直流智能调光系统在城市隧道照明中的应用——以重庆市某隧道为例

陈凯麟

厦门市市政工程设计院有限公司，福建 厦门 361000

0 引言

随着LED照明技术的不断成熟和发展，其性能和安全标准无论在国家层面、行业层面还是地方层面都得到了充分的认可，使其广泛应用于室内外各类场所的照明。在社会大众对照明高品质的追求下，隧道照明已呈现多样化的功能性应用趋势，如节能性、安全性、舒适性等[1]。传统的隧道LED供电方式是在末端通过驱动电源将220 V的交流电转化为灯具所需要的直流电，而随着直流照明技术的不断成熟，采用直流电直接供电，从而省去末端转化的过程。从光环境质量的角度来看，通过集中处理直流供电照明能够更好地避免灯具的频闪，从而营造更为舒适健康的光环境；从控制的角度来看，直流供电具有更好的控制灵活性，在智能化技术应用方面具有明显的优势；从安全的角度来看，人体对直流电流的耐受极限值远高于交流电流，其安全性明显优于交流电[2-3]。文章以重庆沿山大道文峰山隧道为例，针对直流智能调光系统的设计进行分析。

1 项目概况

文峰山隧道为上下行分离的长隧道，隧道左线总长1 500 m，右线总长1 600 m。隧道南端洞口采用端墙式洞门，北端洞口采用削竹式洞门。隧道净空为17.5 m×5.0 m。道路等级为城市主干道，双向8车道，设计行车速度为60 km/h。该项目采用直流供电系统，直流柜具备交流输入、防雷、整流、分路输出、采样、控制等功能。采用IT系统接线型式，在直流柜内部完成交流变直流，优选值DC 220 V，对每个LED灯具供电。

2 直流智能调光系统应用

2.1 调光方案

根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）、《LED城市道路照明应用技术要求标准》（GB/T 31832—2015）的相关规定，将隧道照明区段分为入口Ⅰ段、入口Ⅱ段、过渡Ⅰ段、过渡Ⅱ段、中间段、出口Ⅰ段、出口Ⅱ段，洞外亮度取3 500 cd/m2，入口段亮度折减系数取0.022，各段亮度标准要求如下：入口Ⅰ段Lth1=77.0 cd/m2；入口Ⅱ段Lth2=38.5 cd/m2；过渡Ⅰ段Ltr1=23.1 cd/m2；过渡Ⅱ段Ltr2=7.7 cd/m2；中间段Lin=6.0 cd/m2；出口Ⅰ段Lex1=18.0 cd/m2；出口Ⅱ段Lex2=30.0 cd/m2。

设计阶段采用晴天、云天、阴天、重阴（晚上）、深夜五种调整方案，运营期间可根据交通量变化、洞外亮度变化、不同季节等制订适宜的调光及运营管理方案，以确保隧道照明系统在不同运营条件下的安全与节能运行，并实现科学管理。不同调光模式下各照明区段的亮度及调光比例如表1所示。

表1 不同调光模式下各照明区段的亮度及调光比例表

隧道LED照明采用无级调光方式，集中控制器应具有直流电力载波接口，采用曼彻斯特编码协议，通过脉冲宽度调制（PWM）方式实现隧道LED照明的调光，亮度调节范围为0～100%。总体控制策略如下：根据洞口亮度和夜间时段，对不同照明区段的灯具的调光比例进行设定后自动调光。洞外亮度越高，洞内照明亮度也越高，反之亦然。当洞口亮度监测仪采样的亮度值在3 500 cd/m2（L20＞1 750 cd/m2）时，系统认定为晴天模式；在1 750 cd/m2（875＜L20≤1 750 cd/m2）时，系统认定为云天模式；在875 cd/m2（455＜L≤875 cd/m2）时，系统认定为阴天模式；在455 cd/m2（L≤455 cd/m2）或者进入夜间时，系统认定为重阴（晚上）模式；晚上12点之后，系统认定为深夜模式。

2.2 关键技术

（1）曼彻斯特编码。曼彻斯特编码又称裂相码、同步码、相位编码，是一种用电平跳变来表示“1”或“0”的编码方式，其变化规则很简单，即每个码元（一个时钟位）均用两个不同相位的电平信号表示，也就是一个周期的方波，但“0”码和“1”码的相位正好相反。五种调光模式下的曼彻斯特编码如图1所示。

图1 五种调光模式下的曼彻斯特编码

直流智能调光系统采用曼彻斯特编码进行开关及调光控制，设定如下：高电平为DC 220～290 V，低电平为高电平-10 V；系统处于正常工作状态时，输出电压为高电平；一个时钟位内输出电压由高电平转为低电平时表示“1”，由低电平转为高电平时表示“0”。

（2）直流电力载波通信（直流PLC）。电力线载波通信是以输电线路作为载波信号的传输媒介的一种通信方式，最大的特点是不需要重新架设网络，通过现有电力线传输控制信号，减少所需布线量，节省成本与部署时间。直流电力载波通信即将载有信息的信号调制到直流电上，利用现有线路实现数据通信。

（3）智能驱动电源。相对于传统电力载波通信（PLC）智能照明控制系统，该系统采用单灯控制器与DC/DC驱动电源集成设计的方案，PLC通信模块内置于驱动电源中，省去单灯控制器的投入，在驱动电源上增加部分成本，即可实现通信与调光功能，从而节省设备的成本投入。此外，相对于传统方案，该方案省去单灯控制器的体积，灯具的体积也可变小，从而降低灯具的成本。传统调光方案和智能驱动电源方案分别如图2、图3所示。

图2 传统调光方案

图3 智能驱动电源方案

2.3 技术路线

直流智能调光系统主要由直流柜、集中控制器、直流LED灯具、智慧照明管理平台组成，将智能化系统与直流照明相结合，利用直流PLC对隧道LED灯具进行智能控制，实现智慧照明。

集中控制器接收智慧照明管理平台下发的指令，控制直流柜内整流模块输出电压的波动，每一种波动组合代表一种调光策略，再通过直流电力载波传输到每个灯具，驱动电源接收并解析平台发出的调光控制命令以调节灯具亮度，实现智能调光。同时，驱动电源将其状态反馈至管理平台，进行数据交互，从而对照明状况进行监测和分析，为管理人员的决策提供支撑，系统拓扑结构如图4所示。集中控制器设置于直流柜中，既可与隧道监控中心实现通信，当通信中断时，也可独立于监控中心自行调光工作。

3 结论

智能控制、实时监测、精细管理、高效节能和绿色环保已经成为现代城市隧道照明控制系统发展的必然趋势。直流智能调光系统跟随时代发展的潮流，采用直流悬浮供电，与大地隔离，提高了用电安全性；采用DC/DC智能驱动，集成化设计，节约灯具成本；采用直流电力载波通信，减少了通信线缆投入，从而实现照明的节能环保、智能调光、安全运行以及精准维护。