基于单灯智能控制的高速公路隧道照明管理系统研究

安徽省交通控股集团芜湖高速公路管理中心 阮 颖 李 晨 陶 冶 高正龙

丹东三安技术发展有限公司 马国勇

单灯（单元组合）智能控制技术是一种新型节能控制技术，其工作原理是系统里的每盏照明灯具均有唯一的编码地址，并通过该地址实现与系统的数据交互，实现任意分组及开灯、关灯、调光等，使得系统可实现可视化、信息化管理。把照明管理和节能控制推入精细化、可以带来巨大的经济效益、环保效益和社会效益。本文以G50沪渝高速的峨山隧道为研究载体，在调研国内外研究现状、进行理论分析与试验研究的基础上，开展基于单灯（单元组合）控制的隧道智能照明系统研究，力求形成最科学的照明控制策略，解决隧道的照明难题。

1.系统架构

高速公路隧道照明单灯智能控制管理系统是在隧道灯启亮区间，依据不同时段隧道环境与道路照明使用情况的变化，对于LED隧道灯进行降功率调光节能控制以及远程控制管理。调光节能控制的核心技术是LED电源调控与检测技术，远程管理是综合利用PLC电力线载波技术、4G/GPRS/CDMA公用网通讯技术、系统平台软件技术加以实现。本课题所研究的高速公路隧道照明单灯智能控制管理系统能实现LED隧道照明单灯的开关控制、亮度调节、远近距离实时读取数据及设置、灯具巡检、单灯计量、安全预警等功能，其系统架构框图如图1所示。

高速公路隧道照明单灯智能控制管理系统的整体结构采用“客户端（上位机）管理操作软件 + 系统管理平台+集中控制器（物联数据集中器）+单灯控制器（终端控制器）”。客户端（上位机）管理操作软件在远程任意位置（譬如手机微信、浏览器、客户端软件等）运行；系统管理平台安装在系统主站（监控中心）的服务器上运行，用来管理集中控制器（物联数据集中器）的链接、处理系统的通讯、储存数据、提供数据查询等服务；集中控制器（物联数据集中器）安装在LED隧道灯监控节点的控制柜或箱变内，向下是与该节点管理下的单灯控制器（终端控制器）组建通讯网络，向上是利用4G宽带/CDMA/GPRS公用网络接入系统主站（监控中心）的服务器，集中控制器（物联数据集中器）接收、执行、转发客户端（上位机）管理操作软件的指令，利用PLC电力载波通讯技术与单灯控制器进行数据的传递与交换，从而对每个单灯控制器（终端控制器）进行控制，实现对每一盏LED隧道灯亮灭控制以及调光控制，从而实现节能目标。此外，集中控制器（物联数据集中器）通过内置输出端口在控制柜（或箱变）内能够对LED隧道灯的整条回路进行控制；单灯控制器（终端控制器）安装于LED隧道灯的接线盒内，它是高速公路隧道照明单灯智能控制管理系统的核心执行部件。

2.单灯控制器的设计

单灯控制器的设计采用Atmega16系列单片机作为主控制器，该芯片具有工作效率比较高、功耗比较低、RISC处理功能比较强、内存容量比较大、相对而言其性价比很高等优点。该芯片配有32个可编程I/O接口，配有1kB的SRAM以及8路10位的ADC，能够满足控制系统的要求。光电传感器采用EL7900光照度传感器，把光照强度转换为电信号之后，利用A/D转换器把电信号转换为数字信号，主控单元根据检测的光照度以及系统指令计算控制量，进行隧道灯亮度控制。图2为单灯控制器原理图。

图2 单灯控制器原理图

该单灯控制器具备调光、电参量采集、故障诊断、通讯、控制等功能。可对LED隧道灯远程开关、调光操作，支持0‐10V方式的无极调光；能采集LED隧道灯的电压、电流、功率因素、电能量等数据；具备电能量存储功能，并实现掉电保存；可以根据采集信息判断LED隧道灯是否发生异常，当LED隧道灯发生故障时，能够主动上报故障信息；可以与控制终端实现半双工电力线载波通讯，对主站下发的控制命令及策略及时响应。

该单灯控制器的电气间隙≥1.9 mm、爬电距离≥3.2 mm、对地漏电流≤3.5 MA、绝缘电阻≥5 MΩ、温度适应性-40±3℃～85±2℃、湿度适应性5～90%、额定工作电压AC 180～250V、工作功耗0.5～1.5W、组网通讯频率330KHz、外壳防护等级IP65、电压电流采集精度≤1%、安全接触电流≤0.75mA。

3.集中控制器的选配

高速公路隧道照明单灯智能控制管理系统中的集中控制器选用丹东三安技术发展有限公司自主研发的IDGS-1路灯物联数据集中器。IDGS-1路灯物联数据集中器采用220V供电，终端内置电池。可以完成照明配电柜运行参数采集。采用公网GPRS通信方式，兼容有线宽带、CDMA等通信方式。监控终端带有通用接口，可以实现与配电、节能和防盗设备的连接，做到四位一体。监控终端自带中文LCD现场显示屏和按键可以在现场手动操作功能，实现终端的管理、维护，以及照明控制柜的运行参数抄读和控制。具备自动报警、设置与查看、抄读、终端管理与维护功能初始化、实时控制、校时等功能。

4.控制方式与策略

高速公路隧道照明基础照明LED灯24小时工作，为避免过度照明导致的电能浪费，也为了减小LED隧道灯光衰同时考虑电源寿命问题，在项目实际实施过程中可利用车辆检测仪来统计分时段的车流量大小，根据分时段车流量大小来自动调节基础照明亮度[1]。

高速公路隧道加强照明LED灯的开闭时间、亮度调节都是由单灯控制器来完成的。控制系统根据洞内外亮度检测数据和车流量数据，经过计算和分析后来自动的调节LED隧道灯的亮度百分比，以达到最优照明效果，以此来消除高速公路隧道“黑洞效应”。

高速公路隧道应急照明由基本照明灯实现。当城市供电突然中断时，无级调光控制器瞬间将基本照明灯功率同步调整到50%左右，使应急照明配光特性与原基本照明一致，消除了“斑马效应”产生的可能，有效的避免了高速公路隧道交通意外的发生[2]。

5.结语

基于单灯智能控制的高速公路隧道照明管理系统以实现G50沪渝高速的峨山隧道照明智能节电控制为目标，综合运用无线通信、传感器信息处理、电力线载波等技术技术实现了对高速公路隧道LED灯的无极调光控制，对高速公路隧道照明智能控制应用与推广具有重要意义。