隧道照明智能化系統淺析

姚克炯

（飛利浦燈具（上海）有限公司，上海市 200233）

隧道照明智能化系統淺析

姚克炯

（飛利浦燈具（上海）有限公司，上海市 200233）

隨著照明技術的日益發展及對節能要求的日趨重視，道路照明中耗能巨大的隧道照明設計也發生了巨大的改變；通過選用節能效果明顯的LED燈具替代傳統燈具，并設置智能照明控制系統對隧道照明進行實時調控，可使隧道照明在不同環境情況下保證行車安全所需照度的同時達到最合理的節能效果。

LED；智能照明控制系統；照度；節能

1 隧道照明特點及要求

隨著時代的發展，各種各樣的智能化、數字化設備越來越普及，智慧城市等概念越來越深入人心，人們身邊的一切都發生著翻天覆地的變化。在照明行業尤其如此，隨著LED技術的不斷發展成熟，各種以前無法想象的照明方式、控制管理方式正顛覆我們的照明世界。作為城市照明的重要組成部分，如今的道路照明也不再僅僅局限于傳統的分回路控制、調壓控制等照明方式。尤其是在隧道照明中，由于隧道的特殊性，儼然是道路照明中耗能最為巨大的部分，對節能有著更高的要求，同時在不同狀況下對照度也有著特殊需求，而隧道照明智能化控制因為其更好的照明體驗和更好的節能效果而備受關注。

現代的隧道照明設計中，通常會將隧道照明作為道路照明內的一部分進行設計，如在隧道內設置普通照明與加強照明，對加強照明進行一個統一的開關控制來調節不同的照度需求，但是由于隧道的特殊環境及特殊要求，這樣的設置是無法滿足要求的。我們常見的隧道一般都有著如下幾個特性。

（1）半/全封閉的結構。常見的隧道均為全封閉型，除隧道出入口外均為封閉段，無任何自然光，行車所需要的照明幾乎全部依賴于照明燈具；另外有部分隧道為半封閉型，在隧道段有間隔的空間與外界連通，可獲得部分的自然光補充，常見于城市道路的下穿隧道。

（2）燈具數量大。由于隧道的封閉性，往往需要更多的燈具進行照明，以達到行車安全所需要的照度，尤其是高速公路段的隧道，由于隧道距離較長，往往需要裝設大量的照明燈具，也意味著需要消耗巨大的能源。

（3）施工安裝及維護不易。根據隧道的結構及運行特性，燈具安裝不易；在建成后一旦投入運營，不易于維護，檢修成本高。

（4）運行要求高。鑒于隧道內燈具對安全行車影響大，且檢修的難度及成本高，因此要求燈具及控制系統運行穩定，盡可能減少故障情況發生。

（5）集中控制要求。國內很多高速隧道位于丘陵及山地區域，地形復雜，隧道數量較多，分開運營成本高且管理不便，因此要求對一個區域內的隧道照明能進行集中控制的需求越來越迫切，在減少運營成本的同時提高工作效率。

因此隧道照明設計時，不僅需要考慮照度的需求，還需要考慮如何設置控制系統，以便能進行集中控制并方便地查詢照明燈具的狀態，對燈具的故障進行及時檢修，避免事故的發生。

根據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014），長度大于100 m的隧道必須設置照明，而一般隧道分為以下幾個區段：入口段、過渡段、中間段、出口段。

（1）入口段。隧道入口處道路，此部分路段作為連接洞外道路段，對照度要求較高，以保證車輛駛入隧道時不產生黑洞效果，避免由于眼睛無法適應突然改變的環境而發生意外。

（2）過渡段。介于入口段與中間段間的部分，此部分路段主要是作用是將照度由入口段的高照度逐漸降低至中間段照度，幫助駕駛員逐漸適應隧道內的照明環境，其照度與入口段照度息息相關，需要根據入口段照度進行調節，保證照度的均勻減少至中間段照明。

（3）中間段。隧道內主要路段，此部分路段照明為基本照明，且無自然光及照度適應要求，可不對調光做具體要求，照度一般根據車流量、眩光、通風等情況進行設計。

（4）出口段。隧道出口前一段照明，此部分路段照度要求類似入口段，避免車輛出隧道時出現白洞效果而發生意外。

2 傳統隧道照明設計

在傳統的路燈照明項目中，隧道照明燈具一般采用鈉燈等傳統燈具，在隧道內根據照度計算進行燈具布置，在入口段等路段加裝燈具作為加強照明來滿足更高的照度要求；但是由于采用的是鈉燈等傳統燈具，一般都依靠開關加強照明燈具進行調光，如通過時鐘控制、光敏開關或者手動控制來開關加強照明燈具來調整照度，即使有些工程采用了調光控制，但也僅限于有限的幾級調光控制，如變功率鎮流器或者整體調壓；這些調光控制方式不僅無法滿足照度的調整控制要求（入口段等路段照度無法與外界實際照度相匹配），而且節能效果也無法滿足需求，存在著大量的能源浪費。

3 LED燈隧道照明設計及智能控制系統

如今隨著LED照明技術的異軍突起，給照明、調光、控制等都提供了越來越多的可能性，相應地，隧道照明的控制系統也有了巨大的改變，不再局限于過去簡單且低效的控制方式。

采用智能照明控制系統及LED燈具后，不僅可以對照度進行連續調光，而且在智能系統中，照明調節的輸入條件不再是簡單的時間及光敏開關，更多的是通過光度計采集洞外照度水平，實時監測洞外實際照度的變化并據此對照明燈具進行調節，從而保證隧道內照度與室外道路照度的完美連接，滿足了不同天氣情況下、不同道路狀況下的照明要求，不至于在隧道出入口出現黑洞及白洞效果，保證行車安全的同時合理節約電能。

3.1 隧道燈具

隨著LED燈具的不斷發展，雖然仍有許多不足，但對比傳統燈具，它的優勢也越來越明顯。

（1）壽命長。LED燈具的理論使用壽命一般在30 000～50 000 h甚至以上。

（2）點亮速度快。LED燈是半導體發光，通電即亮。

（3）節能且環保。相對于傳統燈具，LED燈節能效果明顯，能耗僅為白熾燈的1/10、節能燈的1/4；且光源不含鉛、汞等有害物質。

（4）發光效率高。隨著LED的發展，現在成熟的大功率LED燈具產品，其發光效率可達到110～150 lm/W，絲毫不遜色于傳統燈具。

（5）易調光、調色控制。可實現無級調光，調光范圍可從0%～100%；且色彩豐富，在計算機技術控制下具有256級灰度且可任意混合。

基于以上LED燈具的優點，在現代道路及隧道照明設計中，越來越多的情況采用了大功率LED燈取代此前廣泛使用的高壓鈉燈等傳統燈具。

3.2 照明智能控制方式

作為隧道照明智能控制系統的另外一個重要組成部分，各種各樣的控制方式也層出不窮，最常見的調光控制及信息傳輸方式主要有以下幾種。

3.2.1 PWM調光控制

PWM控制方案采用專用接口的驅動器，按照占空比調節輸出電流達到調節亮度的目的。此方案的優點在于整體造價低，PWM接口電源驅動價格相比于其他控制方式的驅動更為經濟，既可做回路調光也可做單燈調光，調光范圍大，可實現無級調光；缺點在于PWM調光方式理論上是沒有信息反饋功能，要實現此功能則需要對信號轉換模塊進行設計，在信號轉換模塊對數據進行測量并反饋，但也僅限于電流、電壓等基本信息；一旦按單燈控制設計，區域控制器數量需求大，安裝位置受到限制，線路鋪設工作量大。但是由于其經濟性，仍是國內主流的控制方式之一。

3.2.2 DALI總線

此方案中每個燈具上的DALI電源有獨立的地址會對發給自己的命令做出調光、回傳參數等響應。采用DALI控制方案的優點在于DALI協議成熟可靠并且是公開的，一個DALI控制器理論上可控制不大于64套燈具，有效減少了DALI控制器的數量，調光范圍大，可實現無級調光。缺點是DALI燈具及控制器價格相對于其他控制方式更貴，通信速度較慢；線路鋪設工作量大。

3.2.3 RS485總線

利用RS485總線進行信號的傳輸，每個燈具上的電源驅動有獨立的地址對發給自己的命令做出調光、回傳參數等動作。RS485總線通信技術已使用30年，有豐富、低價、成熟可靠、多種性能規格的接口芯片；單根總線通信距離長，可達到1 000 m，并可通過中繼器延長距離，最多可達10 km；總線通信速率較高，一般為9.6～115.2 kbps。但是現階段RS485總線的局限性也是相當大的，首先沒有現成可對接RS485信號的燈具，需要重新開發；其次通信協議中沒有單獨用于照明調光的報文；最后也有大量的現場總線鋪設工作。

3.2.4 電力載波（PLC）

利用電力電纜來傳遞數字信號，每個燈具的電源驅動設有獨立的地址，根據控制模塊的控制命令對燈具進行調光，并可回傳實時燈具各類參數等。PLC控制方式的優點是不需要額外的鋪設控制線，可利用現有的電力電纜來完成對燈具的調光，可以降低線路敷設的工作量及降低工程成本。但同時，相應的缺點也是顯而易見的：目前市場上常用的窄帶PLC通信速率較慢；電網噪聲尤其是脈沖噪聲對PLC干擾很大，因此PLC控制方式對電網環境要求較高；由于是利用電力載波進行通信，導致PLC不能跨變壓器實現，因此區域控制器的數量增多且限制了應用范圍。

由此可見，常見的這幾種控制方式都有各自的優缺點，在實際工程中，為了能更多地利用到上述控制方式的優點并減少其缺點的影響，達到完善隧道的智能照明控制的目的，基于以上幾種控制方式，又衍生出了各種組合控制系統。

3.2.5 DALI燈具系統+RS485總線相結合

考慮DALI協議的成熟可靠及公開性，能兼容的燈具范圍廣泛，且每套燈具都具有獨立的地址、調光、信息反饋，能實時查詢燈具狀態并進行精確定位，因此采用DALI接口的燈具作為照明燈具，根據燈具數量配備相應的DALI控制器對燈具進行控制及信息傳輸；而主通信電纜即隧道智能照明主控器至DALI控制器間的通信電纜則可采用RS485總線進行信號傳輸，降低成本的同時兼顧信號的可靠傳輸，如圖1所示。

圖1 DALI燈具系統+RS485總線拓撲圖

3.2.6 PWM調光+PLC傳輸

此方案燈具調光采用PWM控制，燈具采用配有PWM專用接口驅動器的LED燈具，總線信號傳輸則采用PLC方式；每套燈具或每個回路配備一套信號接收轉換器（配置方式根據工程要求來選擇），用于接受PLC信號并轉換成PWM輸出至燈具。此方案的優點則顯而易見，造價相對經濟，且PLC可利用原有的電力電纜進行傳輸，線路敷設等工作量也大大減少；缺點則是由于PWM調光方式理論上是沒有信息反饋功能，要實現相應的功能則需要對信號轉換接收器做特別設計，而且PLC傳輸是否能有效實現很大程度取決于照明系統所處的電力環境。基于此方案的經濟性及易于實施性，且很多廠家已開發出用于信息反饋的信號轉換接收器，電力環境能滿足要求的情況下，此種調光控制方式成為主流控制方式之一，如圖2所示。

圖2 PWM調光+PLC傳輸示意圖

3.3 照明智能主控器及其他配件

照明智能主控器是一個控制系統的心臟部分，起到了收集信息、分析信息、輸出執行命令、上傳信息等重要作用。外部測量器件采集到的信息需要通過它進行處理，然后在根據預先設置的程序輸出控制命令至燈具，控制燈具進行調光來實現整個照明系統的智能調控；同時主控器還可以通過有線/無線的方式將信息上傳至總控室，使主控室控制區域內的多個隧道連接成網，進行統一管理，減少運營的工作量及難度，降低人力及物力成本，提高管理效率。

外部測量器件即輸入設備也是相當重要的組成部分，它們相當于一個控制系統中的感官設備。如光度計，用于實時測量并采集洞外照度，采用RS485總線方式與主控器相連，將采集的信息上傳，主控器根據此測量值按預設的程序針對隧道外照度情況對隧道內燈具進行調光，達到最合理的照度，真正做到智能調光控制，使能源得到最合理的使用，減少無謂的浪費。當然，由于隧道照度的調節還受其他條件的影響，如車流量、車速、空氣情況等，同樣可以增設相應的信息采集元器件將采集到的信息輸入到控制器內，通過相應的程序分析，輸出合理的調光控制命令，使隧道內照明達到當前實際狀況下最合理的照度。程序流程圖大致如圖3所示。

圖3 智能控制系統程序流程示意圖

一套完整的智能控制系統通過燈具、控制軟件、控制器及輸入設備等的有機結合，從而真正實現隧道照明的智能控制，在滿足照明需求的前提下合理地節約能源并實現綠色照明。

4 結 語

隧道照明是隧道設計及道路照明設計中的一個重要組成部分，對安全行車及降低能耗有著至關重要的作用，而照明控制系統的好壞直接影響到隧道照明效果及節能效果。隨著照明技術的不斷發展，智能化控制系統及設備不停的更新換代，相信不久的將來會有更先進更完善的控制及照明方式出現，點亮我們的生活，讓我們的世界更加璀璨。

[1]范士娟，李偉.高速公路隧道照明自動控制系統[J].華東交通大學學報，2011,28(5):9-13.

[2]JTG/T D70/2-01—2014，公路隧道照明設計細則[S].

[3]G/TJ 08-2033—2008，道路隧道設計規范[S].

U453.7

B

1009-7716（2017）03-0237-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.066

2016-12-22

姚克炯（1985-），男，上海人，電氣工程師，從事配電及照明設計工作。