隧道照明的智能控制方式淺析

汪晶

(上海隧道工程有限公司， 上海 200062)

0 引 言

近十幾年來我國大力推進交通基礎設施建設，全國范圍內廣泛開展縣縣通高速工程，為提高城鄉交通建設水平和加快實現現代化建設奠定了堅實的基礎。在交通基礎設施的建設過程中，受我國地理條件的影響，如中西部高原多山和東南部丘陵多水域等，需要建設大量的山體隧道和水底隧道。隨著通信、計算機、圖像處理和控制等技術持續革新，安全、便捷、舒適、經濟和高效的交通環境受到廣泛關注。人們對日常交通提出了更高的要求，智慧隧道呼之欲出。隧道照明作為隧道機電設施中的必要部分，向智能化方向發展是一個必然的趨勢。一個良好的智能照明系統不僅能給駕駛員提供一個舒適的行車環境，提高行車安全性，同時也能實現國家節能減排的目標，實現按需照明和降低照明的能耗，達到最大限度的節能目的。

1 隧道照明系統的組成

隧道作為一種特殊的密閉建筑結構，在保障通行安全的情況下必須提供足夠的照度。駕駛員作為車輛的操作者，對道路狀況和相應信息的接收尤為重要。當車輛在不同時間段和氣象條件下進入隧道，環境和光強的變化，會引起駕駛員的視覺變化。由于人眼視覺滯后效應,會產生視覺盲區。當駕駛人員行駛到隧道出口附近,由于洞內外亮度差會產生“白洞效應”[1],這都將對行車安全造成影響。為減小這種現象對駕駛員的影響，隧道內部的照明不僅要求有足夠的照度，而且需要按照一定的亮度曲線進行設置。隧道照明系統主要由隧道中間段照明、入口段照明、過渡段照明、出口段照明、接近段減光設施、應急照明以及洞外引道照明等組成[2]。通過對這些常規的隧道照明設施進行智能控制調節，實現隧道照明的要求。

2 隧道照明智能化控制的實現方式

近年來，隨著LED照明燈具的發展，隧道LED照明已經取代隧道熒光燈和隧道鈉燈，成為隧道的主照明。相對于傳統的隧道照明，LED燈具和調光電源的使用使得精細化的調光功能得以實現。結合安裝在隧道洞內、洞外的光照度儀和光強度儀，洞內的COVI傳感器與車輛檢測器，以及視頻分析數據的處理，使隧道內的照度能夠按照理論的光亮度曲線進行調光，提供駕駛人員一個最為舒適的視覺效應，另外在車輛通行較少的時間段，降低隧道內照明，實現節能的目的。

以上海在建的某隧道智能照明系統為例，分析整個系統結構。該系統為分層分布式結構：第一層是上海隧道照明上級管理機構智能照明監控系統，與隧道節點控制中心通過專網或4/5G專用網絡進行通信；第二層是隧道內部隧道照明控制系統，該系統與隧道照明現場控制器通過隧道內部敷設的光纖環網進行通信，亦或可以通過設置在隧道內部的4/5G網絡進行通信；第三層是現場智能照明控制層，包括現場控制單元、調光電源和照明燈具。整個隧道照明系統的結構如圖1所示。

圖1 隧道照明系統的結構

按照目前通用的調光模式，隧道內智能照明的控制結構可根據實際的需求進一步細分，有以下幾種模式：①采用0～10 V調光;②采用總線形式調光；③PWM調光。0～10 V和總線形式調光模式目前在隧道調光中得到應用，都有相應的優點。

0～10 V調光是一種模擬調光方式，具有簡單可靠、生產成本低和安全性高等優點，但也受到傳輸距離的限制。由于對應的0～10 V 電壓在線路上產生壓降，長距離傳輸可能導致調光不勻，因此一般應用在較短的距離范圍內。

總線形式調光一般采用DALI協議進行調光，該協議是一種開放式的國際標準照明控制通信協議。通信方式采用半雙工，速率為1 200 Bps, DALI 可以通過最大64個短地址和16個組地址構成網絡,一個主機可以控制一個或多個從機,以半雙工方式進行通信[3]。DALI協議控制方式相對于0～10 V調光有優點也有缺點。優點是：在具體實施中，對總線的線材要求不高，不必采用屏蔽雙絞線或專用的通信電纜；調光可以控制到每個LED燈，對燈具按預設的模式進行編組調光，結合隧道內外的傳感器可以做到按需控制，調光可以實現過程平滑和燈光無閃爍。 缺點是：電源成本較高，各個廠家的產品互換性可能存在問題。

針對上述調光方式，可在隧道內按以下兩個方案進行建設。

方案一，應用0～10 V調光方式進行調光控制，如圖2所示。

圖2 智慧隧道照明整體解決方案一(智慧獨立方案)

該方案是一個完整的低成本和高智能化的一體化方案。方案的優點在于支持各種類型的隧道燈，支持0～10 V調光功能，同時在新建隧道時，可按照三相平衡的原則進行安裝應用。利用T-LCU的用電監測能力，可以實現每一組LED燈具的在線監測，如一組控制10盞50 W LED燈具，那么利用T-LCU的電參數實現實時動態監測。如果檢測到功率下降或電流下降，就可以計算出整條回路中有幾盞燈故障，方便后期隧道的管理養護工作。通過光纖環網連接的所有T-ACU區域控制器，全部接入到隧道機房內的智能照明控制中心，形成隧道端的監控子平臺，并遵循DG/TJ 08—2296—2019《道路照明設施監控系統技術標準》中平臺與隧道內子平臺之間的互通互聯方式。隧道端的監控子平臺與上級行業管理平臺之間通過專網或4/5G網絡，采用VPN等方式連接。

方案二：應用DALI總線調光方式進行調光控制，如圖3所示。

圖3 智慧隧道照明整體解決方案二(單燈獨立方案)

該方案是一個完整的高成本和高智能化的一體化方案。利用總線區域集中控制器將隧道內的照明分為多個區段，通過總線實現調光功能，獨立控制到每一個燈具，每個總線區域集中器可以管理多個單燈控制器；為實現系統的穩定性和時效性，單燈控制器數量不超過50個為宜。同時利用集中器自身自帶的邏輯業務功能，實現對所管轄的所有單燈控制器進行實時管理、實時監測和實時分析，并將信息主動上報T-ACU；利用T-LCU的用電監測能力，實現每一盞LED燈具的在線監測。通過光纖環網連接的所有T-ACU區域控制器，全部接入到隧道機房內的智能照明控制中心，形成隧道端的監控子平臺，并遵循DG/TJ 08—2296—2019標準中平臺與隧道內子平臺之間的互通互聯方式。隧道端的監控子平臺與上級行業管理平臺之間通過專網或4/5G網絡，采用VPN等方式連接。

以上兩種控制模式在上海隧道均得到應用，智能照明系統的實施不僅為駕駛人員提供了一個安全可靠的駕駛環境，提升了駕駛人員的滿意度、舒適度及體驗感，而且有效降低了事故的發生，為人民的安全出行提供保障。

在前文提到的某在建隧道，智能照明控制方式將采用方案一來實施隧道照明控制。

3 隧道智能化照明的功能

(1) 系統包括系統功能、控制方式、接口、控制設備和軟件要求等，能適應隧道特殊的使用環境。

(2) 能夠實現系統自動控制、遠方遙控或就地手動控制的功能。

(3) 能夠根據隧道外部氣候條件、隧道內平均車速和流量進行照明亮度的自動調節, 降低照明能耗。

(4) 實現隧道分段亮度調節的功能：按入口段、過渡段、隧道內部、過渡段和出口段進行調節。

(5) 系統對LED隧道燈的控制采用0～10 V控制。

(6) 能夠根據時間、亮度和氣候等條件所設定的運行模式進行調試和控制，根據操作員的操作權限對系統時控和光控等模式進行參數按需設置。

(7) 照明系統具有設備自動診斷、巡檢功能以及現場實時數據采集功能，采集的設備信息包含：各個LED隧道燈組燈的亮度等級，LED隧道燈和調光電源的故障信息，燈具、電流、電壓和功率等監測告警。

(8) LED隧道燈與控制系統失去通信時，延時10 min后，燈亮度自動調到100%，保證故障時照明。

(9) 系統應支持廣播和點播等多種通信，同時提供必要的網絡安全措施。系統軟件支持在線升級。

(10) 隧道 LED 照明控制系統應以數據、圖形和圖像等方式顯示隧道內 LED 照明系統的運行情況和控制模式等[4]。自動按照預設的模式完成備份和數據文檔存儲，滿足管理方對數據進行查詢、統計和形成報表的需求。對各類日報、月報和年報自動進行對比分析，對設備和線路的電壓和電流等運行數據進行分析，同時設置權限管理。

(11) 當隧道一旦發生火災,調光系統接收到FAS火災報警信號,聯動控制隧道所有LED隧道燈具100%光輸出。LED調光系統如發生故障，故障區域內的LED隧道燈100%光輸出[5]。

(12) 系統應滿足規范對電磁兼容和諧波的要求，不應對隧道內設備的供電質量產生影響，同時也不能對供電電網產生傷害。

(13) 為將來運營管理考慮，實現手機和平板電腦等設備的移動巡檢。

4 結束語

在我國道路交通設施高速發展形勢下，智能化、人工AI技術和大數據分析等創新技術得到廣泛應用，改變了以往常規的隧道設計、建設和管理運營模式。隧道不再是一個簡單的交通通道，隧道內照明也不僅僅只提供光照功能。在目前，大量的新技術和新產品在隧道內的廣泛使用將促使隧道向智能化方向發展。為了提升隧道內各類設備的使用效率，隧道監控引入了綜合監控系統，從而提升了整個隧道設備的綜合管理能力。借助綜合監控系統完成隧道內設備工作數據監控采集，加強后臺對設備的操控能力，提升了隧道設備運行穩定性、可靠性和安全性。隧道照明作為隧道建設和運營所必需的基本系統，作為一個耗電大戶,其智能控制方式可以實現節能降耗的目的，為國家可持續發展提供助力。