基于數模融合方案的隧道照明調光控制系統應用研究

摘要：針對傳統高速公路隧道回路調光控制方案存在的不足，文章從多角度對傳統方案進行優化，提出了“分布式數字+模擬融合”的隧道照明調光控制系統建設方案，并通過試點工程驗證了該方案的可行性，有效解決了傳統方案中施工成本高、系統可靠性穩定性不足等問題。

關鍵詞：高速公路隧道；照明調光控制系統；回路調光控制；數模融合

中圖分類號：U453.7 A 28 092 4

0 引言

近年來，隨著高速公路機電設備的不斷發展升級，隧道機電設備用電呈幾何倍數增長，隧道照明涉及的用電量更是占據隧道機電用電量的首位。因此，合理設計與管控隧道照明設施，進而有效地降低隧道用電量是交通“節能減排”的重要一環。

當前國內高速公路隧道照明系統多在設計階段就已引入節能型LED燈具以及隧道照明調光控制系統，調光系統經常采用的是0～ 10 V（或0～ 5 V）回路調光方案，在原理上屬于模擬量調光。這類調光系統由于模擬量調光信號傳輸不適合長距離、大數量設備的控制，可能會增加模擬量中繼器，而增加中繼器后系統的穩定性和可靠性又會出現問題；同時因為調光線路較長，會造成系統整體施工成本高、難度大。因此需要設計一套更為穩定、可靠且經濟實惠的隧道照明調光控制系統。

1 公路隧道照明調光控制系統現狀

當前國內外隧道大多采用回路照明調光控制方案，如圖1所示?；芈氛{光方案由照明主控箱輸出多路0～ 10 V（或0～ 5 V）模擬量總線信號，每路調光總線與該回路燈具的調光線T接，通過調整總線電壓實現調整燈具亮度的目的。一般情況下隧道會分為入口加強段、過渡段、基本段、出口加強段等不同的照明段，隧道調光控制系統將根據洞外亮度值及駛入隧道車輛情況結合預置好的隧道亮度值，對每個照明段獨立進行控制。

在近年高速公路建設及運營管理過程中，發現傳統回路調光方案存在以下問題：

（1）在前期建設過程中，需要敷設多條的回路調光控制線來實現對多個回路的控制，投入線纜物料及人工成本較高，施工及調試工藝較為復雜，而且在后期運營管理階段維護起來不方便。

（2）由于調光總線線路過長造成線材電阻阻值變大，或總線內T接燈具數量過多，為了實現調光操作，必須增加模擬量中繼器，才能使每段總線的負載在合理范圍內。

（3）模擬量中繼器雖然在標定負載下輸入輸出比例近似相同，但在重負載和輕負載情況下輸入輸出比例偏差很大。如重負載情況下輸出電壓略低于輸入、輕負載情況下輸出電壓略高于輸入，而且在多級中繼情況下，這種偏差由于多級放大，偏差可能進一步增大，甚至造成后級燈具無法調控的情況。

（4）由于所有照明段燈具都是串聯接入調光線，任意一段出現調光總線故障、中繼器故障或設備停電，都會造成整條調光總線故障，從而增加故障率和故障影響和范圍。

2 基于數模融合方案的隧道照明調光控制系統

為有效解決上述問題，本文提出了一種分布式數字+模擬融合方案的隧道照明調光控制系統——各回路分別獨立控制，且數字部分（數據通信）采用LoRa數字無線通信技術，模擬部分（模擬量調光）采用0～ 10 V（或0～ 5 V）模擬量總線控制。

分布式數模融合隧道照明調光控制系統主要包含以下設備：調光控制器、智能網關、洞內/外亮度檢測儀以及車輛檢測雷達。相較于傳統隧道照明控制系統所有照明回路調光控制線纜均從變電所照明控制箱引出，本系統將智能網關設置在變電所內的照明控制箱內，調光控制器設置在各照明回路附近的照明分控箱內，照明回路調光控制線纜根據照明段從就近的照明分控箱內引出，燈具調光輸入端在回路范圍內進行接口并聯連接，每個回路單獨連接一個調光控制器。調光控制器、洞內/外的亮度檢測器以及車輛檢測雷達與智能網關間的數據通信均采用LoRa數字無線通信技術進行組網通信，有效減少了施工過程中調光線纜、數據線纜敷設的物料及人工成本，而且各分控箱獨立運行互不干擾，降低了后續故障影響范圍，便于故障排查以及后期維護。具體系統框圖如圖2所示。

2.1 LoRa數字無線通信技術簡介

分布式數字+模擬融合隧道照明調光控制系統采用LoRa無線通信技術進行數據信息組網互傳。LoRa是一種低功耗局域網無線標準，與其他無線通信方式相比，其在同樣的功耗條件下傳播的距離更遠，通信距離比傳統的無線通信方式擴大3～5倍。LoRa技術因低功耗、通信距離遠等性能優勢，成為物聯網技術應用的理想選擇。LoRa技術主要有以下優點：

（1）低功耗。休眠電流低至 0.2 μA，發射/接受電流均為毫安級。

（2）低成本。LoRa工作在LPWAN免牌照的頻段中，因此LoRaWAN的鏈路建設成本低，可自由部署。

（3）遠距離傳輸。LoRa技術采用線性調頻擴調制技術，LoRa信道點對點理論通信距離 10 km，隧道內實測超過 1.5 km。

（4）系統容量大。LoRa技術為解決并行接收和處理多個節點數據同時進行問題，在調頻擴調制技術上研發了集中器／網關，從而擴大了系統容量。

（5）抗干擾性強。基于調頻技術和偽隨機碼序列進行頻移鍵控，促使載波頻率的不斷跳變從而擴展了頻譜，解決了定頻干擾的問題?？赏粫r刻使用相同的頻率發送不同擴頻序列的終端，且無干擾現象［1］。

由于高速公路隧道長度較長且整體結構呈管狀，為實現多組處于不同位置的機電設備通信、組網以及信息共享，且滿足隧道內遠距離通信要求，本系統設計采用LoRa無線組網技術。該技術相較于傳統隧道采用光纜通信的方案，既節省了光纜敷設的工程實施成本，又減少了可能出現的潛在故障點，且LoRa通信技術具有工業級數據傳輸穩定性，對比傳統的WiFi和ZigBee無線通信，其低功耗長距離通信的特點更加適合高速公路隧道現場環境下的窄帶數據傳輸。

2.2 系統工作原理

系統主要工作原理：洞外亮度檢測器及車輛檢測雷達將實時采集到的洞內/外亮度值以及車輛通過信息，經LoRa通信傳遞至智能網關；智能網關將接收到的數據通過隧道監控網絡傳輸至位于隧道監控中心的智能隧道照明控制系統，系統結合洞內/外亮度數值以及車輛通過信息，根據預置算法計算出隧道內各照明段應該達到的亮度值，并將亮度值數據轉換成LED燈具的驅動參數，然后將具體的調光控制指令下發至智能網關；智能網關通過LoRa網絡將接收到的指令，分別發送至各調光分控箱中的調光控制器，各調光控制器根據指令輸出模擬量電壓控制信號，調光控制線將控制信號輸入LED燈具電源的調光控制接入端，實現對LED燈具運行功率進行調控，進而實現對隧道內亮度的調節。

2.3 軟件架構

本調光控制系統在隧道監控中心設置了一套智能隧道照明控制系統平臺，該系統根據隧道運營管理中常用控制及能耗監控需求進行開發，可以實現隧道照明系統燈具運行功率控制、回路遠程通斷控制、用電狀況及異常檢測，有效提升了隧道照明系統的管控效率和智能化水平。該系統主要分為3個模塊：系統監控、統計報表、系統及賬戶管理。

（1）系統監控模塊主要功能是對照明系統實施運行數據監測，各照明段控制狀態及控制方式切換，照明控制系統各設備運行狀態監測及故障分析。

（2）統計報表模塊主要功能是電能參數統計，包括電壓、電流、有功功率、消耗電能等，可為使用者提供電能分析報表。

（3）系統及賬戶管理主要功能是設置系統默認參數、設備基礎信息、用戶ID增加與刪除，權限設置等系統基礎數據。

3 試點項目及效果分析

本文以桂平至來賓高速公路（桂來路）馬鞍山隧道智能化照明控制系統節能改造項目作為試點工程。此次隧道照明節能改造包括隧道照明亮度設計、照明控制系統設計與開發、改造施工等環節，實現了從設計到施工的隧道照明系統一體化改造。

3.1 試點改造項目概況

桂來路馬鞍山隧道為單洞三車道分離式隧道，隧道凈寬為 14.5 m，凈高為 5 m，其中左洞（武宣往桂平方向）長為 2 873 m，右洞（桂平往武宣方向）長為 2 889 m。隧道原設計限速為 80 km/h。隧道照明系統原設計采用高壓鈉燈加LED燈組合的配置模式，照明系統分為入口段、過渡段1、過渡段2、中間段、出口段，其中入口段照明設計亮度為 178.10 cd/m2，中間段照明設計亮度為 8.13 cd/m2，隧道加強段按晴天、云天、陰天和重陰天（及傍晚）進行四級照明控制。

本項目結合隧道現場及實際運行情況，對馬鞍山隧道的照明系統進行升級改造。隧道設計限速經交警論證后已提速至 100 km/h。根據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01-2014），洞外亮度根據隧道兩端入口情況取值 3 500 cd/m2進而計算出入口加強1段照明設計亮度為 157.5 cd/m2，中間段照明設計亮度為 3.5 cd/m2，改造后隧道增加分布式數字+模擬融合隧道照明調光控制系統。具體控制實施方案如圖3所示。

隧道照明調光控制系統具體調控方案如下：

（1）有車通過時：左右側加強段、過渡段、基本段跟隨自然光調整，自然光照度越強，加強段、過渡段、基本段燈具越亮，反之亦然。

（2）無車通過時：左右側加強段、過渡段、基本段30%亮度。

3.2 項目改造成效分析

經過本次智能化隧道照明控制系統節能改造后，在工程造價節約、施工難度降低、工期減少、整體光環境、系統穩定可靠、光跟隨調控及節約電能方面都達到了預期的效果。具體成效如下：

（1）在節約工程造價方面，新增隧道照明調光系統采用分布式數模融合調光系統，比傳統回路調光系統方案，可節省調光電纜 12 390 m（節省比例約45%），節省控制信號傳輸電纜 2 900 m（節省比例100%）。不僅在工程實施過程中節約物料及人工成本，降低施工難度，減少施工周期，而且在后期運營維護過程中，降低了系統的復雜性及現場維護的難度。

（2）在整體光環境及系統穩定性方面，改造后采用LED燈動態光跟隨控制，全回路燈具開啟，統一根據洞外亮度調節燈具亮度，使得整個隧道光環境亮度舒適且均勻性顯著提升，且在2022年11月完成改造后的1年多時間內，調光控制系統也長時間保持了可靠穩定的運行。

（3）在光跟隨調控方面，光跟隨策略通過LoRa通信網絡實時獲取隧道洞內外光亮度、車輛通過與燈具控制信息，并通過策略自動控制隧道內燈具的功率，在隧道光照滿足正常使用前提下盡可能降低用電量。通過實際監測來賓端入口加強2段 150 W燈具工作電流，可以發現燈具工作電流與洞外亮度變化動態跟隨，驗證了洞內照度隨洞外照度變化的光跟隨調控效果。具體效果如圖4所示。

（4）在節約電能方面，通過將高功耗的鈉燈更換成LED燈，優化隧道照明系統設計方案，并引入隧道照明調光控制系統，隧道總用電量相對于改造前出現了明顯的降低。根據從隧道運營單位獲取的馬鞍山隧道2021年1月至2022年10月的隧道用電總費用清單（因馬鞍山隧道在2021年8～9月進行路面改造，10～11月進行節能改造，施工期間數據不具備參考性），截取2021年1～7月以及2022年同期電費數據進行對比，如表1所示。

根據表1可得，電費平均下降率約為40%，且由于電費包含隧道站所有用電，因此，下降率實際＞40%，改造節能效果顯著。

4 結語

本文設計了一種分布式數模融合隧道照明調光控制系統，解決了傳統隧道回路調光系統由于環境不同、總線負載差異及調光總線串行造成系統可靠性差、穩定性差、維護難等問題，并給出了具體實施方案。通過試點工程進一步驗證了方案的可行性，在新路建設、老舊隧道節能改造施工過程中有較強的推廣價值。

參考文獻

［1］陳宇翔.LoRa應用關鍵技術研究［D］.杭州：杭州電子科技大學，2019.

收稿日期：2022-11-30