高速公路隧道LED 照明无极调光智能控制系统及应用
2022-07-25刘晓娜张丽娜
刘晓娜 张丽娜
(陕西高速电子工程有限公司,陕西 西安 710000)
近年来,国内经济飞速增长,我国高速公路的建设数量与建设规模也不断增加。据统计,截至2020 年底,我国高速公路总里程达16.10 万公里,其中公路隧道已达21316 处。而陕西省作为全国的隧道大省,隧道数量众多,隧道照明用电消耗也成为隧道运营管理单位的一项巨大开支,同时为响应国家“双碳”政策号召,急需加大高速公路隧道LED 照明节能技术研究力度。20 世纪中叶,以欧洲为首的西方国家选择智能调光照明控制技术,制定了相应标准,且获得了全面的发展,促进了隧道照明的发展。对比国外,我国的隧道照明技术发展晚于国外,无完善的设计规范,一般设计按照《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)开展。在90 年代后期,为满足行车安全基本需求,贯彻安全、节能理念,开始确定灯具安装的相关方案,加大了“黑洞效应”、“白洞效应”、“灯具开启数量”几大主题的研究。本文根据多年机电工程积累经验,研发了一套高速公路隧道LED 照明智能控制系统,并应用于十天高速红石河隧道机电工程。
1 高速公路隧道照明调光控制方式
1.1 传统调光控制方式及存在问题
1.1.1 传统调光控制方式
隧道照明包含五个阶段:入口段I、入口段II、过度段、中间段、出口段,7 个照明回路,4 个加强照明回路,2个基本照明回路,1 个应急照明回路。照明回路包含6 档控制,为阴天、重阴、云天、夜间、下半夜和晴天,不同天气,会关闭部分回路,以此实现隧道内部亮度的调节。这类控制方案是利用上面所分的级别去开关预先设置好的灯具组, 达到省电效果。
1.1.2 存在问题
1.1.2.1 在灯具功率设计时,考虑到光源亮度衰减及光效差别,总会设计一定的维护系数和设计冗余,基于此,维护系数、设计冗余引发的过渡照明现象,回路控制模式也无法将其解决。
1.1.2.2 回路控制能够促使隧道照明阶跃,回路数量与阶跃成反比,前者越少,后者越高,不同阶段的持续时间,洞内照明、洞外亮度的拟合效果较差。
1.1.2.3 回路控制在节能运行期间,需将部分回路关闭,难以实现照度均匀,极易加剧驾驶员视觉上的疲劳度,增加不安全度。
1.1.2.4 照明回路效能不同,灯具的工作时长存在很大差异,一般隧道内的灯光为24h 全天候开启,阴天照明灯具,白天均需要开启,晴天照明灯具则需要在洞外亮度很大时才开启,这就会导致随带内的灯具使用时长不均等,基本照明灯具杜伟满功率运行状态,长时间使用会影响灯具寿命,后期维护成本较高。分析实际情况可得知,目前电能消耗较高,多数运营管理单位选择的是白天照明,夜间统一开启基本照明回路的方式实施隧道照明供电,白天照明明显不足,晚间照明过度。
1.2 LED 隧道灯调光控制方式分析
LED 照明调光模式选择的控制方式包括:(1)无级调光方式、(2)灯群组、(3)灯管阵列。(2)与(3)本质上是借助类似分级控制,亮度分级调节数量限制是有其控制原理决定的,但系统难度较大,很难实现隧道内不同区域亮度的平稳过渡,容易存在暗区,产生斑马效应。无级调节可实现256 级调光,通过十天高速红石河隧道机电工程实际应用,发现调光级数多,调光范围广,通过跟踪洞外亮度,能够有效吻合曲线,更好的适应人眼需求,极大的提高了隧道内照明的均匀度,系统结构比较简单,控制上更加具有灵活性。上述分析对比可得知,本课题选择的是LED 照明无级调光控制方案。
2 LED 照明无级调光技术研究
2.1 LED 灯具控制器调光技术分析
本文选择电压控制电流源(VCCS)亮度控制方式、电阻和晶体管限流亮度控制及脉冲宽度调制亮度控制方式进行全面对比分析,考虑脉冲宽度调光精准度高、且不产生色谱偏移的情况,选择PWM 脉种宽度调制亮度控制方式(PWM 模式)。PWMLED 亮度控制指的是借助直流电压,确保输出电压恒定,在限流电阻之后,以PWM 开展晶体管控制,在单位周期内,应用导通时间,进行电流、亮度控制(如图1 所示)。该电源损耗为初级、次级整流、变压器、限流电阻、滤波、晶体管损耗等,在PWM 模式调光内,通过减少LED 正向导通电流的占比,实现0%-100%的自由转换,可以最优的控制亮度。
图1 PWM 模式的LED 亮度控制
2.2 控制信号传输方式
本课题传输方式为PWM 脉冲调光控制信号,这类传输方式的抗干扰性较强,且线路简单,可实现信号的远距离控制,控制器的负载量较大。为实现远距离PWM 数字信号传输,在设计PWM 调光控制器时,可通过将调光控制器输出电流增加,提升PWM 频率,确保信号输出稳定性的方式,保障信号可靠。结合现场的测试结果,PWM频率能够实现长距离的传输,一般最远的传输距离为2公里,2 公里以上传输,需要信号放大器的支持。当前,高速路多选择的PWM 调光方式,常规控制距离为1.5 公里,以此同时,选择的PWM 数字传输控制信号,就当下灯具的编址等并未提出特别的要求,多种规格的灯具,可实现同时调光。
3 LED 照明无级调光控制系统设计
3.1 系统结构
亮度检测器、主控制器、调光控制器、灯具控制器、照明灯具和控制总线几部分,其系统结构见图2 所示。
图2 系统结构图
3.2 系统工作原理
亮度采集器将采集的洞外照度值等信息传递给主控制器,主控制器结合接收的照度数值,计算出LED 隧道灯的亮度值,不同位置亮度值不同,洞内与洞外亮度值差异大,可实现亮度的平稳过渡,确保驾驶员自然视觉环境良好,主控制器计算出来的亮度值,可形成调光指令,借助控制总线,能够传输给调控控制器,在指令的控制下,可以实现0-100%功率无级调光。
4 LED 照明无级调光控制系统方案及应用
洞外、洞内的亮度检测装置能够检测隧道内、隧道外的亮度信号,可及时传输给主控制器,结合亮度信号,主控制器可依据内置控制略表,实施相应的控制,并将信号传输到调光控制器节点上,经过调光控制器数据处理,输出PWM 数字信号,并将其传递到灯具控制器内。灯具控制器直接控制LED 灯上的电流,随着电流变化,输出电流均值变化,使得LED 灯输出光流量也随之变化,从而达到隧道照明亮度调节的目的。
结合十天高速红石河隧道机电工程实践,为确保系统可控与稳定,课题组针对可能出现的问题进行了重点考虑:
(1)电压损耗可能会导致信号衰减,为实现信号控制,确保其长距离输送,可选择PWM 数字控制信号的方式,在一段距离的传输之后,进行压降测量,结合实际,逐步增加信号放大器。红石河隧道总长为2.7 公里,为实现信号传输效果,本课题选择的是控制器中间布设的方法,在隧道中间放置调控控制器,实现中间朝两端控制的方式,具体控制电路设计如图3。
图3 调光控制器布设图
(2)即便是在断电、故障(如:传感器、电源故障)情况下,无法输入进而影响输出,灯具无控制信号输入,电压则为0,此时,隧道内的照明会低于应急照明标准,或者是无照明,这无疑会对隧道内的行车安全造成影响。基于此,在系统设计期间,必须要明确,输入电压为0 的情况下,隧道内的灯具均为最大亮度,灯具的最小亮度必须大于额定亮度的10.0%。这样的设置主要是为了确保在系统故障的情况,应急电源能够正常开展工作,隧道内保持照明,以此维护驾驶员的安全行车。
结束语
本文对LED 照明无级调光控制系统进行整体设计,提出控制方案,并成功应用于十天高速红石河隧道机电工程,经过实践证明,本课题研究成果可保证在提高公路隧道行车安全和舒适的基础上,降低隧道照明电能的运营能耗达到40%~60%,对于高速公路隧道的照明节能控制,具有重要的参考应用价值。