公路隧道照明智能控制

2015-06-12段伟

长春工业大学学报 2015年5期

段伟

（安徽水利水电职业技术学院，安徽合肥 231603）

0 引言

隧道是一种特殊的管状构造物，与洞外明亮宽敞的道路不同，车辆进入、通过隧道的过程是一个从明亮进入黑洞、又从黑洞走向明亮的过程，而人眼对于由明到暗或者由暗到明的过程都需要一个适应的过程，在这个适应过程中，驾驶员很难辩清洞内路面目标或物体，由此会产生视觉心理障碍，使得行车不安全。基于此种原因，隧道照明系统应运而生，它的目的就是要创造隧道洞内良好的行车视觉环境，减小洞内外的亮度差，确保无论是在白天还是夜间行驶的车辆都能够安全地进入和通过隧道。

隧道照明控制方案包括控制策略及控制模式两方面的内容，控制策略指的是对隧道照明灯具进行控制的各种依据，而控制模式指的是隧道照明系统所支持的控制方式［1－3］。

1 控制策略比对

隧道照明控制策略主要有人工控制、时序控制、照度控制这3种方式。人工控制包括现场手动控制和远程手动控制，是由隧道运营相关人员根据实际需要进行人工干预的一种控制方式；时序控制指的是照明系统根据时段自动调节灯具回路开关或者灯具输出功率的控制方式；照度控制指的是照明系统根据隧道入口处的洞外亮度来自动调光的智能控制方式。

目前高速公路隧道大多支持时序控制和照度控制，它们的控制原理都是预先设置一个范围，一旦时间（或洞外亮度）进入这个范围，则开启相应的回路或者输出指定的功率。以芜大高速公路的峨山隧道为例，峨山隧道下行洞全部采用高压钠灯，设置4个照明回路进行控制，其在晴天和阴雨天的时序控制和照度控制效果分别如图1和图2所示。

图1 时序控制与照度控制效果对比图（晴天）

图2 时序控制与照度控制效果对比图（阴雨天）

通过图1和图2对比可知，在晴天早上峨山隧道根据时序控制开启第一个加强回路时，洞外亮度也已经达到时序控制的第一个临界值左右，根据照度控制也将开启第一个加强回路，两种控制方式下效果基本相同。而在阴天，早上峨山隧道根据时序控制开启第一个加强回路时，洞外亮度还远没有达到时序控制的第一个临界值，根据照度控制的话将在几乎近一个小时后才开启第一个加强回路，这种情况下，照度控制方式下开启加强照明回路的时间大为减短，其控制更为合理，节能效果明显。

2 控制模式比对

不同的灯具，由于其工作原理不尽相同，使得灯具的控制模式也多种多样，目前最常用的控制方式还是回路控制，但是无极调光、单灯编址控制等模式也在逐步成熟，特别是无极调光的模式已经在多个隧道实现应用，照明控制及节能效果令人满意。

2.1 回路控制

目前，安徽省高速公路隧道大多采用回路控制的模式，将隧道照明灯具划分到一个个电力回路中，同一回路的灯具同时开启，同时关闭，灯具只有开启和关闭两种状态。

在此情况下回路控制模式存在以下不足：

1）为确保运营过程中当光源亮度衰减和灯具受到污染而使亮度下降30%以上时，其照明强度依旧能够满足规范要求，在设计灯具功率时会考虑一定的维护系数。根据《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1－1999）的要求，维护系数一般取0.7。如某一隧道基本照明选用100W的灯具亮度刚好满足规范要求，则在实际设计时必须选用功率大于143W的灯具。另外，为了避免因光源光效的差别造成路面照度低于规范要求，设计时还需要考虑一定的设计冗余，一般在1.2倍左右，则上面100W刚好满足的灯实际设计功率应在170W左右才符合要求，因此，回路控制模式无法消除维护系数及设计冗余给隧道照明带来的过度照明。

2）回路控制模式下隧道内照度情况是阶跃式的，回路越少，则阶跃越明显，每个阶段持续的时间也越长，洞内照度与洞外亮度拟合的效果也越差。

3）由于各个照明回路的职能不同，灯具的工作时长也存在非常大的差异，隧道基本照明的灯具24h开启，阴天照明的灯具在白天大部分时间开启，而晴天照明的灯具仅在洞外亮度很大时才开启，这就造成了隧道内照明灯具使用时长的严重不均衡，特别是基本照明的灯具，一直处于满功率运行状态，其使用寿命受影响很大，由此将会产生很大的灯具维护费用。

2.2 无极调光

随着LED灯、无极灯等新光源的出现，灯具的可控性也越来越好，只要配置相应的可控电源或者回路控制器，通过驱动输出不同的电流光源就会有不同的光输出，通过控制电源或者回路控制器的输出电流即可实现灯具的无极调光［4－6］。

模拟直流调光是采用模拟信号控制电源模块的输出直流电流大小，一般是通过模拟电平信号改变LED驱动器稳流控制环的参考，控制输出直流电流的大小，从而有效地控制LED灯的亮度，模拟直流调光照明系统结构如图3所示。

图3 模拟直流调光系统结构图

此种调光方式控制实现简单，驱动器成本低、效率高，与传统的回路控制模式相比，优势明显：

1）无级调光模式可以最大限度地减小维护系数及设计冗余给隧道照明带来的过度照明，它能够根据隧道内现实的光源亮度衰减和灯具受污染程度对照明灯具的功率进行调控，也能够保证隧道照明系统的设计冗余仅在真正需要时再用，这样可以有效地避免过度照明，防止电能浪费。

2）无极调光模式下隧道内照度情况是连续式的，随着灯具输出功率百分比的调整，隧道内照度可以在一定范围内平滑变化，其中无极灯的调光幅度为30%～100%，LED灯的调光幅度为5%～100%。无极调光模式在理论上可以根据检测到的隧道洞外亮度实时调整洞内照度，二者拟合的效果同步无偏差，但是在实际工程应用中，考虑到系统的稳定性、可操作性等，无极调光方式一般预先设置几十到一百个范围不等，一旦洞外照度进入这个范围，则按百分比输出指定的功率，这种设置虽然使得洞外亮度与洞内照度的拟合效果存在一些偏差，但是相对传统的回路控制而言，却是极大地加强了控制效果［7－9］。

3）无极调光模式下，调节隧道洞内照度的手段不再是改变工作灯具的数量，而是改变所有灯具整体的输出功率，这样在洞内照度需求较低的情况下，隧道内工作的照明灯具数量不变，仅是每个灯具变暗了，处于工作状态的灯具的间隔不会随着调光而拉大，照度均匀度始终处于较为理想的水平。

4）无极调光模式下所有灯具同步变亮、同步变暗，不再有基本照明、加强照明等职能的区分，所有灯具24h开启，平衡了隧道内灯具的使用寿命，避免了灯具启动次数对寿命的影响。在此模式下，虽然灯具的运行时长增加了，但是由于一年中只有夏天的中午，加强照明灯具才接近满功率工作，大多数时间均在10%～60%的功率下工作，而基本照明的设计冗余留到远期再用，近期的工作功率也低于灯具的额定功率，因此，无极调光模式下灯具基本处于低功率运行状态，灯具和电源的工作温度非常低，不仅可大幅减小光衰，还延长了灯具的寿命。

2.3 单灯编址控制

单灯编址控制是对回路控制和无极调光模式的集成与升华，它能够对隧道内的灯具进行智能识别，能够独立控制到每盏灯具的开启、关闭以及输出功率百分比。目前，单灯编址控制模式主要有总线控制方式、电力载波方式与无线通讯方式，这些智能照明控制技术在城市路灯照明领域已经广为应用，在高速公路隧道领域也开始进行尝试。

2.3.1 总线控制方式

隧道内每个照明灯具配置一个专门的可控电源，电源接入220V交流电给灯具供电，同时引出一根RS485控制线，多个灯具的控制线并接后与照明控制计算机进行通讯，如图4所示。

图4 单灯编址控制系统结构图（总线控制）

照明控制计算机根据检测到的交通量、洞外亮度等数据，计算出隧道内的照明需求，做出合理的调光方案，再通过RS485通讯发送控制指令到相应灯具的专用电源，电源对控制指令做出响应后即可实现灯具的无极调光。在此方式下，一根控制线最多并接256盏灯，为了保证信号的稳定，一般每隔32盏灯加装一个中继器，完成驱动信号中继，增强信号传输距离，加大控制计算机的负载能力。另外，考虑到在隧道实际应用中，灯具数量庞大，该方式一般将灯具按区域划分，并接后的RS485控制线就近接入隧道本地控制器（PLC），或者接入串口服务器后再通过以太网与照明控制计算机进行通讯。

2.3.2 电力载波方式

电力载波是电力系统特有的通信方式，它利用电力线通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，其最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。

电力载波方式的单灯编址控制模式如图5所示。

电力载波控制器与照明灯具通过电力线一起接入220V电力系统，电力载波控制器与照明控制计算机之间则通过以太网进行通讯。

此种调光方式控制实现更加简单，仅靠电力线就可实现照明及控制，无需布设控制线，适合布线难度较大的隧道照明系统的改造。在此方式下，照明控制计算机根据检测到的交通量、洞外亮度等数据，计算出隧道内的照明需求，做出合理的调光方案，再通过以太网发送控制指令到电力载波控制器，控制器解析指令后查找到相应的灯具，并发送调光命令实现灯具的无极调光。

2.3.3 无线通讯方式

自上世纪80年代开始，具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补“有线”所短，越来越多地赢得了市场的认可，目前的无线通讯技术更是发展的非常成熟。

无线通讯方式的单灯编址控制模式如图6所示。

照明灯具接入220V电力系统，每个灯具配备一个无线模块，这些无线模块通过CDMA、GPRS等无线公网与照明控制计算机相连接。

此种调光方式控制实现也比较简单，无需布设控制线。在此方式下，照明控制计算机根据检测到的交通量、洞外亮度等数据，计算出隧道内的照明需求，做出合理的调光方案，再通过无线公网发送控制指令到每个灯具的无线模块，实现灯具的无极调光。

无线通讯方式的单灯编址控制模式在城市路灯照明领域使用较多，然而考虑到高速公路隧道内电气设施多，电磁干扰大，无线通讯的方式在隧道内的应用还不是很广泛。

单灯编址控制模式不仅继承了无极调光的各项优点，更是打破了回路控制和无极调光模式受照明回路的限制，它完全不受隧道照明系统设计与建设时的灯具布设、回路划分等影响，而是更多的依赖于控制软件，将一盏或者多盏灯具进行智能分组调光。在此模式下，灯具间互相独立，回路细化到了极致，而每盏灯具又可实现平滑的无极调光，每个灯的控制也细化到了极致。