“低碳經(jīng)濟”下高速公路隧道照明控制系統(tǒng)研究

丁 磊 李 震 田海東 王 帥 鄭 偉 李良榮

(貴州大學(xué)理學(xué)院電子科學(xué)系，貴州貴陽 550025)

1 引言

隨著經(jīng)濟規(guī)模的不斷擴大，能源的使用造成的環(huán)境問題及后果正制約著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。走生態(tài)文明發(fā)展道路正被國際社會所認同和重視，2013年全國“兩會”的《政府工作報告》中提出:要堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，著力推進綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展?！秶夜?jié)能減排十二五規(guī)劃》中指出:突出抓好工業(yè)、建筑、交通、公共機構(gòu)等重點領(lǐng)域和重點用能單位節(jié)能，大幅提高能源利用效率，有效減少主要污染物排放總量。

在當(dāng)前“低碳經(jīng)濟”的發(fā)展背景之下，高速公路作為交通和公共服務(wù)設(shè)施理應(yīng)做好相應(yīng)的節(jié)能減排任務(wù)。目前我國高速公路隧道照明能源消耗巨大，如陜西西 (安)漢 (中)高速公路隧道全年照明電費接近2300萬元［1］。據(jù)GLII(高工LED產(chǎn)業(yè)研究所)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2009年底中國公路隧道總數(shù)已達1782座，總長度704公里，是世界上公路隧道最多的國家。近兩年仍以每年200公里左右的速度增長。可見隧道照明節(jié)能照明控制系統(tǒng)的研究具有很強的實際應(yīng)用價值。本文針對目前高速公路隧道照明系統(tǒng)中存在的問題，提出了一種新的隧道節(jié)能照明控制方案，在保證隧道通行安全性的基礎(chǔ)上，達到降低照明能耗的目的。

2 高速公路隧道照明存在的問題

我國2000年頒布了《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》(JTJ026.101999)［2］(以下簡稱 《規(guī)范》)?！兑?guī)范》在照明系統(tǒng)構(gòu)成、洞外亮度和減光、隧道各照明段的長度與亮度、亮度總均勻度與縱向均勻度、調(diào)光分級、光源分級、燈具及布置、照度與亮度計算推薦方法等方面做出了詳細的規(guī)范說明，對隧道照明技術(shù)研究起到了有力的推動作用［3］。就目前國內(nèi)隧道照明發(fā)展現(xiàn)狀來說，照明方式還可以改進，理由如下:

(1)無效照明浪費能源

目前，絕大多數(shù)高速公路隧道采用常明燈模式，無效照明和過度照明現(xiàn)象嚴重。尤其是在一些山區(qū)高速公路，車流量少 (夜間更少)，這種照明方式浪費了大量的能源。同時由于長時間處于點亮狀態(tài)，照明燈具負荷運行，會造成使用壽命縮短，這又增大了隧道照明的成本。

(2)照明控制方式需要改變

目前的隧道照明控制系統(tǒng)的控制方式有3種:手動控制方式、分時段進行的時序控制方式和有級控制方式［4］。三種方式都無法做到依據(jù)隧道內(nèi)的照明亮度與外界自然光的亮度智能調(diào)光。

雖然目前有一些隧道照明能實現(xiàn)3～6級照明等級控制，按時序和補償方式對照明燈具進行不同的排列組合，但洞外亮度，車流量，車速等參數(shù)只是在設(shè)計階段以最大值考慮，最終各段照明亮度也處于最大亮度狀態(tài)，無效照明和過度照明的現(xiàn)象仍然較多［5，8］。

(3)隧道交通緊急狀況的處理應(yīng)該考慮

隧道交通具有半封閉、環(huán)境復(fù)雜的特點，是交通事故的多發(fā)路段［6］。因此對于隧道內(nèi)緊急狀況作出判斷和處理，對于提高隧道通行安全性、減少交通事故發(fā)生率是十分必要的。然而目前的隧道照明控制系統(tǒng)普遍沒有此功能。

3 隧道節(jié)能照明控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 節(jié)能照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隧道照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)采用大功率LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)高壓鈉燈光源。通過對交通流量的實時監(jiān)控，實現(xiàn)對隧道燈的選擇性開關(guān)控制，做到“車近燈亮，車過燈滅”，從而改變了傳統(tǒng)隧道照明常明燈的照明方式;通過對隧道內(nèi)外環(huán)境亮度的檢測，采用PWM控制實現(xiàn)對隧道照明多級調(diào)光功能，解決了傳統(tǒng)有限級調(diào)光造成的隧道照明亮度變化不均，照明層次化明顯的的問題;通過對隧道內(nèi)交通情況的檢測，對一些緊急情況作出判斷和預(yù)處理 (如發(fā)出聲、光報警或封鎖相應(yīng)事故車道等)，提高隧道通行的安全性。

為了實現(xiàn)上述功能，設(shè)計采用如圖1所示的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)［7～8］。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System control block diagram

控制系統(tǒng)中采用雙處理器結(jié)構(gòu)，中央控制器1用于實現(xiàn)對照明段的照明亮度進行調(diào)節(jié)，使之符合隧道照明《規(guī)范》要求，同時實現(xiàn)對緊急狀態(tài)的處理。中央處理器2用于實現(xiàn)照明燈具的選擇性開關(guān)控制，實現(xiàn)“車近燈亮，車過燈滅”控制。自然光傳感器用于采集隧道外光亮度值，為中央處理器1提供調(diào)控參考信號。照度傳感器安裝于隧道燈具控制器上，用于采集隧道燈照明亮度的修正信號，彌補由于隧道內(nèi)煙霧等干擾造成的光亮度衰減。燈具控制器用于接收中央處理器信息，并按照要求對隧道燈照明亮度和開關(guān)進行控制。應(yīng)急狀態(tài)控制器用于執(zhí)行中央控制器對緊急事件做出的反應(yīng)。

3.2 節(jié)能照明控制系統(tǒng)控制策略及計算模型

為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能，必須采用現(xiàn)代控制理論，并且是多種控制模式相結(jié)合的方法。本設(shè)計系統(tǒng)采用邏輯控制與時序控制相結(jié)合的方式來實現(xiàn)隧道照明的相關(guān)控制。

3.2.1 隧道照明亮度計算模型

隧道照明系統(tǒng)的亮度依據(jù)《規(guī)范》計算，將整個隧道照明區(qū)域劃分為五個照明段，即入口引導(dǎo)段、入口過渡段、隧道中段、出口過渡段、出口段。具體各照明段亮度要求如圖2所示。

圖2 各照明段亮度與長度Fig.2 Luminance and length in various lighting section

a.入口段:入口段亮度用Lth表示。我國現(xiàn)行的隧道設(shè)計規(guī)范對于入口段亮度設(shè)定為:

式中 Lth——入口段亮度 (cd m2);

k——入口段亮度折減系數(shù);

L20(S)——洞外亮度 (cd m2)。

b.過渡段:過渡段亮度用Ltr表示。過渡段劃分為TR1、TR2、TR3三個照明段，與之對應(yīng)的亮度可按表1取值。

表1 過渡段亮度Table 1 Luminance in the transition section

表2 中間段亮度Table 2 Luminance in the middle section

d.出口段:出口段亮度用Lex表示，照明亮度取中段亮度的5倍。

在隧道各段照明中，以入口段亮度的最大值作為照明控制函數(shù)的最大輸出亮度值，從而隧道各段亮度值可唯一確定。由于洞外亮度最大值為6000 cd m2，折減系數(shù)K最大值為0.045，考慮一定的余量，取亮度值為 300cd m2，對應(yīng)的占空比為 0;0cd m2對應(yīng)占空比為1。用L表示亮度值，d表示占空比變量，則可得出照明控制函數(shù):

函數(shù)圖像如圖3所示。

圖3 照明控制函數(shù)曲線Fig.3 Lighting control function curve

根據(jù)式 (1)得:

根據(jù)式 (2)，每輸入一個亮度值就可以得到一個確定的占空比d。由此可以實現(xiàn)對LED燈照明亮度的線性分級［9］。

通過以上方法可以實現(xiàn)對于入口段和過渡段的照明亮度調(diào)節(jié)。中間段和出口段亮度調(diào)節(jié)通過“查表法”實現(xiàn)，實現(xiàn)方法如下:

由表2可知，中間段照明亮度受車流量和車速的影響并不是嚴格的線性關(guān)系，為實現(xiàn)該控制，采用“查表法”。系統(tǒng)將檢測數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，然后對歷史樣本數(shù)據(jù)均化處理并進行等級劃分，由時序判斷當(dāng)前車流量所處等級和參考流量N，讓N與表2中N0比較，通過“查表法”快速獲得中間段照明亮度數(shù)值，同時也就確定了出口段的亮度值，通過公式 (2)獲得與亮度適合的占空比d，從而實現(xiàn)中間段和出口段照明亮度調(diào)節(jié)。

3.2.2 隧道燈選擇性開關(guān)控制算法

在保證隧道通行安全的基礎(chǔ)上，隧道內(nèi)無車通行時系統(tǒng)會暫時關(guān)閉照明燈，等待有車輛接近時再點亮以實現(xiàn)照明。這樣的控制可以減少夜間隧道車流量較少情況下照明能源的消耗，尤其是在山區(qū)地帶節(jié)約能源的效果將更加明顯。為此，系統(tǒng)將在隧道中設(shè)置通行傳感器 (包括電磁感應(yīng)傳感器、超聲波傳感器等)用于實時監(jiān)測隧道內(nèi)車流量。

為實現(xiàn)上述控制，對每一個通行傳感器都賦予其一套照明方案，若隧道內(nèi)同時有N輛車行駛，則系統(tǒng)會收到M(MN)套照明方案，設(shè)第j套方案對第i燈具的控制為，=0代表第j套方案控制的第i盞燈不亮;=1代表第j套方案控制的第i盞燈亮。那么=0→Di=0，表示對于任意一套方案都沒有要求第i盞燈亮，則第i盞燈不亮;否則，=1→Di=1，表示存在一套方案要求第i盞燈亮，則第i盞燈亮，也就是對m個指令進行“或”運算，見表 3 所示［10］。

表3 控制方案Table 3 Control scheme

如此將實現(xiàn)隧道照明燈選擇性亮滅 (車近燈亮，車過燈滅)控制，達到節(jié)約能源，進一步減少無效照明和過度照明。

4 隧道節(jié)能照明系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)解決的關(guān)鍵問題

現(xiàn)代隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)的主要研究在于如何實現(xiàn)照明系統(tǒng)的自動化、智能化，為此必須解決幾個關(guān)鍵問題:

(1)系統(tǒng)控制的數(shù)據(jù)處理 (算法)

對于如何高效的計算傳感器感知的信息量并產(chǎn)生準確的控制指令，是研究的關(guān)鍵問題之一;而如何準確地響應(yīng)控制指令，并依據(jù)相應(yīng)傳感器感知的實時亮度信息計算產(chǎn)生有效的LED隧道燈控制脈沖，是研究的另一個關(guān)鍵問題。隧道外自然光照強度信號與隧道內(nèi)照明燈光照強度信號的綜合、運算，控制信號輸出等，都是復(fù)雜的問題，它直接影響調(diào)整效率 (讓照明燈具亮度在極短時間內(nèi)達到設(shè)計照明標準)。涉及的主要問題有:

①LED隧道燈亮度調(diào)節(jié)控制數(shù)據(jù)的算法;

②隧道照明段亮度控制數(shù)據(jù)的算法;

③子控制器向主控制器報告工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的算法。

(2)控制系統(tǒng)的信息指令集編碼方式

節(jié)能照明控制系統(tǒng)的控制信息主要包括兩部分，一部分是中央控制器發(fā)出的各路段照明狀態(tài)控制指令，另一部分是各照明路段向中央控制器發(fā)送的路段狀態(tài)反饋指令。由于隧道照明實行分段照明，大量使用傳感器實現(xiàn)實時控制，系統(tǒng)傳遞的信息量很大，如果處理不好會引起控制系統(tǒng)崩潰，嚴重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此對于系統(tǒng)指令編碼方式必須給予足夠重視，認真加以研究。

(3)控制系統(tǒng)信息的通信機制

控制系統(tǒng)內(nèi)有大量的數(shù)據(jù)信息傳輸，且有些隧道較長 (甚至是特長)，選用何種通信協(xié)議 (TCP、UDP等)進行信息交換，判斷數(shù)據(jù)報可靠性的方法等非常重要，其直接影響信息通訊的效率 (本系統(tǒng)要求及時、準確)。因此，對通信機制進行研究是隧道照明控制系統(tǒng)開發(fā)所必須要做的工作。

以上幾個問題關(guān)系到隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性必須加以認真研究。

5 系統(tǒng)能耗分析

本文以亞洲最長市政隧道——貴州省貴陽市黔靈山公路隧道 (隧道全長1580m，設(shè)計時速60km，使用高壓鈉燈照明)為例，以說明本設(shè)計方案的節(jié)能優(yōu)勢。

基于隧道的基本情況為了便于計算，以高壓鈉燈間距10m兩側(cè)間隔布置來進行分析，那么單洞兩側(cè)總計至少有300盞燈，隧道高壓鈉燈功率采用150 W;為達到設(shè)計照明要求需要考慮一定的冗余量、維護系數(shù)以及隧道限界凈寬、限界凈高、燈具額定光通量等，LED燈具設(shè)計調(diào)整范圍為80～130W，依據(jù)《規(guī)范》以及隧道實測的亮度數(shù)據(jù)實際使用時“平均取值90W”計算。不改變燈的布局，對高壓鈉燈和LED燈具做長明燈的年能耗比較，如表4所示。

從表4中可以看出，用LED燈具24小時照明可降低40%的能耗，以0.30元 度的電價計算，僅是此段隧道每年將減少4.7萬元照明電費開支。就目前通過該路段的車流量來算，如果實施“車近燈亮、車過燈滅”的照明方案，最少還可降低25%的能耗 (1 4的時間關(guān)閉照明)。該方案如果推廣全國高速公路隧道照明，對高速公路營運部門來說，有良好的經(jīng)濟效益;對國家節(jié)能降耗戰(zhàn)略來說，社會效益顯著。

表4 高壓鈉燈與LED燈具能耗比較Table 4 Energy consumption comparison of HPS and LED

6 結(jié)束語

新型隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能方面進行了優(yōu)化和創(chuàng)新，在保證隧道安全通行的基礎(chǔ)上，最大限度節(jié)省了照明能源消耗。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國照明耗電占全國發(fā)電總量的12%，而公共照明占照明總耗電的30%［11］。在“低碳經(jīng)濟”背景下，要建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，公共交通的節(jié)能降耗也是節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容。就照明燈具來說，LED燈取代傳統(tǒng)燈具作為道路照明無疑是未來的發(fā)展方向。隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)必將朝著功能更加多樣化、控制智能化、管理人性化的方向發(fā)展。公路隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用對高速公路管理部門具有良好的經(jīng)濟效益，對國家節(jié)能減排戰(zhàn)略有積極作用。

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