基于LED的隧道智能照明技術方案研究

潘 鳴，李良榮

（貴州大學理學院 電路與系統，貴州 貴陽 550025）

1 隧道照明設計要領

白天駕駛員駕駛車輛從隧道外接近、進入和通過隧道的過程中，如果隧道沒有照明裝置，由于隧道內外亮度差別極大，入口處將呈現一個“黑洞”，出口處則看到一個“亮洞”；夜間駕駛員行車進入和通過有照明系統的隧道，情況就又剛好相反，這些現象都會引發安全事故。為此，《公路隧道通風照明設計規范》制定了相關的規范[1]，對入口段、過渡段、中間段、出口段的亮度做了詳細的規定，相關規定如下：

1）入口段亮度需求 Lth（cd/m2）

式中 k 為折減系數，L20（S）為洞外亮度（cd/m2）

2）過渡段亮度需求

照明段TR1的亮度Ltr1如下：

照明段TR2的亮度Ltr2如下：

照明段TR3的亮度Ltr3如下：

積雪在短時間內不同時相高分四號衛星近紅外圖像上均表現為穩定的強反射特征，而同一區域不同時相的云層受到成分、厚度、高度等因素影響，其反射值會出現波動.因此，在基于多時相全色圖像得到的雪蓋范圍內，針對高分四號衛星近紅外波段圖像，進行多時相近紅外圖像的最小值合成.結合積雪在近紅外波段的高反射特征，通過二值化分割，取亮度值不小于0.9倍動態范圍值的像元為雪.由于這是在全色圖像上提取積雪范圍的基礎上進行的再處理，因此，采用基于動態范圍的相對閾值作為門限值，就可進一步消除變化云層因素的影響，計算方法如下：

3）中間段亮度 Lin，如表1所示。

表1 中間段亮度規范Tab.1 Specifications for design of the middle section

4）出口段亮度

亮度取中間段亮度的5倍。

夜間照明分兩級控制[1]：交通量較大時，亮度與中間段亮度Lin相等；交通量較小時，亮度為0.5Lin但不小于1 cd/m2。

2 LED智能燈的設計方案

2.1 隧道中LED智能燈具照明與傳統燈具照明的比較

1）傳統的隧道照明方案

傳統的隧道照明方案為了做到節能，通常采用4級照明，即晴天、云天、陰天和重陰天4種照明模式[2]，這種控制方式一般采用的都是控制亮燈的數量和位置來達到分級照明的目的。采用的燈也是傳統的高壓鈉燈，由于高壓鈉燈光源的功率規格通用型只有100 W、150 W，250 W和400 W幾種，而許多高速公路隧道基本照明燈具僅需40～120 W即可，但目前隧道的基本照明通常選用100 W、150 W或更高的高壓鈉燈[3]，普遍存在過度照明，或要人工控制的問題。

在設計燈具功率時，必須要考慮一定的維護系數，這樣才能確保在實際的運營過程中當燈具光源亮度衰減和燈具受到污染而使亮度下降30%以上時，其照明的強度依然能夠滿足規范的要求。

在《公路隧道通風照明設計規范》中規定，維護系數取0.7，如某隧道實際需要80 W的燈具，那么設計的時候燈具功率最少要選115 W；同時還要考慮到燈具會隨著時間的推移，自身會有損耗，為了確保燈具能符合設計規范，就必須有一定的冗余量，一般取1.7倍，那么設計的時候燈具功率[4]就要高于136 W，于是選用150 W的高壓鈉燈。

2）LED智能燈具照明方案

LED有發光效率高、壽命長、易控制等特點。如某隧道實際需要80 W的燈具，用LED智能燈就可以控制成80 W的規格，避免過度照明。根據隧道外的亮度智能化控制隧道內LED燈的照明亮度，特別是入口段、過渡段這兩段的亮度調節，即根據隧道的設計行車速度來設計該路段需要多亮，照明燈具就控制多亮（LED智能燈也必須有一定的冗余量），以避免過度照明，這樣可以節約電能，減少污染排放。

2.2 LED模擬燈具設計

如圖1所示為用1 W臺灣晶元正白光大功率燈珠制成的24 W模擬隧道燈；燈具控制系統中采用了達林頓控制電路，使實驗中LED燈珠達到了最佳的亮度（110 lm）；模擬燈具標準光通量為2 500 lm（Tj=25℃），最大的光通量達到7 500 lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。

圖1 模擬隧道燈Fig.1 Simulation LED lamp

3 系統方案設計

3.1 LED智能燈電路系統方案

本方案設計有兩套控制電路，一套控制LED燈組的照明亮度，另一套控制燈具的照明亮度。課題組在模擬隧道外設置了一個亮度監控裝置，將自然光強度轉化為0～5 V的直流電壓信號，再經ARM7（stm32f103vc，中央控制器）分析計算，控制LED燈的照明亮度使之符合國家規范 （段亮度控制指令）；同時在模擬隧道內也設置了亮度監控裝置，對模擬隧道內相應路段的照明亮度進行信號采集、并分析計算，如果照明亮度不足，就自動調整提高相應LED燈的亮度，做到智能補光，以有效補償因燈具損耗或受灰塵、尾氣等因素產生的照明亮度減弱。

3.2 分段照明控制設計

來車檢測傳感器等間距設置如圖2所示，D1為距離隧道口一段距離的感應帶，當有車行到D1處時，D1采集的信號傳到中央控制器處理后讓D2→D3路段燈組點亮；當車行至D2時，D2采集的信號讓D3→D4燈組點亮；當車行至D3處時，D4→D5段點亮，此時如果D1→D3段內無車經過，則熄滅D2→D3燈組；之后的燈組以同樣的原理控制。此方案在車流量較少的高速公路隧道使用，節能效果更加明顯。方案如能得到推廣，將為國家節省下大量的電能，為我國的節能減排做出巨大貢獻。

圖2 分段控制傳感器設置方法Fig.2 Design of segmented lighting control

3.3 耗能比較

文中以亞洲最長市政隧道——貴州省貴陽市黔靈山公路隧道為例，以說明本設計方案的節能優勢，隧道全長1 580 m，設計時速60 km，使用高壓鈉燈照明。

入口段：長90 m，三盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m。

過渡1段：長30 m，三盞燈一組與兩盞燈一組間隔布置，兩側對稱布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m。

過渡2段：長70 m，兩盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m。

基本1段：長610 m，一盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距10 m。

基本2段：長750 m，右側一盞燈一組，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W；左側一盞燈一組，間隔點亮，燈組間距10m，每盞燈功率為150 W。

出口段：長35 m，三盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m。

基于隧道的基本情況，為了便于計算，以高壓鈉燈間距為10 m，兩側間隔布置來進行分析，那么單洞兩側總計至少有300盞燈。隧道高壓鈉燈功率采用150 W；為達到設計照明要求，需要考慮一定的冗余量、維護系數以及隧道建筑限界凈寬、限界凈高、燈具額定光通量等，LED智能燈設計調整范圍為80～130 W，依據《公路隧道通風照明設計規范》以及隧道實測的亮度數據實際使用時 “平均取值90 W計算”，不改變燈的布局，對高壓鈉燈和LED智能燈做長明燈的年能耗比較，如表2所示。

表2 高壓鈉燈與LED智能燈能耗比較Tab.2 Compare of energy consumption between high pressure sodium lamps with LED Intelligent lamps

從表2中可以看出，用LED燈具24小時照明可降低60%的能耗，以0.30元/度的電價計算，僅是此段隧道每年將減少4.7萬元照明電費開支。就目前通過該路段的車流量來算，如果實施“有車經過點亮、無車關閉”的照明方案，最少還可降低25%的能耗（1/4的時間關閉照明）。該方案如果推廣全國高速公路隧道照明，對高速公路營運部門來說，有良好的經濟效益；對國家節能降耗戰略來說，社會效益顯著。

4 結束語

本方案基于西部隧道照明的實際情況設計的燈具結合了嵌入式系統和LED燈，不僅使燈具照明智能化、數字化，而且性能穩定、工作可靠；同時使用分段控制技術取代傳統的整段控制技術，在節能上有著明顯的優勢，為今后的隧道照明方案提供了一種新的參考。

[1]中華人民共和國行業標準，《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ 026.1—1999）[M]. 北京：人民交通出版社.2000：44-46.

[2]楊曉光，呂曉峰.隧道LED亮度智能無級控制系統節能分析[J].交通世界，2008（10）：104-106.

YANG Xiao-guang， LV Xiao-feng.Theenergy saving analysis of intelligent wireless control system for brightness of tunnel LED[J].Traffic World，2008（10）：105.

[3]韓直，呂曉峰，尹林，等.公路隧道LED照明調光控制技術研究[J].中國交通信息產業，2009（10）：99-102.

HAN Zhi， LV Xiao-feng， YIN Lin， et al.The research of LED lighting dimming control technology on road tunnel[J].Transportation Information Industry，2009（10）：99-102.

[4]饒頌濤.淺談LED照明燈具亮度智能化無級控制技術在公路隧道中的應用[J].科技信息，2009（13）：335-336，345.

RAO Song-tao.Introduction about the application of intelligent control technology On the brightness of LED lighting-class in highway tunnel[J].Science and Technology Information，2009（13）：335-336，345.

[5]張馳，王洵，徐沛娟.公路隧道LED節能照明及控制系統試驗研究 [J].新技術新工藝·數字技術與機械加工工藝裝備，2009（9）：68.

ZHANG Chi， WANG Xun， XU Pei-juan.The research of highway tunnel energy-saving LED lighting and control system[J].New technologies·digital processing equipment and machinery，2009（9）：68.

[6]李良榮.可編程時間控制器的設計[J].貴州大學學報：自然科學版，1999（3）：232.

LI Liang-rong.Design of programmable time controller[J].GuizhouUniversity Transaction：NaturalScience，1999（3）：232.

[7]郭俊凱.智能調控裝置在九嶺山隧道照明中的應用 [J].技術，2009（11）：108，117.

GUO Jun-kai.The application of intelligent control device in tunnel lighting of jiuling mountain[J].Technology， 2009（11）：108，117.