高速公路隧道LED照明智能控制示范應用

路 楊 黎碧波 張春化 馬榮貴

（1.陜西省交通建設集團公司，陜西 西安710075；2.長安大學，陜西 西安710064）

0 引言

隧道是一種特殊的管狀構造物，車輛進入隧道的過程是一個明暗交替的過程，往往會產生“黑洞效應”和“白洞效應”，容易發生交通事故。隧道照明控制就是在確保行車安全的前提下，盡可能節約照明電能，降低運行成本。目前公路隧道照明使用最多的是高壓納燈，這種光源啟動時間長，節能采用多回路控制。LED即發光二極管，是第4代照明光源，即21世紀綠色節能光源，具有無污染、光效高、耗電量小、壽命長（理論壽命達10萬h）等優點。隨著LED技術的不斷發展，LED隧道照明發展迅猛，我國的個別高速公路隧道實施LED節能照明示范工程。目前，LED隧道照明控制大多與高壓鈉燈照明一樣，沒有采用按需照明、智能控制。LED燈響應迅速，其啟動響應時間為納秒量級，每次點亮只是瞬間過程，因此完全可以針對使用環境變化對其亮滅明暗實現智能控制，以充分節省電能，延長隧道燈壽命，使隧道燈照明系統更趨合理。

1 LED照明燈開發

1.1 LED照明燈無級亮度調節

LED無級調光解決方案及規范一直在不斷變化中，現在市場上存在模擬、可控硅（TRAIC）和脈寬調制（PWM）3種調光方案。PWM調光是一種利用簡單的數字脈沖，反復開關白光LED驅動器的調光技術。它以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率（通常高于100 MHz）在零電流和最大LED電流之間進行切換，從而調節白光LED的亮度。該占空比改變了有效平均電流，從而可實現高達3 000∶1的調光范圍（僅受限于最小占空比）。由于LED電流要么處于最大值，要么被關斷，所以該方法還具有能夠避免在電流變化時發生LED色偏的優點，而在采用模擬調光時這種LED色偏現象是很常見的。

1.2 LED照明燈電源控制器

每個LED照明燈的亮度可調，是智能節能控制的基礎，而現有的LED照明燈沒有這樣的功能。為了對LED照明燈亮度進行調節，就必須研制電流可調的電源控制器，設計采用恒壓電源結合低壓恒流模塊結合的方案。恒流模塊采用NS公司生產的L M3409 HV芯片，該芯片輸入電壓范圍12～70 V，輸出電壓范圍12～60 V，輸出恒流，而且有PWM電流控制端，適合系統應用。一種電源控制器可以適應系列LED燈，比如1個75 W／54 V恒壓電源結合1個恒流模塊，可以適應40 W、50 W、60 W、70 W系列隧道燈；1個150 W／54 V恒壓源配2個恒流模塊，可以適應100 W、140 W等規格的隧道燈。PWM控制恒流模塊原理如圖1所示，包括直流電源、防反接電路、PWM控制電路及續流電路、大功率LED光源。直流電源通過防反接電路連接PWM控制電路和續流電路，續流電路連接PWM控制電路，大功率LED光源與PWM控制電路相連。直流電源經防反接電路給PWM控制電路供電，PWM控制電路和續流電路為大功率LED光源提供穩定的設定的電流。

圖1 PWM控制恒流模塊原理圖

2 高速公路隧道LED照明智能控制系統

2.1 系統組成

系統組成如圖2所示，現場傳感信號和控制信號通過光纖在遠程控制中心和隧道間傳輸，現場控制器和LED照明燈之間的信號用無線方式傳輸。

圖2 高速公路隧道LED照明智能控制系統組成圖

2.2 控制模式

（1）自動模式（遠程控制）。按需照明，依據洞內外亮度、車流量和車速自動調整照明燈亮度。洞內局部因煙或霧能見度降低時，照明亮度自動增加，保證安全；洞外亮度強時，照明亮度自動增加。當沒有車輛時，系統將使洞內維持最低亮度；當有車輛到來時，系統很快將洞內增至需要的亮度，從而避免隧道長時間無車照明。車速越高，照明燈亮度越強。（2）時序模式（遠程控制）。按季節、時段和天氣自動調整照明燈亮度。在自動控制信號出現故障等情況下，自動轉換為該模式。時間自動讀取計算機時鐘。每天拂曉和傍晚亮度變化劇烈的時段，每15～30 min自動調整亮度一次；其他時段每1～2 h自動調整亮度一次。天氣狀況分為晴、多云、陰和重陰，人工輸入。（3）手動模式（遠程控制或現場控制）。人工手動控制照明燈的開、關和改變照明燈亮度，用于檢修等情況。控制軟件主界面如圖3所示。

圖3 控制軟件主界面

3 示范工程實施效果

黃沙嶺隧道和嶺底隧道是LED照明示范工程，實施按需照明智能控制。黃沙嶺隧道和嶺底隧道雙向六車道，設計時速100 k m／h，照明燈具采用左右兩側雙排布設。黃沙嶺隧道左線ZK103＋930～ZK107＋909，長3 979 m；右線 K103＋934～K107＋951，長4 017 m。嶺底隧道左線ZK103＋041～ZK103＋826，長785 m；右線K103＋285～K103＋820，長735 m。

3.1 照度均勻性

為了對比平面光源LED燈和高壓鈉燈照度均勻性，分別測量了黃沙嶺隧道LED照明中間段照度和小黃川隧道高壓鈉燈照明中間段照度。黃沙嶺隧道中間段和小黃川隧道中間段布燈方式均為雙側對稱布置，間隔為8 m。測量時在路面橫向和縱向每間隔0.8 m畫出記號，測量每個點的照度。

左車道的左側和右車道的右側均靠近電纜溝，照度測量值受電纜溝側面涂的黃色或黑色油漆影響，波動太大，因此去掉最靠邊列的照度數據。黃沙嶺隧道LED照明中間段照度測量結果如圖4所示，小黃川隧道高壓鈉燈照明中間段照度測量結果如圖5所示。LED燈照度最大值63.4 lux、最小值46.3 lux，二者之差為17.1 lux；高壓鈉燈照度最大值63.2 lux、最小值45.5 lux，二者之差為17.7 lux。和高壓鈉燈相比，平面光源LED照度值起伏較小、相鄰點變化小。

按照JTJ026.1—1999《公路隧道通風照明設計規范》，路面總亮度均勻性為最小亮度與平均亮度之比。以下用最小照度與平均照度之比表示路面總照度均勻性。LED燈整個區域的最小值為46.3 lux、平均值為48.85 lux，均勻性為0.95；高壓鈉燈整個區域的最小值為45.4 lux、平均值為48.2 lux，均勻性為0.94。二者均超過要求的0.4。

3.2 照明耗電

對小黃川隧道高壓鈉燈的功率和照度進行了測量。2個隧道中間段照明均為8 m間隔，雙側布燈，每8 m的平均功率和照度對比如表1所示。黃沙嶺隧道中間段LED單燈設計功率為50 W，亮度設置為90%時的平均照度為48.85 lux，2盞燈的實測平均功率為88 W；小黃川隧道中間段高壓鈉燈單燈設計功率為70 W，平均照度為48.20 lux，2盞燈的實測平均功率為161 W。在照度不低于高壓鈉燈的條件下，LED燈的電功率降低45.3%。

圖4 黃沙嶺隧道LED照明中間段照度

圖5 小黃川隧道高壓鈉燈照明中間段照度

表1 黃沙嶺LED燈照明和小黃川隧道高壓鈉燈照明的功率和照度對比

4 結論

通過以上分析可知，和高壓鈉燈相比，平面光源LED照度值起伏較小、相鄰點變化小。在照度不低于高壓鈉燈的條件下，LED燈的電功率降低45.3%。

［1］江西省交通運輸廳信息中心.交通運輸行業第二批節能減排示范項目推廣材料之十——隧道LED節能照明在江西景鷹高速公路高傍下隧道的應用，2009

［2］朱磊.公路隧道LED照明節能控制研究.長安大學，2011

［3］JTJ026.l—1999 公路隧道通風照明設計規范