公路隧道照明智能控制

段 偉

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603）

0 引 言

隧道是一種特殊的管狀構(gòu)造物，與洞外明亮寬敞的道路不同，車輛進(jìn)入、通過隧道的過程是一個從明亮進(jìn)入黑洞、又從黑洞走向明亮的過程，而人眼對于由明到暗或者由暗到明的過程都需要一個適應(yīng)的過程，在這個適應(yīng)過程中，駕駛員很難辯清洞內(nèi)路面目標(biāo)或物體，由此會產(chǎn)生視覺心理障礙，使得行車不安全?；诖朔N原因，隧道照明系統(tǒng)應(yīng)運而生，它的目的就是要創(chuàng)造隧道洞內(nèi)良好的行車視覺環(huán)境，減小洞內(nèi)外的亮度差，確保無論是在白天還是夜間行駛的車輛都能夠安全地進(jìn)入和通過隧道。

隧道照明控制方案包括控制策略及控制模式兩方面的內(nèi)容，控制策略指的是對隧道照明燈具進(jìn)行控制的各種依據(jù)，而控制模式指的是隧道照明系統(tǒng)所支持的控制方式［1－3］。

1 控制策略比對

隧道照明控制策略主要有人工控制、時序控制、照度控制這3種方式。人工控制包括現(xiàn)場手動控制和遠(yuǎn)程手動控制，是由隧道運營相關(guān)人員根據(jù)實際需要進(jìn)行人工干預(yù)的一種控制方式；時序控制指的是照明系統(tǒng)根據(jù)時段自動調(diào)節(jié)燈具回路開關(guān)或者燈具輸出功率的控制方式；照度控制指的是照明系統(tǒng)根據(jù)隧道入口處的洞外亮度來自動調(diào)光的智能控制方式。

目前高速公路隧道大多支持時序控制和照度控制，它們的控制原理都是預(yù)先設(shè)置一個范圍，一旦時間（或洞外亮度）進(jìn)入這個范圍，則開啟相應(yīng)的回路或者輸出指定的功率。以蕪大高速公路的峨山隧道為例，峨山隧道下行洞全部采用高壓鈉燈，設(shè)置4個照明回路進(jìn)行控制，其在晴天和陰雨天的時序控制和照度控制效果分別如圖1和圖2所示。

圖1 時序控制與照度控制效果對比圖（晴天）

圖2 時序控制與照度控制效果對比圖（陰雨天）

通過圖1和圖2對比可知，在晴天早上峨山隧道根據(jù)時序控制開啟第一個加強回路時，洞外亮度也已經(jīng)達(dá)到時序控制的第一個臨界值左右，根據(jù)照度控制也將開啟第一個加強回路，兩種控制方式下效果基本相同。而在陰天，早上峨山隧道根據(jù)時序控制開啟第一個加強回路時，洞外亮度還遠(yuǎn)沒有達(dá)到時序控制的第一個臨界值，根據(jù)照度控制的話將在幾乎近一個小時后才開啟第一個加強回路，這種情況下，照度控制方式下開啟加強照明回路的時間大為減短，其控制更為合理，節(jié)能效果明顯。

2 控制模式比對

不同的燈具，由于其工作原理不盡相同，使得燈具的控制模式也多種多樣，目前最常用的控制方式還是回路控制，但是無極調(diào)光、單燈編址控制等模式也在逐步成熟，特別是無極調(diào)光的模式已經(jīng)在多個隧道實現(xiàn)應(yīng)用，照明控制及節(jié)能效果令人滿意。

2.1 回路控制

目前，安徽省高速公路隧道大多采用回路控制的模式，將隧道照明燈具劃分到一個個電力回路中，同一回路的燈具同時開啟，同時關(guān)閉，燈具只有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)。

在此情況下回路控制模式存在以下不足：

1）為確保運營過程中當(dāng)光源亮度衰減和燈具受到污染而使亮度下降30%以上時，其照明強度依舊能夠滿足規(guī)范要求，在設(shè)計燈具功率時會考慮一定的維護(hù)系數(shù)。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》（JTJ026.1－1999）的要求，維護(hù)系數(shù)一般取0.7。如某一隧道基本照明選用100W的燈具亮度剛好滿足規(guī)范要求，則在實際設(shè)計時必須選用功率大于143W的燈具。另外，為了避免因光源光效的差別造成路面照度低于規(guī)范要求，設(shè)計時還需要考慮一定的設(shè)計冗余，一般在1.2倍左右，則上面100W剛好滿足的燈實際設(shè)計功率應(yīng)在170W左右才符合要求，因此，回路控制模式無法消除維護(hù)系數(shù)及設(shè)計冗余給隧道照明帶來的過度照明。

2）回路控制模式下隧道內(nèi)照度情況是階躍式的，回路越少，則階躍越明顯，每個階段持續(xù)的時間也越長，洞內(nèi)照度與洞外亮度擬合的效果也越差。

3）由于各個照明回路的職能不同，燈具的工作時長也存在非常大的差異，隧道基本照明的燈具24h開啟，陰天照明的燈具在白天大部分時間開啟，而晴天照明的燈具僅在洞外亮度很大時才開啟，這就造成了隧道內(nèi)照明燈具使用時長的嚴(yán)重不均衡，特別是基本照明的燈具，一直處于滿功率運行狀態(tài)，其使用壽命受影響很大，由此將會產(chǎn)生很大的燈具維護(hù)費用。

2.2 無極調(diào)光

隨著LED燈、無極燈等新光源的出現(xiàn)，燈具的可控性也越來越好，只要配置相應(yīng)的可控電源或者回路控制器，通過驅(qū)動輸出不同的電流光源就會有不同的光輸出，通過控制電源或者回路控制器的輸出電流即可實現(xiàn)燈具的無極調(diào)光［4－6］。

模擬直流調(diào)光是采用模擬信號控制電源模塊的輸出直流電流大小，一般是通過模擬電平信號改變LED驅(qū)動器穩(wěn)流控制環(huán)的參考，控制輸出直流電流的大小，從而有效地控制LED燈的亮度，模擬直流調(diào)光照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模擬直流調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此種調(diào)光方式控制實現(xiàn)簡單，驅(qū)動器成本低、效率高，與傳統(tǒng)的回路控制模式相比，優(yōu)勢明顯：

1）無級調(diào)光模式可以最大限度地減小維護(hù)系數(shù)及設(shè)計冗余給隧道照明帶來的過度照明，它能夠根據(jù)隧道內(nèi)現(xiàn)實的光源亮度衰減和燈具受污染程度對照明燈具的功率進(jìn)行調(diào)控，也能夠保證隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計冗余僅在真正需要時再用，這樣可以有效地避免過度照明，防止電能浪費。

2）無極調(diào)光模式下隧道內(nèi)照度情況是連續(xù)式的，隨著燈具輸出功率百分比的調(diào)整，隧道內(nèi)照度可以在一定范圍內(nèi)平滑變化，其中無極燈的調(diào)光幅度為30%～100%，LED燈的調(diào)光幅度為5%～100%。無極調(diào)光模式在理論上可以根據(jù)檢測到的隧道洞外亮度實時調(diào)整洞內(nèi)照度，二者擬合的效果同步無偏差，但是在實際工程應(yīng)用中，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可操作性等，無極調(diào)光方式一般預(yù)先設(shè)置幾十到一百個范圍不等，一旦洞外照度進(jìn)入這個范圍，則按百分比輸出指定的功率，這種設(shè)置雖然使得洞外亮度與洞內(nèi)照度的擬合效果存在一些偏差，但是相對傳統(tǒng)的回路控制而言，卻是極大地加強了控制效果［7－9］。

3）無極調(diào)光模式下，調(diào)節(jié)隧道洞內(nèi)照度的手段不再是改變工作燈具的數(shù)量，而是改變所有燈具整體的輸出功率，這樣在洞內(nèi)照度需求較低的情況下，隧道內(nèi)工作的照明燈具數(shù)量不變，僅是每個燈具變暗了，處于工作狀態(tài)的燈具的間隔不會隨著調(diào)光而拉大，照度均勻度始終處于較為理想的水平。

4）無極調(diào)光模式下所有燈具同步變亮、同步變暗，不再有基本照明、加強照明等職能的區(qū)分，所有燈具24h開啟，平衡了隧道內(nèi)燈具的使用壽命，避免了燈具啟動次數(shù)對壽命的影響。在此模式下，雖然燈具的運行時長增加了，但是由于一年中只有夏天的中午，加強照明燈具才接近滿功率工作，大多數(shù)時間均在10%～60%的功率下工作，而基本照明的設(shè)計冗余留到遠(yuǎn)期再用，近期的工作功率也低于燈具的額定功率，因此，無極調(diào)光模式下燈具基本處于低功率運行狀態(tài)，燈具和電源的工作溫度非常低，不僅可大幅減小光衰，還延長了燈具的壽命。

2.3 單燈編址控制

單燈編址控制是對回路控制和無極調(diào)光模式的集成與升華，它能夠?qū)λ淼纼?nèi)的燈具進(jìn)行智能識別，能夠獨立控制到每盞燈具的開啟、關(guān)閉以及輸出功率百分比。目前，單燈編址控制模式主要有總線控制方式、電力載波方式與無線通訊方式，這些智能照明控制技術(shù)在城市路燈照明領(lǐng)域已經(jīng)廣為應(yīng)用，在高速公路隧道領(lǐng)域也開始進(jìn)行嘗試。

2.3.1 總線控制方式

隧道內(nèi)每個照明燈具配置一個專門的可控電源，電源接入220V交流電給燈具供電，同時引出一根RS485控制線，多個燈具的控制線并接后與照明控制計算機(jī)進(jìn)行通訊，如圖4所示。

圖4 單燈編址控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（總線控制）

照明控制計算機(jī)根據(jù)檢測到的交通量、洞外亮度等數(shù)據(jù)，計算出隧道內(nèi)的照明需求，做出合理的調(diào)光方案，再通過RS485通訊發(fā)送控制指令到相應(yīng)燈具的專用電源，電源對控制指令做出響應(yīng)后即可實現(xiàn)燈具的無極調(diào)光。在此方式下，一根控制線最多并接256盞燈，為了保證信號的穩(wěn)定，一般每隔32盞燈加裝一個中繼器，完成驅(qū)動信號中繼，增強信號傳輸距離，加大控制計算機(jī)的負(fù)載能力。另外，考慮到在隧道實際應(yīng)用中，燈具數(shù)量龐大，該方式一般將燈具按區(qū)域劃分，并接后的RS485控制線就近接入隧道本地控制器（PLC），或者接入串口服務(wù)器后再通過以太網(wǎng)與照明控制計算機(jī)進(jìn)行通訊。

2.3.2 電力載波方式

電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它利用電力線通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸，其最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

電力載波方式的單燈編址控制模式如圖5所示。

電力載波控制器與照明燈具通過電力線一起接入220V電力系統(tǒng)，電力載波控制器與照明控制計算機(jī)之間則通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

此種調(diào)光方式控制實現(xiàn)更加簡單，僅靠電力線就可實現(xiàn)照明及控制，無需布設(shè)控制線，適合布線難度較大的隧道照明系統(tǒng)的改造。在此方式下，照明控制計算機(jī)根據(jù)檢測到的交通量、洞外亮度等數(shù)據(jù)，計算出隧道內(nèi)的照明需求，做出合理的調(diào)光方案，再通過以太網(wǎng)發(fā)送控制指令到電力載波控制器，控制器解析指令后查找到相應(yīng)的燈具，并發(fā)送調(diào)光命令實現(xiàn)燈具的無極調(diào)光。

2.3.3 無線通訊方式

自上世紀(jì)80年代開始，具有不用架線、靈活性強等優(yōu)點的無線網(wǎng)以己之長補“有線”所短，越來越多地贏得了市場的認(rèn)可，目前的無線通訊技術(shù)更是發(fā)展的非常成熟。

無線通訊方式的單燈編址控制模式如圖6所示。

照明燈具接入220V電力系統(tǒng)，每個燈具配備一個無線模塊，這些無線模塊通過CDMA、GPRS等無線公網(wǎng)與照明控制計算機(jī)相連接。

此種調(diào)光方式控制實現(xiàn)也比較簡單，無需布設(shè)控制線。在此方式下，照明控制計算機(jī)根據(jù)檢測到的交通量、洞外亮度等數(shù)據(jù)，計算出隧道內(nèi)的照明需求，做出合理的調(diào)光方案，再通過無線公網(wǎng)發(fā)送控制指令到每個燈具的無線模塊，實現(xiàn)燈具的無極調(diào)光。

無線通訊方式的單燈編址控制模式在城市路燈照明領(lǐng)域使用較多，然而考慮到高速公路隧道內(nèi)電氣設(shè)施多，電磁干擾大，無線通訊的方式在隧道內(nèi)的應(yīng)用還不是很廣泛。

單燈編址控制模式不僅繼承了無極調(diào)光的各項優(yōu)點，更是打破了回路控制和無極調(diào)光模式受照明回路的限制，它完全不受隧道照明系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)時的燈具布設(shè)、回路劃分等影響，而是更多的依賴于控制軟件，將一盞或者多盞燈具進(jìn)行智能分組調(diào)光。在此模式下，燈具間互相獨立，回路細(xì)化到了極致，而每盞燈具又可實現(xiàn)平滑的無極調(diào)光，每個燈的控制也細(xì)化到了極致。

3 結(jié) 語

隨著光纖、無線網(wǎng)絡(luò)等多種接入業(yè)務(wù)的推廣，以及控制軟件算法的優(yōu)化，使得燈具的使用更加貼合高速公路隧道運營的需要，能夠把運營管理者所想及時地通過軟件升級融入到系統(tǒng)之中，兼顧隧道安全與節(jié)能兩個方面，主要表現(xiàn)如下：

1）調(diào)光系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠確保燈具處于一個指定的輸出狀態(tài)，以保證隧道行車安全。

2）當(dāng)系統(tǒng)電源斷電恢復(fù)時能自動進(jìn)入斷電前的設(shè)置，具有記憶功能，并具有故障信息保存功能。

3）可以實時檢測每盞燈的工作狀態(tài)，包括驅(qū)動電流、驅(qū)動電源工作溫度、累計工作時間等，為用戶制定維護(hù)計劃、調(diào)光預(yù)案等提供依據(jù)。

4）任意一盞燈的驅(qū)動電源出現(xiàn)故障或工作不正常后立即向監(jiān)控中心反饋故障燈具的地址和故障情況，變傳統(tǒng)的“巡燈查找故障”為“值班等待報警”，減少“巡燈”人員、車輛損耗，降低了維護(hù)成本，而且在檢修之前已經(jīng)知道了故障的準(zhǔn)確地點和基本狀態(tài)，可以縮短維修時間，提高維修效率，由此也將產(chǎn)生極大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 林才奎，王小軍，郭興隆，等.公路隧道照明節(jié)能控制算法研究［J］.燈與照明，2009（1）：41－43.

［2］ 王少飛，鄧欣，吳小麗.公路隧道照明控制技術(shù)綜述［J］.公路交通技術(shù)，2010（2）：132－138.

［3］ 韓直，夏雋.公路隧道照明模糊控制研究［J］.公路交通技術(shù)，2009（2）：140－142.

［4］ 王永崗.幾種常用嵌入式技術(shù)應(yīng)用特點的比較［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011（12）：122－128.

［5］ 楊超，王志偉.LED在隧道照明工程中的應(yīng)用研究［J］.照明工程學(xué)報，2011（2）：105－108.

［6］ 趙煒華，劉浩學(xué).我國高速公路隧道照明問題研究［J］.公路，2013（4）：115－121.

［7］ 夏麗.智能LED照明系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

［8］ 梁霄霄.基于WiFi的LED照明控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.杭州：杭州電子科技大學(xué)，2014.

［9］ 鄭澤民.基于DALI的LED調(diào)光驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計［D］.上海：華東理工大學(xué)，2014.