高速公路隧道照明智能控制技术

2022-02-11李云龙

设备管理与维修 2022年24期

李云龙

（中国铁建昆仑投资集团有限公司云南高速公路运营管理总部，云南昆明 650100）

0 引言

在进入隧道时，司机会在视觉上遇到一些问题：在白天隧道外面的光线要比隧道内好很多，司机突然驶入一条长长的隧道时会发现前面一片黑暗，这是因为从明亮的环境进入昏暗的环境时眼睛要先适应一段时间才能看到里面的景象，这段适应时间会对行车安全形成很大的威胁。为了让司机更好地适应隧道内的环境，必须在隧道中设置灯光照明、完善隧道中道路的照明条件，以确保隧道内的交通畅通和安全[1]。

1 隧道照明智能控制系统体系结构

目前，时序控制系统是一种广泛应用于隧道工程照明系统中的方法，它主要是通过不同线路的增减来实现隧道内部照明设备工作的数量。该方法具有简单易行、安全可靠的特点，但由于没有充分考虑到车速对照度、车流量等外在因素对于隧道内部光照条件变换的影响，而且由于天气条件不断变换，对隧道内的照明系统也会产生不利影响。它不能充分满足隧道的灯光需求，而且能源消耗较大。随着半导体照明技术的迅速发展，LED（Light Emitting Diode，发光二极管）光源因其节能高效的优点在隧道内的应用日益广泛。LED 照明具有寿命长、可靠性高、低功耗等优势，符合绿色节能环保的特点。

隧道照明智能化控制系统包括监控中心主控计算机、LED隧道照明智能化控制器、数据通信接口等。该系统采用场地传感器对隧道内外部照度值、车速以及车流量等进行实时监测，并把资料传输到监测中心。主控计算机则根据所设置的光线调控逻辑，计算出每个隧道、不同区段目前的亮度参数，并将其通过通信网络发送到各个隧道的LED 照明控制器，发布光线调节指令。

隧道照明控制器根据预定的照明控制策略，采集汽车探测器和光电探测器的检测信号，实现隧道内全部的灯光控制。该系统的控制策略是，在平常没有车辆进入的情况下，只在隧道内部开启相应的基本照明，这取决于探测到的洞室和外部的光强差值；在检测到有汽车进入通道的时候，打开隧道入口的增强灯；当探测到车辆驶入隧道后，在车辆前方一定范围内增加灯光；如果发现后方没有其他车辆跟随，就会关掉后方的增强灯，并且降低基础灯光的亮度。同时，通过测量到的光强度，可以判断出白天、夜晚以及晴天、阴天等时间段的数值，使对应的灯光亮起或熄灭[2]。

隧道的照明设备控制系统会根据不同隧道的属性进行控制点的设置，首先是隧道入口处的控制，然后是隧道过渡区域的照明控制，最后是出口区域的照明控制。隧道照明控制器基于接收到的亮度调节指令，通过PWM 模式的占空比自动调节照明设备输出电流，来改变发光二极管的亮度和运行状况。主控电脑采用照度传感器，实时监控当前的隧道照度，判断当前的照度是否达到了要求，如果达不到要求，则对隧道内的照明进行新的控制，从而达到控制隧道内部亮度的目的。

为了确保行车的安全，在调整隧道的照明时，调光系统该方法通过逐步渐进的渐变亮度控制方式，使物体的亮度逐渐降低，从而有效地防止了因亮度变化引起的不安全问题。该系统可以实现单一的单光源或局部光的群控，而且还能根据现场的实际情况，对其进行调整，从而节省大量的电力，并能有效地减少运行费用。

2 系统通信网络结构设计

该系统采用总线结构，通信方式可以选择Zigbee 无线方式、RS-485 总线或CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线等多种通信方式，与LED 光源智能接收控制器的接口形式相适应。图1 为LED 隧道照明的智能化控制系统的拓扑结构。

图1 系统网络拓扑结构

利用RS-485 或CAN 总线技术进行数据传送，必须特别注重线路敷设施工工艺，在LED 灯的供电线路和数据传输总线平行布置时，会产生高电压的脉冲耦合。而Zigbee 则是一种以IEEE802.15.4 为基础的新型短程无线通信技术，它可以很好地解决上述问题，特别适用于对数据传输速率要求不高的、分散的多个测量节点。该系统采用配置Zigbee 模块的隧道照明智能控制器，实现Zigbee 组网（图2）。

图2 Zigbee无线网络照明控制示意

与舞台灯光要求的快速变换相比，隧道灯光的亮度变化比较慢。在选择通信协议时，采用DALI 数字可寻址照明接口协议最为适合。

（1）DALI 是一种用于照明控制装置间数据通信的接口，其最大特征是可以独立地定位和控制系统中的LED 灯，虽然它们在强电流方面属于相同或不同的回路，但是它们与强电线路没有直接的关系。这使控制系统具有很大的灵活性，可以按要求设计出符合规定的灯光方案，即使在安装完毕后也可以在不改变线路的情况下调整控制参数。

（2）DALI 系统的结构十分简单，具有较少的功能模块，还具有易于安装、易于调试等特点，能够完成很多由回路控制的智能照明控制系统所不具备的功能。

（3）DALI 技术是一种双向通信技术，既能发出控制命令又能实时地反映LED 灯控制器和光源的运行状况和故障情况，为交通运输的日常运行、维修、统一管理提供方便。

（4）DALI 协议是基于DALI 数字照明的控制技术，具有明显的优越性，包括精确的控制效果、技术的规范化和优秀的开放性等，使DALI 在照明控制方面得到快速的发展和进步。现阶段隧道照明系统中的硬件及软件均由DALI 协议发展而来[3]。

3 LED 隧道灯智能控制单元

隧道照明系统中的核心设备是LED 灯源设施，而控制LED灯源的控制系统是核心系统的大脑，他通过各种传感器元件和电子系统对LED 灯源进行精准的控制，进而进行灯光调节。例如，一块晶片的额定电流是350 mA，通过对流经LED 的电流进行控制，可以控制它的发光强度。可以使用下列两种方式来控制电流：

（1）在0～350 mA 的范围内，通过斩波调相可以实现持续的调整，但是这种方法需要对开关电源进行再设计，在LED 生产厂商电源众多的情况下，其具有非常查的适用性，很难实现广泛的应用。

（2）以各个生产厂商的LED 照明电源的额定输出电流为参考，利用PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）对电源的平均输出电流进行控制，达到了调光的目的。该系统的LED 调光控制器采用PWM 调制，强度可在0～256 级范围内连续调节，并可在光源电源与LED 模块间进行连接，不依赖于光源本身的供电，可按需控制多达6 个LED 模块。由于不需要更换原光源的电源结构，由此可见其具有较强的适应性，在各种环境下均能稳定发挥作用。

LED 灯生产企业应针对其自身的特点，采取串并联的方式，将LED 灯组装为一个或多个组件，在各个组件内部采用串联结构，组件之间并联。LED 灯智能控制器根据所收到的控制指令，对各模块进行PWM 调制，从而达到联合调光或分组调光的目的。

在选用PWM 调制频率时，要注意LED 灯具与其他光源之间存在的差异。隧道中一般除了LED 灯还会加装荧光灯或高压钠灯等，如果调制频率过低则会在不同频率下出现明显的频闪现象，情况严重时会给隧道内的通行带来很大危害；但如果PWM 调制频率太高，则会增加开关的损耗，使功率变得更高，减少能源使用。大量的实验表明，PWM 调制信号的频率在2～10 kHz比较适宜，而本文所选用的调制频率是6 kHz。

LED 智能控制系统的关键部件为高功率的开关元件，其中包括IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、晶闸管、大功率MOS 管、可控硅等。IGBT 及晶闸管主要应用在大电流环境中，可控硅操控简易，有丰富成熟的技术，但工作频率较低，不适合应用于PWM 调制的工作，因此可选用大功率MOS 管作为部件。

通过分析大功率MOS 器件的故障类型，发现超过90%以上的MOS 设备都是断开的，为保证照明控制系统的安全可靠，该开关设备可以采取旁路的方法，使大部分的故障发生时LED 灯仍然能够处于完全发光状态，以确保隧道中的行车安全[4]。MOS为Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 的缩写，即金氧半场效晶体管。