高速公路隧道LED照明調(diào)光技術(shù)應(yīng)用

柏友富

摘要：本文探討了高速公路隧道LED照明的調(diào)光技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：隧道照明調(diào)光技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD625 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

交通運(yùn)輸業(yè)是國(guó)家確定的節(jié)能減排重點(diǎn)行業(yè)之一，加快建設(shè)以低碳排放為特征的交通運(yùn)輸體系，發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通，改進(jìn)隧道照明，使隧道照明節(jié)約化、智能化是一種趨勢(shì)。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗政策，促進(jìn)低碳環(huán)保的“兩型”高速公路建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高速公路建設(shè)、管理效益的最大化，目前，全國(guó)部分高速公路隧道已采用了LED隧道照明燈具，并通過(guò)調(diào)光智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“安全行車(chē)與高效節(jié)能的完美結(jié)合”，以解決節(jié)能環(huán)保與安全行車(chē)的矛盾。本文通過(guò)實(shí)際案例對(duì)高速公路隧道照明調(diào)光技術(shù)作一淺探。

一、隧道照明系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，作為光源，LED以其節(jié)能、環(huán)保和壽命長(zhǎng)的的特點(diǎn)，在高速公路隧道照明領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，除在隧道入口段和出口段的加強(qiáng)照明采用高壓鈉燈外，基本段的照明大量采用了LED燈具。LED不依靠燈絲發(fā)熱來(lái)發(fā)光，能量轉(zhuǎn)換效率非常高，因此，研究如何在基于交通流量、行車(chē)速度、可視度、駕駛員視覺(jué)特性的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈具合理的智能照明無(wú)級(jí)控制，達(dá)到提高隧道照明質(zhì)量，降低能耗與隧道運(yùn)營(yíng)成本，營(yíng)造安全舒適的隧道行車(chē)環(huán)境，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但在隧道照明的節(jié)能方面，所采取的主要措施是采用高功率因數(shù)的照明燈具(配高效電子鎮(zhèn)流器)、隧道內(nèi)兩側(cè)鋪反射率高的裝修材料、集中調(diào)光控制、應(yīng)用節(jié)能光源、采用合理的布燈方式、照明系統(tǒng)的手動(dòng)控制、時(shí)序控制和自動(dòng)控制等方法，還存在以下需要改進(jìn)的地方：

1、目前大部分高速公路隧道照明采用分時(shí)段控制法，雖然控制簡(jiǎn)單、可靠，考慮了環(huán)境因素對(duì)隧道照明的影響，但未考慮不同交通量、車(chē)速對(duì)照度的要求，因而造成不必要的浪費(fèi)。

2、控制方式智能化水平低，能夠?qū)崿F(xiàn)照明自動(dòng)控制的非常有限，通常因線路布線回路的限制，只能做到2、3 級(jí)人工或自動(dòng)控制，對(duì)于天氣、車(chē)速、車(chē)流量等時(shí)變參數(shù)無(wú)法從宏觀上對(duì)整個(gè)隧道的照明進(jìn)行自適應(yīng)方式調(diào)制。

3、未定量研究安全和節(jié)能之間的矛盾，隧道照明最突出的矛盾就是安全和節(jié)能之間的矛盾，所有的節(jié)能措施都必須在保證隧道運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)上實(shí)施。

4、未定量考慮隧道照明的全壽命周期成本，目前，在對(duì)隧道照明方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算時(shí)，大多數(shù)只關(guān)注初期的投入，而忽視了后期的運(yùn)營(yíng)電費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用。

目前正在建設(shè)和已運(yùn)營(yíng)的高速公路隧道照明還是存在著電能的浪費(fèi)現(xiàn)象，照明系統(tǒng)效率低，以及營(yíng)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的與行車(chē)安全和隧道監(jiān)控之間的矛盾等問(wèn)題，不能適應(yīng)當(dāng)今節(jié)能型社會(huì)的發(fā)展需求。

二、常用的隧道照明控制方式

隧道照明分白天、夜晚。調(diào)光控制分晴天、云天、陰天、重陰天、深夜，其控制在變配電間內(nèi)根據(jù)室外亮度傳感器信號(hào)按回路由PLC控制開(kāi)啟。

該種控制模式由于是直接輸出電平信號(hào)，通過(guò)程序簡(jiǎn)單判斷，達(dá)到閾值即進(jìn)行控制。存在的問(wèn)題是面對(duì)復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)變能力較差，不能做到隨機(jī)應(yīng)變，有可能還會(huì)因?yàn)轭l繁開(kāi)關(guān)而造成線路及設(shè)備的損壞，多數(shù)情況下，會(huì)通過(guò)人工來(lái)控制，增加了人力成本。效果上由于是按回路開(kāi)關(guān)控制，直接反應(yīng)在路面上就是光柵效應(yīng)，如果駕駛員長(zhǎng)期在這種環(huán)境下駕車(chē)，容易引發(fā)身體不適，造成交通事故。

從照明設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，在隧道照明設(shè)計(jì)初始計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)院一般都會(huì)考慮燈具的光衰與維護(hù)系數(shù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，隧道在初始投入時(shí)，洞內(nèi)的照度實(shí)際上是超過(guò)設(shè)計(jì)要求的，如此一來(lái)，在燈具光衰至設(shè)計(jì)照度的這段時(shí)間內(nèi)，其中的電能、光能都是浪費(fèi)的，而且洞內(nèi)照度會(huì)越來(lái)越低，因此，基于LED隧道照明的無(wú)級(jí)調(diào)光控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1、LED調(diào)光的主要控制方式

（1）電壓控制電流源（VCCS）亮度控制方式

該方式為模擬信號(hào)控制電流平均值模式，就是利用直流信號(hào)電壓來(lái)控制輸出電流平均值變化的一種輸出電流可控電源（如下圖所示）。它直接將電流信號(hào)取樣后經(jīng)隔離放大控制電源初級(jí)開(kāi)關(guān)管的占空系數(shù)，隔離變壓器將不同占空系數(shù)的電能隔離后轉(zhuǎn)換為直流脈沖電流，經(jīng)低通濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為大小隨控制信號(hào)變化的直流電流，從而控制電源的輸出電流。

（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）亮度控制方式（PWM模式）

PWM模式的LED亮度控制方式是利用直流穩(wěn)壓電源先輸出恒定電壓，然后經(jīng)過(guò)限流電阻或電感限流后，再通過(guò)PWM方式控制晶體管在單位周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制流過(guò)LED的電流，從而達(dá)到控制LED亮度的目的。與前一種相比，電源效率較低。

（3）采用電阻和晶體管限流亮度控制方式（限流模式）

采用限流模式的LED亮度控制方式是利用直流穩(wěn)壓電源先輸出恒定電壓，然后經(jīng)過(guò)限流電阻限流后，再通過(guò)工作于放大區(qū)的晶體管來(lái)控制流過(guò)LED的電流，從而達(dá)到控制LED亮度的目的。這一亮度控制方式電源能耗損失較大，多用于對(duì)能耗要求不高的燈飾亮化場(chǎng)所，且更多地用于小功率LED的亮度控制。

因此，采用DC 0～5V模擬電壓信號(hào)傳輸?shù)哪M信號(hào)控制電流平均值模式的亮度控制方式優(yōu)于其它亮度控制方式。模擬信號(hào)控制電流平均值模式的亮度控制方式是LED隧道照明的理想控制模式。

三、隧道照明智能調(diào)光控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

隧道照明智能調(diào)光控制系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)服務(wù)器、控制端及隧道中的自動(dòng)控制模塊、各種信號(hào)傳感設(shè)備等組成，其工作原理如下：

數(shù)據(jù)采集層的車(chē)輛檢測(cè)器、洞內(nèi)外光照度傳感器、CO/VI檢測(cè)器（可選）、風(fēng)向風(fēng)速檢測(cè)器（可選）準(zhǔn)確地探測(cè)洞內(nèi)和洞外的光照度及洞內(nèi)的其它環(huán)境參數(shù)，并輸出到數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)處理層將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)分析處理，并將各種數(shù)據(jù)上傳到機(jī)房控制端服務(wù)器，控制端服務(wù)器通過(guò)設(shè)定的程序及控制人員的命令，輸出正確的控制信號(hào)到各個(gè)設(shè)備端，完成對(duì)各照明設(shè)備的自動(dòng)控制。

系統(tǒng)在正常情況下分自動(dòng)、手動(dòng)控制，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在應(yīng)急情況下會(huì)跳過(guò)控制系統(tǒng)直接讓照明燈具全亮，保證隧道行車(chē)安全。

隧道照明智能調(diào)光控制系統(tǒng)圖

調(diào)光控制的前提是必須滿足《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)隧道照度的要求。在本工程照明系統(tǒng)優(yōu)化方案中，基本照明燈具采用無(wú)級(jí)調(diào)光LED燈具，配合采用智能控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光控制，現(xiàn)說(shuō)明如下：

基本段照明按設(shè)定照度工作?？刂破鹘邮哲?chē)輛檢測(cè)器信號(hào)，得到車(chē)輛檢測(cè)器提供的車(chē)流量等數(shù)據(jù)。控制器在設(shè)定的采集車(chē)檢器信號(hào)時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，控制器輸出燈具調(diào)光10%的信號(hào)，全段燈具以最低功耗工作，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；控制器在設(shè)定的采集車(chē)檢器信號(hào)時(shí)間段內(nèi)（或歷史數(shù)據(jù)）有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，但流量很小，控制器輸出較低的燈具調(diào)光信號(hào)，約30%--50%（不小于2cd/㎡）；控制器在設(shè)定的采集車(chē)檢器信號(hào)時(shí)間段內(nèi)（或歷史數(shù)據(jù)）有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，流量較小，則控制器輸出較高的燈具調(diào)光信號(hào)，約50%--70%（3 cd/㎡）；當(dāng)達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)或超過(guò)車(chē)流量時(shí)，控制器輸出較高的燈具調(diào)光信號(hào)，約70%--90%(4cd/㎡)。具體的參數(shù)設(shè)定可由運(yùn)營(yíng)情況手動(dòng)更改而定。

進(jìn)入夜間照明模式時(shí)，為避免明洞效應(yīng)，系統(tǒng)將基本段整體功率全部降至15-20%，保證基本照明需求（1cd/㎡）及洞內(nèi)外視覺(jué)亮度差異的最低值。

該調(diào)光控制系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制的智能化系統(tǒng)，可以做到無(wú)人值守，按需照明，并且在兼容性、安全性上都做了相應(yīng)的考慮，是一套完整的自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)。

四、結(jié)語(yǔ)

采用優(yōu)化后的隧道照明調(diào)光控制方案后，延長(zhǎng)了燈具壽命，節(jié)約了電費(fèi)，減少了管理人員的工作負(fù)荷，達(dá)到了降低運(yùn)營(yíng)成本的目的，希望對(duì)其它高速公路隧道機(jī)電工程有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026.1-1999）

《公路隧道LED燈照明系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)光控制技術(shù)研究》