等。

可以理解，以上的数据采集形式可根据成本控制、所处环境及需求可以更换成其他能采集相同交通参数的产品。信息发布形式还可以根据成本控制和所处环境可以更换为其他类似显示设备，例如可以通过桁梁式门架上的大型可变信息标志、车道指示标志发布，也可用悬臂式信息标志发布。当安全性及技术允许下也可通过车载导航地图、车联网系统、手机APP等发布。此外，有条件路段可借助上游各收费站或ETC门架数据的车流信息，更为准确分析进入隧道群的车辆量、时间及驶出时间等。

综上，隧道群路段节能管控系统主要由交通量监测单元、车速监测装置、信息提示屏、边缘计算单元、气象环境监测单元和控制终端等组成。交通量监测单元用于对路段的交通流量进行持续监测用于判定流量情况。车速监测装置用于监测车辆速度预判行驶到隧道时间，气象环境监测单元用于对隧道群路段本地气象信息进行监测(能见度、光照亮度等)。边缘计算单元利用安全算法对监测数据进行分析存储，同时对下游隧道照明设备、隧道入口监测设备等根据需要进行通讯、控制等。信息提示屏用于显示提示信息(目前车速等)。该系统的主要功能包括：

1、通过对隧道群路段的交通量变化、洞外亮度变化、气象变化等的监测，建立有效的隧道群照明设施智能控制系统，对洞内照明设施进行自适应调光，采用智能化照明控制系统，实行照明优化控制，既节约电能，又保证行车安全。

2、采用自适应可调光照明系统，解决隧道照明亮度过高造成的能源浪费，为了满足驾驶员在隧道行驶过程中的明适应和暗适应反应，实现按照不同的区域、环境设置不同的光照亮度。

3、建立隧道群能耗管控系统，针对不同交通量、不同时段、不同气象环境、不同季节进行监测分析及管控，制定运营管理策略。

4、通过对隧道群综合能耗的分析，实现照明节能的有序、精细化管理，减少维护和运营成本，实现节能与安全、行车舒适度之间的平衡。另外，隧道内占道施工、维护情况下，信息屏和车道指示器在进入隧道之前发布提示信息，并对照明设施可进行人为干预控制，同时可进一步加强隧道管理的智能化智慧化，如隧道内被占用的车道及路段的智能LED发光单元设置为警示色，以警示驾驶员提前做好车道变道的过渡区域，做好照明亮度的分段化突出化管理，避免突然过亮过暗造成事故。

上述基于大数据分析的隧道群路段节能管控系统，针对不同交通量、不同时段、不同气象环境、不同季节进行监测分析及管控，及制定的运营管理策略。通过隧道群综合能耗的控制分析方法和管理，实现照明节能的有序、精细化管理，减少维护和运营成本，实现节能与安全、行车舒适度之间的平衡。采用隧道群路段多传感器融合，实现对隧道群环境等监测、分析和利用。

本申请提供的隧道群路段节能管控系统，具有以下优点：

1、针对照明应用场景，为确保隧道运营的安全，利用对交通量变化、洞外亮度变化、气象变化等的监测，建立有效的隧道群照明设施智能控制系统，对洞内照明设施进行智能调光，实现照明按需控制，避免电能浪费，实现节能。

2、按照不同的区域、环境设置不同的光照亮度自适应可调光照明，实行照明优化控制，解决隧道照明亮度过高造成的能源浪费。为了满足驾驶员在隧道行驶过程中的明适应和暗适应反应，隧道照明按照不同的区段可划分为引入段(入口段)、适应端(过渡段)、基本段和出口段，根据交通量变化、洞外亮度变化、气象变化、季节更替等多种工况进行自适应智能调光。减少“白洞现象”、“黑洞现象”产生，提升驾驶体验感。满足了驾驶员在隧道行驶过程中的明适应和暗适应反应，实现按照不同的区域、环境设置不同的光照亮度，实行照明优化控制，既节约电能，又保证行车安全。

3、实现对由多隧道组成的路段联动控制，避免了在隧道群路段单隧道单独控制的设备浪费及数据无法共建共享问题，实现了监测数据的有效利用，避免单独控制隧道灯具易出现的不停启动带来的不良行驶体验等问题。

4、基于大数据的隧道群能耗管控系统，实现针对不同交通量、不同时段、不同气象环境、不同季节进行监测分析及管控，有利于制定运营管理策略，实现隧道群照明节能的有序、精细化管理，减少维护和运营成本，实现节能与安全、行车舒适度之间的平衡。

5、隧道群照明智能管控与综合能耗分析系统有利于加快绿色交通基础设施建设，对我国碳达峰、碳中和目标具有重要意义。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。