公路隧道LED照明模擬控制系統設計

鄭　軍　簡　婧

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

公路隧道LED照明模擬控制系統設計

鄭軍簡婧

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要為更有效地設計隧道照明，針對隧道LED照明模擬設計欠缺的現狀，基于Zigbee無線通信研發了隧道LED照明模擬控制系統，提出并設計了車載照度采集裝置，實現對隧道內亮度的連續檢測。實驗分析表明：車載照度采集裝置誤差在-5.69%～3.06%之間，隧道模型設計亮度誤差在-4.49%～5.57%之間，具有較高的可靠性。最后，研究成果已應用到隧道照明改造的模擬設計中，改造后節能百分比達53.6%。

關鍵詞隧道照明 LED模擬控制Zigbee無線通信

目前，我國大多高速公路隧道仍然采用高壓鈉燈照明，而高壓鈉燈顯色指數低，壽命短，用電量大，不能進行按需照明，造成了大量的能源浪費與經濟損失[1-2]。如何在隧道照明施工前對隧道照明進行有效的模擬設計，在保證隧道安全照明亮度的情況下節約電能，國內外學者針對隧道照明模擬控制系統設計與節能開展了深入研究。D.Gacio[3]設計了隧道LED模擬照明智能控制系統，該系統可實現對隧道內各照明段亮度的實時檢測與控制。潘海龍等[4]為緩解駕駛者在穿越隧道時的眩光效應和節約電能，設計了大功率LED隧道照明控制系統，手動控制時系統的調光范圍在0%～100%之間。崔豐曦[5]以無極燈為照明燈具開發了隧道照明控制模型，可實時檢測隧道模型各照明段的亮度，并分時段控制隧道內亮度，節能效果較好。Leitao等[6]在獲得隧道模型各照明段燈具分布的基礎上，自動控制隧道模型中不同位置燈具的發光強度，達到最優照明效果。

目前國內外的模擬照明控制系統僅對隧道模型與照明調光控制進行了詳細設計，而亮度檢測仍局限于單照明段的檢測，未實現隧道內亮度的連續與任意點檢測，不能有效地對隧道照明進行無極調光控制。針對上述問題，筆者基于《公路隧道照明設計細則》[7]與Zigbee無線通信技術開展隧道LED照明模擬控制系統研發，以實現隧道模型連續點亮度的檢測與隧道照明的自動控制，為隧道LED照明的模擬設計提供支持。

1隧道LED照明模擬控制系統原理

在隧道LED照明控制中，通過實時輸入隧道外亮度、隧道內車流量與車速等數據模擬隧道中實時采集的數據，應用隧道LED照明智能調光算法分析，在滿足《公路隧道照明設計細則》需求亮度時，計算得到各照明段的調光數據，并將其傳送到隧道LED調光控制器，調光控制器將調光信息分配到各照明段LED驅動單元調節燈具的亮度，以實現對隧道照明的自動控制。圖1為隧道LED照明模擬控制系統原理。

圖1　隧道LED照明模擬控制系統原理

2隧道LED照明模擬控制系統

隧道LED照明模擬控制系統包括隧道實驗環境模型、隧道硬件控制系統與隧道LED照明智能管理系統3大功能模塊，其中硬件控制系統包括車載照度采集裝置與LED調光控制系統2部分。根據控制系統網絡結構可分為應用管理層、無線通信層與物理層。如圖2為隧道LED照明模擬控制系統的3層結構。

圖2　隧道LED照明模擬控制系統結構

2.1隧道實驗環境模型

在隧道照明設計時，為使隧道模型更適合模擬比選各照明方案，基于《公路隧道設計規范》[8]的規定，等比例20倍縮小隧道尺寸，得到隧道模型的設計尺寸如表1，隧道模型中燈具的安裝高度為28cm。

表1　隧道模型尺寸

在《公路隧道照明設計細則》中，隧道分入口段、過渡段、中間段與出口段照明，入口段包括入口段1與入口段2照明，過渡段包括過渡段1、過渡段2與過渡段3照明，出口包括出口段1與出口段2照明。在照明設計中，由于過渡段3亮度比中間段亮度低，不利于隧道照明安全，此處去掉《公路隧道照明設計細則》中過渡段3照明。為了使隧道模型的適用性更廣，此處設計車速為100 km/h，車流量為1 200 veh/(h·ln)，洞外亮度為4 000 cd/m2。計算得到隧道模型基本參數見表2，搭建的隧道實驗環境模型見圖3。

圖3　隧道實驗環境模型

2.2隧道硬件系統

2.2.1車載照度采集裝置

隧道亮度采集是數據采集的基礎部分，是數據的集中體現。由于隧道模型較小，人工無法進入測量。為了實現對隧道模型亮度的連續與任意點測量，選用GY-30傳感器用于照度采集，低功耗、高速的ATmega16L芯片作為核心主控單元[9]，DRF1605單元為Zigbee無線通信媒介，設計了車載照度采集裝置。為確保照明控制的實時性，車載照度采集裝置以5s為一個周期采集亮度數據，定時向隧道LED照明管理系統上傳亮度數據，確保隧道照明控制的實時性。圖4為安裝在遙控小車上的車載照度采集裝置。

圖4　車載照度采集裝置

2.2.2LED調光控制系統設計

為了對隧道各照明段進行調光控制，設計了隧道LED照明調光控制系統。由于隧道分7個照明段，需同時輸出7路占空比信號調節燈具亮度，此處選用ATmega128芯片作為調光控制的核心，同時輸出調光所需的7路占空比信號；LEDDRIVE-SW12模塊為LED燈具的驅動單元，DRF1605為Zigbee無線通信媒介，研發了隧道LED照明模擬調光控制系統。系統運行時，ATmega128控制器通過Zigbee無線接收管理系統發送的隧道調光指令，將其轉變為占空比調光信號輸入LED驅動單元實現對隧道內各照明段亮度的實時控制。圖5為調光控制系統的設計原理。

圖5　LED調光控制設計原理

2.3隧道LED照明智能管理系統

為實現對隧道照明的遠程監控與管理，基于C#.NET開發了隧道LED照明智能管理系統，并對隧道設定了智能控制、手動控制與應急控制3種管理模式。圖6為隧道LED照明智能管理系統的運行界面。

圖6　隧道LED照明智能管理系統運行界面

在不同模式下，管理系統能夠根據實時的隧道外亮度、隧道內車流量與車速數據計算隧道各照明段所需的調光占空比變量，通過無線通信將調光信號發送到LED調光控制系統，以實現對隧道模型中各照明段亮度的控制。管理系統還能實時監測隧道各照明的亮度情況，對緊急情況報警。

3隧道LED照明模擬控制系統誤差分析

3.1車載照度采集裝置誤差分析

為了驗證設計的車載照度采集裝置能否準確檢測隧道內亮度，將同一亮度水平線上車載照度采集裝置與照度計采集到的值進行對比，分析車載照度采集裝置的誤差。將采集到的數據應用MATLAB[10]繪圖進行分析，圖7為車載照度采集裝置與照度計在隧道模型內同一亮度點采集的數據對比曲線。分析可知，車載照度采集裝置與照度計測量的值相差較小，其相對誤差穩定在-5.69%～3.06%之間，滿足測量隧道模型內亮度的誤差要求。

圖7　車載照度采集裝置與照度計數據對比曲線

3.2隧道模型設計亮度誤差分析

為了驗證設計的隧道模型亮度誤差能否滿足隧道LED照明模擬設計的需求，應用LED調光控制系統控制接收管理系統發送的06:00～18:00調光占空比信息，并輸出對應時刻的調光數據至LED驅動單元。通過車載照度采集裝置采集照度值并將其轉換為亮度值，與理論計算值對比。圖8為隧道模型亮度測試的設計值與實測值對比曲線，分析可知，隧道模型設計亮度值與實測值誤差較小，其相對誤差穩定在-4.49%～5.57%之間。

圖8　隧道模型亮度設計值與實測值對比曲線

4隧道LED照明模擬控制系統應用

目前，系統已在河南高速邵原隧道的照明系統改造項目中得到應用。邵原隧道長520m，原設計使用高壓鈉燈照明，入口段設計亮度Lth=140cd/m2，過渡段1亮度Ltr1=42cd/m2，過渡段2亮度Ltr2=14cd/m2，基本段亮度Lin=4.5cd/m2，出口段亮度LE=22.5 cd/m2。

改造后隧道的入口段1亮度Lth1=140cd/m2，入口段2亮度Lth2=70cd/m2，過渡段1亮度Ltr1亮度=21cd/m2，過渡段2亮度Ltr2=7cd/m2，基本段亮度Lin=4.5cd/m2，出口段1亮度Lex1=13.5cd/m2,出口段2亮度Lex2=22.5cd/m2。

通過使用隧道LED照明模擬控制系統對改造隧道進行模擬設計分析，項目改造后用電量明顯降低，節能百分比達到53.6%，具有良好的節能效果與經濟效益。

5結語

通過分析國內外隧道LED照明模擬控制系統的設計現狀，基于《公路隧道照明設計細則》的需求研發了隧道LED照明模擬控制系統。創新性地提出并設計了車載照度采集裝置，彌補了連續檢測隧道內亮度欠缺的現狀；并設計了隧道實驗環境模型、隧道LED調光控制系統與隧道LED照明管理系統，實現了對隧道照明的自動控制。實驗分析了隧道模型設計亮度與車載照度采集裝置的誤差，其中車載照度采集裝置誤差穩定在-5.69%～3.06%之間，隧道模型亮度設計誤差穩定在-4.49%～5.57%之間。通過隧道改造項目的模擬設計，驗證了研究成果可應用到隧道照明設計的模擬設計與節能方案設計中。

參考文獻

[1]陳仲林.高速公路隧道照明節能研究[J].燈與照明，2008，32(3)：6-15.

[2]賀一鳴，王崇貴，劉進宇.公路隧道照明存在的問題及節能技術研究[J].交通標準化，2010(11)：32-36.

[3]GACIOD,ALONSOJM,GARCIAJ,etal.HighfrequencyPWMdimmingtechniqueforhighpowerfactorconvertersinLEDlighting[C]//Proceedingsofthe25thInternationalConferenceonAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,2010.

[4]潘海龍，周雒維，羅全明，等.LED隧道照明智能控制系統[J].測控技術，2011,30(8)：49-52.

[5]崔豐曦.基于模糊神經網絡的隧道照明控制系統研究與設計[D].長沙：湖南大學，2008.

[6]LEITAO,SERGIOL,PIRES,etal.Roadtunnelslightingusinggeneticalgorithms[C]//Proceedingsofthe15thInternationalConferenceonIntelligentSystemApplicationstoPowerSystems,2009.

[7]JTG/TD70/2-01-2014公路隧道照明設計細則[S].北京：人民交通出版社，2014.

[8]JTGD70-2004公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[9]劉建清，孫寶書，李鳳偉,等.輕松玩轉AVR單片機C語言[M].北京：北京航天航空大學出版社，2011.

[10]鄢喜愛，楊金民，田華.Matlab在數據處理和繪圖中的應用[J].科學技術與工程,2006(22)：3631-3633.

收稿日期：2014-09-30

LEDLightingSimulationControlSystemDesignofHighwayTunnel

Zheng Jun, Jian Jing

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：In order to effectively design the tunnel lighting, and compensate the situation of lacking tunnel LED lighting simulation design system, the LED simulation control system of tunnel lighting is studied and developed based on Zigbee wireless communication technology, and the device for collecting illumination in vehicle is proposed and designed to collect luminance successive inside tunnel. The experimental results shows that the error of device for collecting illumination in vehicle is within-5.69%～3.06% and the error of design luminance of tunnel model is within -4.49%～5.57%, and it has a high reliability. Finally, the research results has been applied in simulation design of tunnel lighting reconstruction, and the energy saving percentage reached 53.6% after reconstructing.

Key words:tunnel lighting; LED; simulation control; zigbee wireless communication

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.042