高速公路隧道LED照明調光技術應用

柏友富

摘要：本文探討了高速公路隧道LED照明的調光技術的應用。

關鍵詞：隧道照明調光技術

中圖分類號：TD625 文獻標識碼：A

交通運輸業(yè)是國家確定的節(jié)能減排重點行業(yè)之一，加快建設以低碳排放為特征的交通運輸體系，發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通，改進隧道照明，使隧道照明節(jié)約化、智能化是一種趨勢。為響應國家節(jié)能降耗政策，促進低碳環(huán)保的“兩型”高速公路建設，實現(xiàn)高速公路建設、管理效益的最大化，目前，全國部分高速公路隧道已采用了LED隧道照明燈具，并通過調光智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“安全行車與高效節(jié)能的完美結合”，以解決節(jié)能環(huán)保與安全行車的矛盾。本文通過實際案例對高速公路隧道照明調光技術作一淺探。

一、隧道照明系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，作為光源，LED以其節(jié)能、環(huán)保和壽命長的的特點，在高速公路隧道照明領域得到了廣泛的應用，在隧道照明設計時，除在隧道入口段和出口段的加強照明采用高壓鈉燈外，基本段的照明大量采用了LED燈具。LED不依靠燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉換效率非常高，因此，研究如何在基于交通流量、行車速度、可視度、駕駛員視覺特性的情況下，實現(xiàn)對LED燈具合理的智能照明無級控制，達到提高隧道照明質量，降低能耗與隧道運營成本，營造安全舒適的隧道行車環(huán)境，具有重要的現(xiàn)實意義。但在隧道照明的節(jié)能方面，所采取的主要措施是采用高功率因數(shù)的照明燈具(配高效電子鎮(zhèn)流器)、隧道內兩側鋪反射率高的裝修材料、集中調光控制、應用節(jié)能光源、采用合理的布燈方式、照明系統(tǒng)的手動控制、時序控制和自動控制等方法，還存在以下需要改進的地方：

1、目前大部分高速公路隧道照明采用分時段控制法，雖然控制簡單、可靠，考慮了環(huán)境因素對隧道照明的影響，但未考慮不同交通量、車速對照度的要求，因而造成不必要的浪費。

2、控制方式智能化水平低，能夠實現(xiàn)照明自動控制的非常有限，通常因線路布線回路的限制，只能做到2、3 級人工或自動控制，對于天氣、車速、車流量等時變參數(shù)無法從宏觀上對整個隧道的照明進行自適應方式調制。

3、未定量研究安全和節(jié)能之間的矛盾，隧道照明最突出的矛盾就是安全和節(jié)能之間的矛盾，所有的節(jié)能措施都必須在保證隧道運營安全的基礎上實施。

4、未定量考慮隧道照明的全壽命周期成本，目前，在對隧道照明方案進行經(jīng)濟計算時，大多數(shù)只關注初期的投入，而忽視了后期的運營電費和維護費用。

目前正在建設和已運營的高速公路隧道照明還是存在著電能的浪費現(xiàn)象，照明系統(tǒng)效率低，以及營運過程中產(chǎn)生的與行車安全和隧道監(jiān)控之間的矛盾等問題，不能適應當今節(jié)能型社會的發(fā)展需求。

二、常用的隧道照明控制方式

隧道照明分白天、夜晚。調光控制分晴天、云天、陰天、重陰天、深夜，其控制在變配電間內根據(jù)室外亮度傳感器信號按回路由PLC控制開啟。

該種控制模式由于是直接輸出電平信號，通過程序簡單判斷，達到閾值即進行控制。存在的問題是面對復雜環(huán)境的應變能力較差，不能做到隨機應變，有可能還會因為頻繁開關而造成線路及設備的損壞，多數(shù)情況下，會通過人工來控制，增加了人力成本。效果上由于是按回路開關控制，直接反應在路面上就是光柵效應，如果駕駛員長期在這種環(huán)境下駕車，容易引發(fā)身體不適，造成交通事故。

從照明設計的角度來看，在隧道照明設計初始計算時，設計院一般都會考慮燈具的光衰與維護系數(shù)，因此在實際應用中，隧道在初始投入時，洞內的照度實際上是超過設計要求的，如此一來，在燈具光衰至設計照度的這段時間內，其中的電能、光能都是浪費的，而且洞內照度會越來越低，因此，基于LED隧道照明的無級調光控制技術應運而生。

1、LED調光的主要控制方式

（1）電壓控制電流源（VCCS）亮度控制方式

該方式為模擬信號控制電流平均值模式，就是利用直流信號電壓來控制輸出電流平均值變化的一種輸出電流可控電源（如下圖所示）。它直接將電流信號取樣后經(jīng)隔離放大控制電源初級開關管的占空系數(shù)，隔離變壓器將不同占空系數(shù)的電能隔離后轉換為直流脈沖電流，經(jīng)低通濾波器濾波后轉換為大小隨控制信號變化的直流電流，從而控制電源的輸出電流。

（2）脈沖寬度調制（PWM）亮度控制方式（PWM模式）

PWM模式的LED亮度控制方式是利用直流穩(wěn)壓電源先輸出恒定電壓，然后經(jīng)過限流電阻或電感限流后，再通過PWM方式控制晶體管在單位周期內的導通時間來控制流過LED的電流，從而達到控制LED亮度的目的。與前一種相比，電源效率較低。

（3）采用電阻和晶體管限流亮度控制方式（限流模式）

采用限流模式的LED亮度控制方式是利用直流穩(wěn)壓電源先輸出恒定電壓，然后經(jīng)過限流電阻限流后，再通過工作于放大區(qū)的晶體管來控制流過LED的電流，從而達到控制LED亮度的目的。這一亮度控制方式電源能耗損失較大，多用于對能耗要求不高的燈飾亮化場所，且更多地用于小功率LED的亮度控制。

因此，采用DC 0～5V模擬電壓信號傳輸?shù)哪M信號控制電流平均值模式的亮度控制方式優(yōu)于其它亮度控制方式。模擬信號控制電流平均值模式的亮度控制方式是LED隧道照明的理想控制模式。

三、隧道照明智能調光控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

隧道照明智能調光控制系統(tǒng)主要是由計算機服務器、控制端及隧道中的自動控制模塊、各種信號傳感設備等組成，其工作原理如下：

數(shù)據(jù)采集層的車輛檢測器、洞內外光照度傳感器、CO/VI檢測器（可選）、風向風速檢測器（可選）準確地探測洞內和洞外的光照度及洞內的其它環(huán)境參數(shù)，并輸出到數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)處理層將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)分析處理，并將各種數(shù)據(jù)上傳到機房控制端服務器，控制端服務器通過設定的程序及控制人員的命令，輸出正確的控制信號到各個設備端，完成對各照明設備的自動控制。

系統(tǒng)在正常情況下分自動、手動控制，并可進行遠程監(jiān)控，在應急情況下會跳過控制系統(tǒng)直接讓照明燈具全亮，保證隧道行車安全。

隧道照明智能調光控制系統(tǒng)圖

調光控制的前提是必須滿足《公路隧道通風照明設計規(guī)范》有關隧道照度的要求。在本工程照明系統(tǒng)優(yōu)化方案中，基本照明燈具采用無級調光LED燈具，配合采用智能控制系統(tǒng)進行調光控制，現(xiàn)說明如下：

基本段照明按設定照度工作。控制器接收車輛檢測器信號，得到車輛檢測器提供的車流量等數(shù)據(jù)。控制器在設定的采集車檢器信號時間段內沒有車輛經(jīng)過，控制器輸出燈具調光10%的信號，全段燈具以最低功耗工作，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)；控制器在設定的采集車檢器信號時間段內（或歷史數(shù)據(jù)）有車輛經(jīng)過，但流量很小，控制器輸出較低的燈具調光信號，約30%--50%（不小于2cd/㎡）；控制器在設定的采集車檢器信號時間段內（或歷史數(shù)據(jù)）有車輛經(jīng)過，流量較小，則控制器輸出較高的燈具調光信號，約50%--70%（3 cd/㎡）；當達到項目設計或超過車流量時，控制器輸出較高的燈具調光信號，約70%--90%(4cd/㎡)。具體的參數(shù)設定可由運營情況手動更改而定。

進入夜間照明模式時，為避免明洞效應，系統(tǒng)將基本段整體功率全部降至15-20%，保證基本照明需求（1cd/㎡）及洞內外視覺亮度差異的最低值。

該調光控制系統(tǒng)是根據(jù)實時環(huán)境來進行自動控制的智能化系統(tǒng)，可以做到無人值守，按需照明，并且在兼容性、安全性上都做了相應的考慮，是一套完整的自適應智能控制系統(tǒng)。

四、結語

采用優(yōu)化后的隧道照明調光控制方案后，延長了燈具壽命，節(jié)約了電費，減少了管理人員的工作負荷，達到了降低運營成本的目的，希望對其它高速公路隧道機電工程有一定借鑒意義。

參考文獻：《公路隧道通風照明設計規(guī)范》（JTJ 026.1-1999）

《公路隧道LED燈照明系統(tǒng)無級調光控制技術研究》