钱江隧道LED节能照明应用

2018-07-05沈宇伟

中国公共安全 2018年5期

□ 文/沈宇伟

钱江隧道LED照明规划方案

钱江通道及接线工程是《浙江省公路水路交通建设规划》(2003-2020年)“两纵、两横、十八连、三绕、三通道”的重要组成部分，沿线经过嘉兴市、杭州市及绍兴市，也是长三角都市圈高速公路网规划中“七纵”之一的江苏盐城市至浙江绍兴市高速公路的组成部分，在区域公路网中发挥着极其重要的作用。钱江隧道作为钱江通道及接线工程项目的主体性、关键性工程，也是全国著名的钱塘江流域的首条大型越江隧道。

钱江隧道工程总范围长度4800米，隧道全长4450米（桩号K11+400～K15+850），其中江北工作井长21m，明挖段559m（暗埋段327m）;江中圆隧道段长3 251m;江南工作井长23 m，明挖段600 m（暗埋段326m）。钱江隧道的通车有效地沟通了钱塘江的南北两岸，对推动钱塘江南北两岸主要城镇间的交通联系及经济往来具有十分积极的作用。

其中更值得一提的是，钱江隧道的照明工程全程采用了先进的LED照明技术。钱江隧道的LED照明工程，作为全国唯一的大交通流量水下隧道半导体照明示范工程，成功入选了国家半导体隧道灯应用项目。

钱江隧道的照明工程，依据设计划分为光过渡段、暗埋段及圆隧道段照明。鉴于隧道内全程须满足全时间段、全天候不间断照明的特点，钱江隧道采用了绿色、高效、长寿命的LED光源。相对于传统光源，这种半导体光源具备减少光污染，建立隧道内舒适高效、经济节能、安全稳定的照明环境的优势。目前照明产业市场中，随着技术不断发展，LED光源的光效正稳步提升，价格也逐步降低，LED的使用寿命长、单向发光、节能环保等高性价比的特点，使其作为照明光源的优势逐渐凸显。

钱江隧道的LED照明实施方案中，依据JTJ026.1-1999《路隧道通风照明设计规范》,并依据隧道照明等级，明确了隧道内灯具安装及照明亮度的要求：

隧道照明车辆设计时速、洞外亮度及灯具的维护系数等（表一）

钱江通道基本照明和应急照明均采用了LED隧道灯具，依据设计要求按5.6米的间距双侧对称布置，灯具安装高度为5.2米。钱江隧道全程设计共用LED隧道灯具3000套，其中又包括：基本照明LED隧道灯具2608套，应急照明LED隧道灯具360套，共计2968套，剩余的32套作为备品备件。

钱江隧道LED灯具的配光方案采用了矩形配光设计，该配光设计应用于隧道内，经检测可实现总体照度均匀度0.8以上，高于设计规范要求。LED灯具光源腔体的密封防护结构采用了折叠扣件式结构，LED光源实现了与反射器模组化封装，便捷地实现了灯具的徒手化维护，解决了隧道灯具24小时工作，安装、拆卸、维护困难的技术难题。每个光源模组由12个单体的LED光源串联组成，LED光源工作电流仅需350mA，且每个光源都并联设置了稳压二极管，单个光源损坏不会影响其他光源的正常工作。

自钱江隧道通车以来，LED隧道灯照明系统工作稳定，经过抽样调查反馈，驾驶员普遍反映照明效果令人满意。

钱江隧道LED灯具照明效果与标准值的对比

钱江隧道LED调光控制系统

钱江隧道LED隧道灯照明系统的控制核心为照明调光控制系统，系统原理为通过PWM（脉冲宽度调制）方式，其工作机制为利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的恒流源输出，进而以恒流源输出的微电流来控制LED模块的发光亮度。另外，调光控制系统实时地监视、采集并调整恒流源的输出信号，通过逻辑算法对模拟电路进行故障诊断，当判断电路发生故障时，实时向上级监控平台传送报警信息。PWM控制方式基于微电子技术，有利于降低LED灯的工作温度，延长灯具使用寿命，同时也具备节能功效。钱江隧道的LED调光控制系统中，实现隧道内的一般照明和应急照明的统一控制。

钱江隧道LED调光控制系统的逻辑架构为隧道调光系统管理平台（已接入钱江隧道综合监控平台）＋现场智能调光控制模块＋灯具驱动电源模块三级设备进行；考虑到钱江隧道综合监控平台的统一性，LED调光管理软件部署于钱江隧道综合监控平台的照明监控子系统内；钱江隧道现场调光控制按隧道内区段划分设置为10个调光控制箱，每个控制箱均内置智能调光控制模块，采用嵌入式智能控制板卡，板卡的通讯接口支持标准Modbus RTU或MODBUS/TCP协议；现场智能调光控制模块通过内置的RJ45口，利用网线就近接入钱江设备监控系统ACU控制箱内的现场控制环网交换机，如接入距离较远，则进行路由介质的光电转换，增设光中继模块增加传输距离；现场智能调光控制模块与每盏LED灯具之间通过485控制总线进行调光控制信号传输。

钱江隧道LED调光控制系统架构图（图1）

▲图1

如图1所示，钱江隧道LED调光控制系统从每个调光控制箱引出4路控制总线，并联连接至本调光区段内的每台LED隧道灯，总线通过广播轮询方式发送调光控制信号。每个调光箱中的智能调光控制模块通过网线接入就近ACU箱内的控制网交换机，系统提供标准开放的通信接口，智能调光控制模块支持MODBUS通讯协议，可基于标准协议定制开发调光控制软件或独立的调光控制平台。

调光控制箱分布图（图2）

▲图2

如图1所示，钱江隧道LED调光控制系统利用已有的钱江综合监控系统现场控制环网，智能调光控制模块支持标准以太网通信协议，在隧道现场就近接入ACU，当距离较近时（少于150 m）直接采用网线连接，当距离较远时（大于150 m）采用光电收发器进行转换，并增加光中继模块以增加传输距离，然后再接入ACU内交换机。另外，智能调光控制模块属于弱电设备，应使用UPS保障供电质量，并注意设备的防雷接地。

调光控制系统网络通信机制沿用了上海长江隧桥LED控制系统的成熟机制，采用主从式结构。

在主从式结构的通信机制中，从隧道控制中心（综合监控平台）到智能调光控制模块，采用SNMP（简单网络管理协议）协议通讯，如图3所示，采用主站向各从站发送命令轮询方式，控制中心为主站，智能调光控制模块为从站；从各智能调光控制模块到LED灯具采用RS485总线通讯方式，如下图四所示，智能调光控制模块为主站，LED灯具为从站。

控制中心对下属各调光控制模块设置时控计划控制流程示例（图3）

▲图3

调光控制模块与LED灯具通信交互方式（图4）调光、巡检

▲图4

智能调光控制功能

LED智能调光系统的控制原理如下：每个LED灯具安装有电源模块和检测控制模块，电源模块支持85V－265v超宽幅交流输入供电，当输入电源ATS（自动转换开关电器）切换时，LED灯具的再启动不超过0.1s。检测控制模块则由新一代高性能的单片机及其外围电路组成，具备总线通信接口。LED灯具的检测控制模块除响应智能调光控制模块的定期巡检命令外，可接收智能调光控制模块的调光控制指令，并且采用PWM方式输出到LED灯具的电源模块，控制灯具的电流大小，从而实现对LED灯具的亮度调节控制。

钱江隧道LED智能调光控制具备以下三大基本功能：

时间控制模式：调光控制软件可提供任意段时间控制，用户可自定义每段工作时间，设置与时间相对应的调光级别。用户在综合监控平台中设置完成后，由控制中心将用户设置的时控模式下发至下辖各调光控制模块。

分区统一控制模式：系统可依据下辖各个调光控制模块的总线控制区段，对隧道内LED灯具实现分区域、分批次的集中控制。此控制方式较为灵活，具备在调光软件中任意划分LED灯的控制群组及区段的功能，且划分不受隧道内灯具的安装位置限制、不受是否为同一物理总线连接限制。

如钱江隧道LED控制系统物理上分为十个调光控制模块，四十条控制总线，但是分区控制可任意将隧道内LED灯具划分为四区段、六区段、十二区段等等任意数量的区段，并制定相应的调光控制预案，不受物理上灯具实际连接的智能调光控制模块及控制总线的限制。

本地控制模式：在本地调光控制箱的面板上有手动的调光旋钮，可以通过旋钮开关实现对总线所连接灯具的九级调光控制。此功能为应急响应功能，主要应用在脱机状态或者网络故障状态等特殊情况下，在本地实现对所连接灯具的分级调光。

隧道LED照明节能功效

目前隧道LED照明节能功效可分为LED灯具本身节能及控制模式节能两部分：

LED灯具节能：

针对钱江隧道工程的特点，结合建设方隧道股份公司提出的照明系统的高规格标准要求，工程专门设计了一款适用于江底隧道照明的LED隧道灯。为了满足灯光对行驶车辆产生引导作用，隧道灯设计成长条形；为了满足隧道照明时间长，灯具可维护性强的特点，灯具按照模块化思维进行了设计，便于灯具的方便维修，同时可以大大降低整个系统的维护成本；为了实现隧道照明较高的照明均匀性要求，同时为了提高灯具的光线利用效率，专门根据钱江隧道的布灯要求，特别设计了灯具配光系统；为了达到最好的节能效果，筛选了全世界范围内最为主要的芯片及光源生产商，并结合国内顶级的集成厂商，在该款灯具中使用了当时能够量产的最亮的LED光源。

表三

与传统的荧光灯和高压钠灯相比较，LED灯可节约50%至70%的能耗，并且LED灯不含汞(Hg)，铅(Pb)等元素，制造、使用及报废的全过程不产生环境污染。在铺设成本上，由于高压钠灯及传统荧光灯功耗大，因此所采用的电源铜线线径比较粗，而LED灯则可以用相对较细的铜线就可以满足同样的需要，故成本也较为低廉。

钱江隧道LED灯具参数表三：

采用铸铝合金压铸成型壳体，首创散热体和灯壳一体化设计，光源与外壳紧密相接，通过外壳散热翼与空气对流散热，充分保证了LED灯具50000小时（普通LED灯为30000小时）的使用寿命。

灯具其它技术参数（表三）