隧道照明的智能控制方式浅析

汪晶

(上海隧道工程有限公司， 上海 200062)

0 引 言

近十几年来我国大力推进交通基础设施建设，全国范围内广泛开展县县通高速工程，为提高城乡交通建设水平和加快实现现代化建设奠定了坚实的基础。在交通基础设施的建设过程中，受我国地理条件的影响，如中西部高原多山和东南部丘陵多水域等，需要建设大量的山体隧道和水底隧道。随着通信、计算机、图像处理和控制等技术持续革新，安全、便捷、舒适、经济和高效的交通环境受到广泛关注。人们对日常交通提出了更高的要求，智慧隧道呼之欲出。隧道照明作为隧道机电设施中的必要部分，向智能化方向发展是一个必然的趋势。一个良好的智能照明系统不仅能给驾驶员提供一个舒适的行车环境，提高行车安全性，同时也能实现国家节能减排的目标，实现按需照明和降低照明的能耗，达到最大限度的节能目的。

1 隧道照明系统的组成

隧道作为一种特殊的密闭建筑结构，在保障通行安全的情况下必须提供足够的照度。驾驶员作为车辆的操作者，对道路状况和相应信息的接收尤为重要。当车辆在不同时间段和气象条件下进入隧道，环境和光强的变化，会引起驾驶员的视觉变化。由于人眼视觉滞后效应,会产生视觉盲区。当驾驶人员行驶到隧道出口附近,由于洞内外亮度差会产生“白洞效应”[1],这都将对行车安全造成影响。为减小这种现象对驾驶员的影响，隧道内部的照明不仅要求有足够的照度，而且需要按照一定的亮度曲线进行设置。隧道照明系统主要由隧道中间段照明、入口段照明、过渡段照明、出口段照明、接近段减光设施、应急照明以及洞外引道照明等组成[2]。通过对这些常规的隧道照明设施进行智能控制调节，实现隧道照明的要求。

2 隧道照明智能化控制的实现方式

近年来，随着LED照明灯具的发展，隧道LED照明已经取代隧道荧光灯和隧道钠灯，成为隧道的主照明。相对于传统的隧道照明，LED灯具和调光电源的使用使得精细化的调光功能得以实现。结合安装在隧道洞内、洞外的光照度仪和光强度仪，洞内的COVI传感器与车辆检测器，以及视频分析数据的处理，使隧道内的照度能够按照理论的光亮度曲线进行调光，提供驾驶人员一个最为舒适的视觉效应，另外在车辆通行较少的时间段，降低隧道内照明，实现节能的目的。

以上海在建的某隧道智能照明系统为例，分析整个系统结构。该系统为分层分布式结构：第一层是上海隧道照明上级管理机构智能照明监控系统，与隧道节点控制中心通过专网或4/5G专用网络进行通信；第二层是隧道内部隧道照明控制系统，该系统与隧道照明现场控制器通过隧道内部敷设的光纤环网进行通信，亦或可以通过设置在隧道内部的4/5G网络进行通信；第三层是现场智能照明控制层，包括现场控制单元、调光电源和照明灯具。整个隧道照明系统的结构如图1所示。

图1 隧道照明系统的结构

按照目前通用的调光模式，隧道内智能照明的控制结构可根据实际的需求进一步细分，有以下几种模式：①采用0～10 V调光;②采用总线形式调光；③PWM调光。0～10 V和总线形式调光模式目前在隧道调光中得到应用，都有相应的优点。

0～10 V调光是一种模拟调光方式，具有简单可靠、生产成本低和安全性高等优点，但也受到传输距离的限制。由于对应的0～10 V 电压在线路上产生压降，长距离传输可能导致调光不匀，因此一般应用在较短的距离范围内。

总线形式调光一般采用DALI协议进行调光，该协议是一种开放式的国际标准照明控制通信协议。通信方式采用半双工，速率为1 200 Bps, DALI 可以通过最大64个短地址和16个组地址构成网络,一个主机可以控制一个或多个从机,以半双工方式进行通信[3]。DALI协议控制方式相对于0～10 V调光有优点也有缺点。优点是：在具体实施中，对总线的线材要求不高，不必采用屏蔽双绞线或专用的通信电缆；调光可以控制到每个LED灯，对灯具按预设的模式进行编组调光，结合隧道内外的传感器可以做到按需控制，调光可以实现过程平滑和灯光无闪烁。 缺点是：电源成本较高，各个厂家的产品互换性可能存在问题。

针对上述调光方式，可在隧道内按以下两个方案进行建设。

方案一，应用0～10 V调光方式进行调光控制，如图2所示。

图2 智慧隧道照明整体解决方案一(智慧独立方案)

该方案是一个完整的低成本和高智能化的一体化方案。方案的优点在于支持各种类型的隧道灯，支持0～10 V调光功能，同时在新建隧道时，可按照三相平衡的原则进行安装应用。利用T-LCU的用电监测能力，可以实现每一组LED灯具的在线监测，如一组控制10盏50 W LED灯具，那么利用T-LCU的电参数实现实时动态监测。如果检测到功率下降或电流下降，就可以计算出整条回路中有几盏灯故障，方便后期隧道的管理养护工作。通过光纤环网连接的所有T-ACU区域控制器，全部接入到隧道机房内的智能照明控制中心，形成隧道端的监控子平台，并遵循DG/TJ 08—2296—2019《道路照明设施监控系统技术标准》中平台与隧道内子平台之间的互通互联方式。隧道端的监控子平台与上级行业管理平台之间通过专网或4/5G网络，采用VPN等方式连接。

方案二：应用DALI总线调光方式进行调光控制，如图3所示。

图3 智慧隧道照明整体解决方案二(单灯独立方案)

该方案是一个完整的高成本和高智能化的一体化方案。利用总线区域集中控制器将隧道内的照明分为多个区段，通过总线实现调光功能，独立控制到每一个灯具，每个总线区域集中器可以管理多个单灯控制器；为实现系统的稳定性和时效性，单灯控制器数量不超过50个为宜。同时利用集中器自身自带的逻辑业务功能，实现对所管辖的所有单灯控制器进行实时管理、实时监测和实时分析，并将信息主动上报T-ACU；利用T-LCU的用电监测能力，实现每一盏LED灯具的在线监测。通过光纤环网连接的所有T-ACU区域控制器，全部接入到隧道机房内的智能照明控制中心，形成隧道端的监控子平台，并遵循DG/TJ 08—2296—2019标准中平台与隧道内子平台之间的互通互联方式。隧道端的监控子平台与上级行业管理平台之间通过专网或4/5G网络，采用VPN等方式连接。

以上两种控制模式在上海隧道均得到应用，智能照明系统的实施不仅为驾驶人员提供了一个安全可靠的驾驶环境，提升了驾驶人员的满意度、舒适度及体验感，而且有效降低了事故的发生，为人民的安全出行提供保障。

在前文提到的某在建隧道，智能照明控制方式将采用方案一来实施隧道照明控制。

3 隧道智能化照明的功能

(1) 系统包括系统功能、控制方式、接口、控制设备和软件要求等，能适应隧道特殊的使用环境。

(2) 能够实现系统自动控制、远方遥控或就地手动控制的功能。

(3) 能够根据隧道外部气候条件、隧道内平均车速和流量进行照明亮度的自动调节, 降低照明能耗。

(4) 实现隧道分段亮度调节的功能：按入口段、过渡段、隧道内部、过渡段和出口段进行调节。

(5) 系统对LED隧道灯的控制采用0～10 V控制。

(6) 能够根据时间、亮度和气候等条件所设定的运行模式进行调试和控制，根据操作员的操作权限对系统时控和光控等模式进行参数按需设置。

(7) 照明系统具有设备自动诊断、巡检功能以及现场实时数据采集功能，采集的设备信息包含：各个LED隧道灯组灯的亮度等级，LED隧道灯和调光电源的故障信息，灯具、电流、电压和功率等监测告警。

(8) LED隧道灯与控制系统失去通信时，延时10 min后，灯亮度自动调到100%，保证故障时照明。

(9) 系统应支持广播和点播等多种通信，同时提供必要的网络安全措施。系统软件支持在线升级。

(10) 隧道 LED 照明控制系统应以数据、图形和图像等方式显示隧道内 LED 照明系统的运行情况和控制模式等[4]。自动按照预设的模式完成备份和数据文档存储，满足管理方对数据进行查询、统计和形成报表的需求。对各类日报、月报和年报自动进行对比分析，对设备和线路的电压和电流等运行数据进行分析，同时设置权限管理。

(11) 当隧道一旦发生火灾,调光系统接收到FAS火灾报警信号,联动控制隧道所有LED隧道灯具100%光输出。LED调光系统如发生故障，故障区域内的LED隧道灯100%光输出[5]。

(12) 系统应满足规范对电磁兼容和谐波的要求，不应对隧道内设备的供电质量产生影响，同时也不能对供电电网产生伤害。

(13) 为将来运营管理考虑，实现手机和平板电脑等设备的移动巡检。

4 结束语

在我国道路交通设施高速发展形势下，智能化、人工AI技术和大数据分析等创新技术得到广泛应用，改变了以往常规的隧道设计、建设和管理运营模式。隧道不再是一个简单的交通通道，隧道内照明也不仅仅只提供光照功能。在目前，大量的新技术和新产品在隧道内的广泛使用将促使隧道向智能化方向发展。为了提升隧道内各类设备的使用效率，隧道监控引入了综合监控系统，从而提升了整个隧道设备的综合管理能力。借助综合监控系统完成隧道内设备工作数据监控采集，加强后台对设备的操控能力，提升了隧道设备运行稳定性、可靠性和安全性。隧道照明作为隧道建设和运营所必需的基本系统，作为一个耗电大户,其智能控制方式可以实现节能降耗的目的，为国家可持续发展提供助力。