高速公路隧道項目LED照明智能控制系統及應用探討

馬海力

摘要 我國山區面積廣，高速公路隧道數量多，隧道照明電費在隧道運營總成本中的占比較高，當前國家正大力推行“雙碳”政策，研究并應用公路隧道LED照明節能技術，已成為響應該政策的重大舉措。基于此，文章以某公路隧道機電工程為案例，論述了公路隧道照明出現的問題，分析了LED照明無極調光技術，設計了LED調光控制系統，根據隧道外的光線亮度，動態調整隧道內的亮度值，確保各區域亮度平穩過渡。通過應用該照明系統，結果顯示，一方面能滿足公路隧道內照明需求，確保行車安全，另一方面還可降低電能消耗，具有極大的推廣應用價值。

關鍵詞 高速公路隧道項目；隧道照明；LED照明智能控制系統；節能系統

中圖分類號 U453.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0024-03

0 引言

隨著社會經濟的發展，高速公路建設總里程快速增加，受山區地形影響，所建公路隧道已有兩萬多條。20世紀中期，歐美國家研制出了隧道照明智能調光控制技術，并得到了廣泛應用，這是隧道照明技術的重大進步。相比之下，我國在該領域起步較晚，技術落后，且標準較低。為此，制定隧道燈具布置方案，加大相關理論的研究力度，確保隧道內行車安全，而且還能降低照明能耗具有極大的現實意義。該文運用機電工程領域的專業理論知識，設計出了高速公路隧道LED照明智能控制系統，取得了良好的應用效果[1]。

1 高速公路隧道照明調光控制

1.1 調光控制的傳統方式及存在問題

公路隧道照明分為5個階段，分別是入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、過渡段、中間段、出口段。調光控制系統主要分為基本回路2個、加強回路4個、應急回路1個。照明回路控制系統共分為6檔，分別應對不同天氣條件而進行回路的開關控制，從而合理調節公路隧道亮度。該控制方式是通過控制上述6級預設開關的燈具組，確保各天氣條件下，隧道內亮度滿足安全行車的需求，并降低電能消耗。

以上調光控制方式的不足主要表現為以下三方面：

（1）由于光源亮度會不斷衰減，且光效存在差異，因此設定照明燈功率時，需要設計維護系數，并有設計冗余，這就導致存在過度照明的問題，回路控制并不能有效解決問題。

（2）為減少電能消耗，會關閉部分回路，使得隧道內光照不均勻，由此導致駕駛人員產生視覺疲勞，嚴重影響行車安全。

（3）由于照明回路效能存在差異，導致燈具的照明時長各不相同，隧道內燈具通常要求全天開啟，白天需開啟陰天照明燈具，隧道外較亮時開啟晴天照明燈具，各燈具使用時長存在差異，長時間開啟基本照明燈具，必然會減少其使用年限，且推高維保費用。現場了解后發現，隧道運營方向隧道照明系統供電時，會開啟白天照明燈具，晚間則開啟基本照明燈具，致使白天隧道內亮度不夠，夜間過度照明，造成電能浪費[2-4]。

1.2 LED隧道燈調光控制方措施

LED照明調光控制方式有無極調光、燈群組以及燈管列陣3種。后2種方式屬于分級控制方式，亮度分級調節數量會受到一定的限制。由于分級調節具有較高難度，隧道內各區域亮度不容易實現平穩過渡，易產生暗區，由此導致出現斑馬效應。相比之下，第一種控制方式能進行256級調光，經實際應用發現，當調光級數增多時，可實現更廣范圍的燈光調節，并且更加匹配洞外光線亮度，與亮度曲線更加吻合，可充分滿足駕駛人員眼睛對光線的需求，隧道內照明亮度更加均勻，調光控制系統結構較為簡單，更容易實現精準控制。通過對比分析隧道燈不同的調光控制方式，該文采用了第一種控制方式，即無極調光控制方式[5]。

2 LED照明無極調光技術研究

2.1 LED燈具控制器調光技術分析

燈具亮度控制方式主要分為電壓控制電流源（CVCCS）亮度控制、電阻和晶體管限流亮度控制以及脈沖寬度調制亮度控制等3種。通過對3種控制方式進行比較可知，脈沖寬度調光具有較高的準確度，色譜不會發生偏移，因此選用第三種控制方式，即PWM模式。采用PWM控制燈光亮度，就是通過直流電壓，輸出穩定的電壓，當電阻被限流后，使用PWM控制晶體管的導通時間，從而實現對電源電流、燈光亮度的控制（如圖1所示）。限流電阻、晶體管、變壓器等都會消耗部分電能，采用這種調光控制方式，能有效地降低正向導通電流在整個電源系統中的比重，還可根據實際需要不斷進行轉換，由此實現LED燈具亮度的最佳控制效果[6-7]。

2.2 控制信號傳輸方式

為有效控制信號傳輸，該文選用的是PWM脈沖調光控制方式，PWM脈沖在傳輸過程中不易受到外部因素的干擾，傳輸線路較為簡單，能長距離控制信號，控制器具有較大的負載量。設計PWM調光控制器，為增強PWM頻率，需加大其輸出電流，并保證能穩定輸出信號，從而實現PWM數字信號的長距離傳輸。通過現場實測可知，該信號傳輸方式，可將信號最遠傳輸2 km，若要求超過該距離，則應配合信號放大器的使用。現階段，高速公路隧道燈具的亮度控制多為PWM調光方式，一般可控制1.5 km內的亮度。相比之下，使用PWM數字傳輸控制信號，對于燈具編址并未有特殊要求，能同時控制不同類型燈具的調光[8]。

3 LED照明智能控制系統設計

3.1 系統結構

LED照明無極調光控制系統主要由亮度檢測器、主控制器、調光控制器、燈具控制器、照明燈具和控制總線等構成，其結構如圖2所示。

3.2 系統工作原理分析

亮度采集器收集隧道外的亮度值，并將其傳輸至系統主控制器。后者根據實際數值，算得LED隧道燈的亮度值。各個位置的亮度值存在一定的差異，隧道內外的亮度值具有較大差異，采用該控制系統，有利于隧道內外亮度的平穩過渡，保證汽車駕駛人員的視覺效果良好，提高隧道內行車的安全性。通過主控制器算出的亮度值，產生相應的調光指令，并控制縱向到調控器，由此完成任何功率大小的無極調光。

4 LED照明無極調光控制系統方案及應用

利用亮度檢測裝置對隧道內外的亮度值實施檢測，所得數據經控制總線傳輸至主控制器，后者結合系統內的控制列表，采取具體的控制措施，亮度信號經調光控制器處理后，形成PWM數字信號，并被發送至燈具控制器中。燈具的電流受控于系統控制器，輸出的電流值會出現一定的變化，LED燈具受其影響，其光流量輸出值發生相應改變，由此實現對隧道內亮度的調控[9]。經綜合分析該高速公路隧道機電工程的實際情況，設計人員發現了潛在問題，并提出相應的解決措施，以達到提升控制系統穩定性的目的。

（1）控制系統存在電壓損耗問題，由此會影響信號強度，為有效控制傳輸信號，實現遠距離傳輸，采用PWM數字控制信號，完成部分距離傳輸后，檢測電壓下降情況，可根據實際需要，安裝使用信號放大器。該文工程案例中，其隧道長度為2.7 km，在其內部設置控制器，由中間向兩端控制信號，從而提升傳輸效率，圖3為調光控制器布設圖。

（2）當照明系統出現斷電，或電源發生故障時，不能向燈具輸入信號，導致無法輸出信號，此時控制系統的電壓等于零，隧道內燈具不亮，或者實際照明達不到應急照明的標準，從而嚴重降低隧道行車安全性，可能會引發交通事故。為此，設計調光控制系統時，若系統無輸入電壓，應確保隧道內燈光亮度為最大，其最小亮度至少為額定值的10%[10]。只有這樣，在系統出現問題時，應急電源立即開啟，從而確保隧道內亮度滿足行車需求，以防止發生交通事故。

5 結語

綜上所述，該文設計了LED照明無極調光控制系統，提出了相應的調光控制方案，并將其應用于某高速隧道機電工程中，取得了良好的控制效果。在高速公路隧道照明控制中應用該系統，可節約照明用電40%～60%，并有利于提升隧道內行車安全性。由此可知，該系統具有較高的經濟價值與社會效益，可進行廣泛的推廣應用。

參考文獻

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