隧道照明智能調光系統的研究

摘 要：隨著公路建設的不斷推進，隧道里程不斷增加，而浙江又是公路隧道數量最多的省份之一，隧道運營的成本問題也顯得越來越突出。隧道照明能源占運營能耗的50%以上，據統計和推算，隧道照明能耗有70%左右浪費在“過度照明”上。隨著LED等可調光節能燈具的大規模應用，利用照明節能控制技術實現提高行車安全為前提的“按需照明”成為可能。采用節能技術減少無效耗能，實現“按需照明”已成為迫切需求。

關鍵詞：隧道照明；節能控制技術；按需照明

隨著《浙江省創建綠色交通省實施方案》（簡稱《方案》）的出臺，我省全面開啟“綠色交通省”建設，要求我省交通能源單耗和碳排放強度明顯下降。隧道照明能源占運營能耗的50%以上，據統計和推算，隧道照明能耗有70%左右浪費在“過度照明”上。采用節能技術減少無效耗能，實現“按需照明”已成為迫切需求。本項目通過研究隧道照明智能調光系統，在提升隧道行車安全的同時實現“按需照明”，具有廣泛的推廣價值，同時項目試點實施成功，將具有極強的示范性和可操作性，為隧道照明安全節能改造及新建隧道機電設計提供參考案例，從而有效推動隧道營運安全與智慧節能發展。

1 隧道照明節能管理的現狀與對策

目前，節能管理的現狀是普遍由專人負責照明管理，根據不同時段和環境，主觀決定燈具開關數量和方式。這種控制系統通過亮度檢測器檢測洞外實際亮度，操縱燈具開關，能對燈具工作狀態進行有效管理，使隧道照明滿足《公路隧道照明設計規范》要求，為駕駛員提供良好的視覺環境，在合理范圍內關閉不必要照明燈具，節約運營成本，通過增加或減少照明回路達到節能的目的。然后，這種控制方式極易產生過度照明或照明亮度不足等不合理現象，操作人員在監控中心無法實時掌握各個管轄隧道的交通量、天氣環境、隧道內外亮度、平均車速等信息，憑經驗按回路開關燈具，為了隧道內亮度達標，往往多開燈具，造成了能源浪費。另一方面，由于傳統隧道照明大多采用高壓鈉燈，為了增加隧道內亮度分級，往往采用8回路以上設計，電纜重復敷設，成本高。

為解決上述管理中出現的問題，通過調研相關行業的智能隧道照明節能控制經驗，顧及隧道照明的既有設計規范和原則、施工養護特點、現有控制手段，在研究對象隧道常年平均交通量、不同時段平均交通量和車輛通過的平均速度、不同季節不同時間段隧道口外亮度、常年通過的主要車型、隧道內異常狀況，利用LED隧道燈可調光的特有性能，設計智能化的隧道照明節能控制系統，達到隧道“按需照明”的目的，有效降低交通能源消耗，保護環境。

2 項目試點實施

本項目實施試點隧道為溫州繞城高速公路北線--江北嶺隧道右線，試點改造內容主要是隧道照明智能調光節能改造，隧道基本情況詳見表1。

根據新行業標準《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01-2014），隧道照明節能控制器結合洞外亮度、交通量、設計速度、供電電源、天氣條件、光源特性、隧道線型等因素，同時具備正常和異常交通工況的控制功能，采用智能控制為主、手動控制為輔的控制方式。智能控制方式是在自動控制方式的基礎上，采用短時交通流預測理論，實現隧道內照明設施動態調光控制，達到安全、舒適、高效、節能的照明效果，體現綠色照明、“按需照明”的理想設計目標。隧道加強、基本（含應急）照明燈具全部采用節能、環保、顯色性好的LED燈具，并配備與LED 壽命相適應的高質量、長壽命恒流驅動電源，同時配備有模擬無級調光功能，調光輸入信號為0～5V，亮度調整范圍為0%～100%。隧道內照明燈具采用兩側對稱布置方式，燈具安裝高度離地面為6.1m。

2.1 外場設備基礎制作

包括照度儀基礎、微波車檢基礎，通過前期的基坑開挖、置模、地籠預埋、混凝土澆筑、養護等工序，設備基礎。

2.2 照明控制系統施工

照明控制系統主要由照明PLC和電力載波設備組成。照明PLC是系統核心部件，采集實時洞外照度信息、車流量信息，經內部運算及模型匹配后，向電力載波主機輸出調光指令。電力載波主機載波分控間通信采用光纖傳輸，減少線路干擾；載波分控與載波模塊間，加入過濾器，用于消除供電電路中的諧波干擾。

隧道照明智能調光系統包括現場采集設備、照明控制主機和LED調光控制設備，照明控制主機通過控制總線連接地磁車檢器、微波車檢器、雙照度儀等現場采集設備，采集隧道內交通量、平均車速、平均車距以及洞外亮度，通過電力載波主機連接各個單燈控制器，采集各LED燈具實時狀態，控制亮度輸出，并設置緊急手動控制模式，避免因系統故障導致隧道照明失控。通過在控制柜內安裝光纖485傳輸模塊，載波主機與載波分控建立數據連接，實時采集分控下端各載波模塊工作狀態，PLC通過從載波主控讀取數據對隧道內各燈具狀態進行監控。最后，通過PLC以太網通信模塊進行通訊，以太網網口接入隧道工業以太自愈環網交換機系統，將采集到的數據通過傳送到終端服務器。以直觀方式查看隧道內聲光設備等運行狀態，并可以發送指令控制遠端設備狀態。以此實現實時遠程智能化監控隧道照明系統。系統的核心部分是隧道節能控制器中央處理器，設計了電源管理模塊、視頻監控模塊、紅外傳感模塊、雷達傳感模塊、回路控制輸出模塊、232接口模塊、通訊模塊、485接口模塊、微波傳感模塊光照傳感模塊，共同組成隧道照明安全高效節能控制系統架構。針對系統架構，項目組做了詳細設計，在設計方面，采用強電、弱電分離方式，避免了強電對弱點的干擾。具體隧道照明高效節能控制器結構圖如圖1所示。

3 項目總結

試點實施完成后分別采集了江北嶺隧道雙洞的照明數據，其中左洞沒有進行LED燈改造，采用高壓鈉燈為光源；左洞則是實施了智能照明改造，采用LED燈具為光源。對連續幾周的數據進行分析比較，改造后綜合節能率達到65%左右。本次試點改造是在原有系統的基礎上新增設備及管理軟件，試點改造基本滿足實際應用，但仍無法避免一些問題，如系統平臺有部分功能重疊，銜接不夠緊密，增大了監控人員的操作難度；現場施工有一定難度與風險，改造實施成本較高，作為典型模式推廣有一定難度。建議在后期推廣中著重針對新建隧道，在設計階段作為整體方案統籌考慮。

參考文獻

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