基于LED的隧道智能照明技術(shù)方案研究

潘 鳴，李良榮

（貴州大學(xué)理學(xué)院 電路與系統(tǒng)，貴州 貴陽 550025）

1 隧道照明設(shè)計(jì)要領(lǐng)

白天駕駛員駕駛車輛從隧道外接近、進(jìn)入和通過隧道的過程中，如果隧道沒有照明裝置，由于隧道內(nèi)外亮度差別極大，入口處將呈現(xiàn)一個(gè)“黑洞”，出口處則看到一個(gè)“亮洞”；夜間駕駛員行車進(jìn)入和通過有照明系統(tǒng)的隧道，情況就又剛好相反，這些現(xiàn)象都會(huì)引發(fā)安全事故。為此，《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》制定了相關(guān)的規(guī)范[1]，對(duì)入口段、過渡段、中間段、出口段的亮度做了詳細(xì)的規(guī)定，相關(guān)規(guī)定如下：

1）入口段亮度需求 Lth（cd/m2）

式中 k 為折減系數(shù)，L20（S）為洞外亮度（cd/m2）

2）過渡段亮度需求

照明段TR1的亮度Ltr1如下：

照明段TR2的亮度Ltr2如下：

照明段TR3的亮度Ltr3如下：

積雪在短時(shí)間內(nèi)不同時(shí)相高分四號(hào)衛(wèi)星近紅外圖像上均表現(xiàn)為穩(wěn)定的強(qiáng)反射特征，而同一區(qū)域不同時(shí)相的云層受到成分、厚度、高度等因素影響，其反射值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng).因此，在基于多時(shí)相全色圖像得到的雪蓋范圍內(nèi)，針對(duì)高分四號(hào)衛(wèi)星近紅外波段圖像，進(jìn)行多時(shí)相近紅外圖像的最小值合成.結(jié)合積雪在近紅外波段的高反射特征，通過二值化分割，取亮度值不小于0.9倍動(dòng)態(tài)范圍值的像元為雪.由于這是在全色圖像上提取積雪范圍的基礎(chǔ)上進(jìn)行的再處理，因此，采用基于動(dòng)態(tài)范圍的相對(duì)閾值作為門限值，就可進(jìn)一步消除變化云層因素的影響，計(jì)算方法如下：

3）中間段亮度 Lin，如表1所示。

表1 中間段亮度規(guī)范Tab.1 Specifications for design of the middle section

4）出口段亮度

亮度取中間段亮度的5倍。

夜間照明分兩級(jí)控制[1]：交通量較大時(shí)，亮度與中間段亮度Lin相等；交通量較小時(shí)，亮度為0.5Lin但不小于1 cd/m2。

2 LED智能燈的設(shè)計(jì)方案

2.1 隧道中LED智能燈具照明與傳統(tǒng)燈具照明的比較

1）傳統(tǒng)的隧道照明方案

傳統(tǒng)的隧道照明方案為了做到節(jié)能，通常采用4級(jí)照明，即晴天、云天、陰天和重陰天4種照明模式[2]，這種控制方式一般采用的都是控制亮燈的數(shù)量和位置來達(dá)到分級(jí)照明的目的。采用的燈也是傳統(tǒng)的高壓鈉燈，由于高壓鈉燈光源的功率規(guī)格通用型只有100 W、150 W，250 W和400 W幾種，而許多高速公路隧道基本照明燈具僅需40～120 W即可，但目前隧道的基本照明通常選用100 W、150 W或更高的高壓鈉燈[3]，普遍存在過度照明，或要人工控制的問題。

在設(shè)計(jì)燈具功率時(shí)，必須要考慮一定的維護(hù)系數(shù)，這樣才能確保在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)過程中當(dāng)燈具光源亮度衰減和燈具受到污染而使亮度下降30%以上時(shí)，其照明的強(qiáng)度依然能夠滿足規(guī)范的要求。

在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，維護(hù)系數(shù)取0.7，如某隧道實(shí)際需要80 W的燈具，那么設(shè)計(jì)的時(shí)候燈具功率最少要選115 W；同時(shí)還要考慮到燈具會(huì)隨著時(shí)間的推移，自身會(huì)有損耗，為了確保燈具能符合設(shè)計(jì)規(guī)范，就必須有一定的冗余量，一般取1.7倍，那么設(shè)計(jì)的時(shí)候燈具功率[4]就要高于136 W，于是選用150 W的高壓鈉燈。

2）LED智能燈具照明方案

LED有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、易控制等特點(diǎn)。如某隧道實(shí)際需要80 W的燈具，用LED智能燈就可以控制成80 W的規(guī)格，避免過度照明。根據(jù)隧道外的亮度智能化控制隧道內(nèi)LED燈的照明亮度，特別是入口段、過渡段這兩段的亮度調(diào)節(jié)，即根據(jù)隧道的設(shè)計(jì)行車速度來設(shè)計(jì)該路段需要多亮，照明燈具就控制多亮（LED智能燈也必須有一定的冗余量），以避免過度照明，這樣可以節(jié)約電能，減少污染排放。

2.2 LED模擬燈具設(shè)計(jì)

如圖1所示為用1 W臺(tái)灣晶元正白光大功率燈珠制成的24 W模擬隧道燈；燈具控制系統(tǒng)中采用了達(dá)林頓控制電路，使實(shí)驗(yàn)中LED燈珠達(dá)到了最佳的亮度（110 lm）；模擬燈具標(biāo)準(zhǔn)光通量為2 500 lm（Tj=25℃），最大的光通量達(dá)到7 500 lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。

圖1 模擬隧道燈Fig.1 Simulation LED lamp

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 LED智能燈電路系統(tǒng)方案

本方案設(shè)計(jì)有兩套控制電路，一套控制LED燈組的照明亮度，另一套控制燈具的照明亮度。課題組在模擬隧道外設(shè)置了一個(gè)亮度監(jiān)控裝置，將自然光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為0～5 V的直流電壓信號(hào)，再經(jīng)ARM7（stm32f103vc，中央控制器）分析計(jì)算，控制LED燈的照明亮度使之符合國(guó)家規(guī)范 （段亮度控制指令）；同時(shí)在模擬隧道內(nèi)也設(shè)置了亮度監(jiān)控裝置，對(duì)模擬隧道內(nèi)相應(yīng)路段的照明亮度進(jìn)行信號(hào)采集、并分析計(jì)算，如果照明亮度不足，就自動(dòng)調(diào)整提高相應(yīng)LED燈的亮度，做到智能補(bǔ)光，以有效補(bǔ)償因燈具損耗或受灰塵、尾氣等因素產(chǎn)生的照明亮度減弱。

3.2 分段照明控制設(shè)計(jì)

來車檢測(cè)傳感器等間距設(shè)置如圖2所示，D1為距離隧道口一段距離的感應(yīng)帶，當(dāng)有車行到D1處時(shí)，D1采集的信號(hào)傳到中央控制器處理后讓D2→D3路段燈組點(diǎn)亮；當(dāng)車行至D2時(shí)，D2采集的信號(hào)讓D3→D4燈組點(diǎn)亮；當(dāng)車行至D3處時(shí)，D4→D5段點(diǎn)亮，此時(shí)如果D1→D3段內(nèi)無車經(jīng)過，則熄滅D2→D3燈組；之后的燈組以同樣的原理控制。此方案在車流量較少的高速公路隧道使用，節(jié)能效果更加明顯。方案如能得到推廣，將為國(guó)家節(jié)省下大量的電能，為我國(guó)的節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)。

圖2 分段控制傳感器設(shè)置方法Fig.2 Design of segmented lighting control

3.3 耗能比較

文中以亞洲最長(zhǎng)市政隧道——貴州省貴陽市黔靈山公路隧道為例，以說明本設(shè)計(jì)方案的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，隧道全長(zhǎng)1 580 m，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km，使用高壓鈉燈照明。

入口段：長(zhǎng)90 m，三盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m。

過渡1段：長(zhǎng)30 m，三盞燈一組與兩盞燈一組間隔布置，兩側(cè)對(duì)稱布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m。

過渡2段：長(zhǎng)70 m，兩盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m。

基本1段：長(zhǎng)610 m，一盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距10 m。

基本2段：長(zhǎng)750 m，右側(cè)一盞燈一組，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W；左側(cè)一盞燈一組，間隔點(diǎn)亮，燈組間距10m，每盞燈功率為150 W。

出口段：長(zhǎng)35 m，三盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m。

基于隧道的基本情況，為了便于計(jì)算，以高壓鈉燈間距為10 m，兩側(cè)間隔布置來進(jìn)行分析，那么單洞兩側(cè)總計(jì)至少有300盞燈。隧道高壓鈉燈功率采用150 W；為達(dá)到設(shè)計(jì)照明要求，需要考慮一定的冗余量、維護(hù)系數(shù)以及隧道建筑限界凈寬、限界凈高、燈具額定光通量等，LED智能燈設(shè)計(jì)調(diào)整范圍為80～130 W，依據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》以及隧道實(shí)測(cè)的亮度數(shù)據(jù)實(shí)際使用時(shí) “平均取值90 W計(jì)算”，不改變燈的布局，對(duì)高壓鈉燈和LED智能燈做長(zhǎng)明燈的年能耗比較，如表2所示。

表2 高壓鈉燈與LED智能燈能耗比較Tab.2 Compare of energy consumption between high pressure sodium lamps with LED Intelligent lamps

從表2中可以看出，用LED燈具24小時(shí)照明可降低60%的能耗，以0.30元/度的電價(jià)計(jì)算，僅是此段隧道每年將減少4.7萬元照明電費(fèi)開支。就目前通過該路段的車流量來算，如果實(shí)施“有車經(jīng)過點(diǎn)亮、無車關(guān)閉”的照明方案，最少還可降低25%的能耗（1/4的時(shí)間關(guān)閉照明）。該方案如果推廣全國(guó)高速公路隧道照明，對(duì)高速公路營(yíng)運(yùn)部門來說，有良好的經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)國(guó)家節(jié)能降耗戰(zhàn)略來說，社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)束語

本方案基于西部隧道照明的實(shí)際情況設(shè)計(jì)的燈具結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)和LED燈，不僅使燈具照明智能化、數(shù)字化，而且性能穩(wěn)定、工作可靠；同時(shí)使用分段控制技術(shù)取代傳統(tǒng)的整段控制技術(shù)，在節(jié)能上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，為今后的隧道照明方案提供了一種新的參考。

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