公路隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭　軍　簡(jiǎn)　婧

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

公路隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭軍簡(jiǎn)婧

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要為更有效地設(shè)計(jì)隧道照明，針對(duì)隧道LED照明模擬設(shè)計(jì)欠缺的現(xiàn)狀，基于Zigbee無(wú)線通信研發(fā)了隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)，提出并設(shè)計(jì)了車(chē)載照度采集裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)亮度的連續(xù)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)分析表明：車(chē)載照度采集裝置誤差在-5.69%～3.06%之間，隧道模型設(shè)計(jì)亮度誤差在-4.49%～5.57%之間，具有較高的可靠性。最后，研究成果已應(yīng)用到隧道照明改造的模擬設(shè)計(jì)中，改造后節(jié)能百分比達(dá)53.6%。

關(guān)鍵詞隧道照明 LED模擬控制Zigbee無(wú)線通信

目前，我國(guó)大多高速公路隧道仍然采用高壓鈉燈照明，而高壓鈉燈顯色指數(shù)低，壽命短，用電量大，不能進(jìn)行按需照明，造成了大量的能源浪費(fèi)與經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。如何在隧道照明施工前對(duì)隧道照明進(jìn)行有效的模擬設(shè)計(jì)，在保證隧道安全照明亮度的情況下節(jié)約電能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道照明模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與節(jié)能開(kāi)展了深入研究。D.Gacio[3]設(shè)計(jì)了隧道LED模擬照明智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)各照明段亮度的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。潘海龍等[4]為緩解駕駛者在穿越隧道時(shí)的眩光效應(yīng)和節(jié)約電能，設(shè)計(jì)了大功率LED隧道照明控制系統(tǒng)，手動(dòng)控制時(shí)系統(tǒng)的調(diào)光范圍在0%～100%之間。崔豐曦[5]以無(wú)極燈為照明燈具開(kāi)發(fā)了隧道照明控制模型，可實(shí)時(shí)檢測(cè)隧道模型各照明段的亮度，并分時(shí)段控制隧道內(nèi)亮度，節(jié)能效果較好。Leitao等[6]在獲得隧道模型各照明段燈具分布的基礎(chǔ)上，自動(dòng)控制隧道模型中不同位置燈具的發(fā)光強(qiáng)度，達(dá)到最優(yōu)照明效果。

目前國(guó)內(nèi)外的模擬照明控制系統(tǒng)僅對(duì)隧道模型與照明調(diào)光控制進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，而亮度檢測(cè)仍局限于單照明段的檢測(cè)，未實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)亮度的連續(xù)與任意點(diǎn)檢測(cè)，不能有效地對(duì)隧道照明進(jìn)行無(wú)極調(diào)光控制。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者基于《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[7]與Zigbee無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)展隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)隧道模型連續(xù)點(diǎn)亮度的檢測(cè)與隧道照明的自動(dòng)控制，為隧道LED照明的模擬設(shè)計(jì)提供支持。

1隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)原理

在隧道LED照明控制中，通過(guò)實(shí)時(shí)輸入隧道外亮度、隧道內(nèi)車(chē)流量與車(chē)速等數(shù)據(jù)模擬隧道中實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用隧道LED照明智能調(diào)光算法分析，在滿(mǎn)足《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》需求亮度時(shí)，計(jì)算得到各照明段的調(diào)光數(shù)據(jù)，并將其傳送到隧道LED調(diào)光控制器，調(diào)光控制器將調(diào)光信息分配到各照明段LED驅(qū)動(dòng)單元調(diào)節(jié)燈具的亮度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道照明的自動(dòng)控制。圖1為隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)原理。

圖1　隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)原理

2隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)

隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)包括隧道實(shí)驗(yàn)環(huán)境模型、隧道硬件控制系統(tǒng)與隧道LED照明智能管理系統(tǒng)3大功能模塊，其中硬件控制系統(tǒng)包括車(chē)載照度采集裝置與LED調(diào)光控制系統(tǒng)2部分。根據(jù)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為應(yīng)用管理層、無(wú)線通信層與物理層。如圖2為隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)。

圖2　隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1隧道實(shí)驗(yàn)環(huán)境模型

在隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，為使隧道模型更適合模擬比選各照明方案，基于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]的規(guī)定，等比例20倍縮小隧道尺寸，得到隧道模型的設(shè)計(jì)尺寸如表1，隧道模型中燈具的安裝高度為28cm。

表1　隧道模型尺寸

在《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》中，隧道分入口段、過(guò)渡段、中間段與出口段照明，入口段包括入口段1與入口段2照明，過(guò)渡段包括過(guò)渡段1、過(guò)渡段2與過(guò)渡段3照明，出口包括出口段1與出口段2照明。在照明設(shè)計(jì)中，由于過(guò)渡段3亮度比中間段亮度低，不利于隧道照明安全，此處去掉《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》中過(guò)渡段3照明。為了使隧道模型的適用性更廣，此處設(shè)計(jì)車(chē)速為100 km/h，車(chē)流量為1 200 veh/(h·ln)，洞外亮度為4 000 cd/m2。計(jì)算得到隧道模型基本參數(shù)見(jiàn)表2，搭建的隧道實(shí)驗(yàn)環(huán)境模型見(jiàn)圖3。

圖3　隧道實(shí)驗(yàn)環(huán)境模型

2.2隧道硬件系統(tǒng)

2.2.1車(chē)載照度采集裝置

隧道亮度采集是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)部分，是數(shù)據(jù)的集中體現(xiàn)。由于隧道模型較小，人工無(wú)法進(jìn)入測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道模型亮度的連續(xù)與任意點(diǎn)測(cè)量，選用GY-30傳感器用于照度采集，低功耗、高速的ATmega16L芯片作為核心主控單元[9]，DRF1605單元為Zigbee無(wú)線通信媒介，設(shè)計(jì)了車(chē)載照度采集裝置。為確保照明控制的實(shí)時(shí)性，車(chē)載照度采集裝置以5s為一個(gè)周期采集亮度數(shù)據(jù)，定時(shí)向隧道LED照明管理系統(tǒng)上傳亮度數(shù)據(jù)，確保隧道照明控制的實(shí)時(shí)性。圖4為安裝在遙控小車(chē)上的車(chē)載照度采集裝置。

圖4　車(chē)載照度采集裝置

2.2.2LED調(diào)光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了對(duì)隧道各照明段進(jìn)行調(diào)光控制，設(shè)計(jì)了隧道LED照明調(diào)光控制系統(tǒng)。由于隧道分7個(gè)照明段，需同時(shí)輸出7路占空比信號(hào)調(diào)節(jié)燈具亮度，此處選用ATmega128芯片作為調(diào)光控制的核心，同時(shí)輸出調(diào)光所需的7路占空比信號(hào)；LEDDRIVE-SW12模塊為L(zhǎng)ED燈具的驅(qū)動(dòng)單元，DRF1605為Zigbee無(wú)線通信媒介，研發(fā)了隧道LED照明模擬調(diào)光控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，ATmega128控制器通過(guò)Zigbee無(wú)線接收管理系統(tǒng)發(fā)送的隧道調(diào)光指令，將其轉(zhuǎn)變?yōu)檎伎毡日{(diào)光信號(hào)輸入LED驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)各照明段亮度的實(shí)時(shí)控制。圖5為調(diào)光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。

圖5　LED調(diào)光控制設(shè)計(jì)原理

2.3隧道LED照明智能管理系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道照明的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，基于C#.NET開(kāi)發(fā)了隧道LED照明智能管理系統(tǒng)，并對(duì)隧道設(shè)定了智能控制、手動(dòng)控制與應(yīng)急控制3種管理模式。圖6為隧道LED照明智能管理系統(tǒng)的運(yùn)行界面。

圖6　隧道LED照明智能管理系統(tǒng)運(yùn)行界面

在不同模式下，管理系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的隧道外亮度、隧道內(nèi)車(chē)流量與車(chē)速數(shù)據(jù)計(jì)算隧道各照明段所需的調(diào)光占空比變量，通過(guò)無(wú)線通信將調(diào)光信號(hào)發(fā)送到LED調(diào)光控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道模型中各照明段亮度的控制。管理系統(tǒng)還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道各照明的亮度情況，對(duì)緊急情況報(bào)警。

3隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)誤差分析

3.1車(chē)載照度采集裝置誤差分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的車(chē)載照度采集裝置能否準(zhǔn)確檢測(cè)隧道內(nèi)亮度，將同一亮度水平線上車(chē)載照度采集裝置與照度計(jì)采集到的值進(jìn)行對(duì)比，分析車(chē)載照度采集裝置的誤差。將采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用MATLAB[10]繪圖進(jìn)行分析，圖7為車(chē)載照度采集裝置與照度計(jì)在隧道模型內(nèi)同一亮度點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)對(duì)比曲線。分析可知，車(chē)載照度采集裝置與照度計(jì)測(cè)量的值相差較小，其相對(duì)誤差穩(wěn)定在-5.69%～3.06%之間，滿(mǎn)足測(cè)量隧道模型內(nèi)亮度的誤差要求。

圖7　車(chē)載照度采集裝置與照度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

3.2隧道模型設(shè)計(jì)亮度誤差分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的隧道模型亮度誤差能否滿(mǎn)足隧道LED照明模擬設(shè)計(jì)的需求，應(yīng)用LED調(diào)光控制系統(tǒng)控制接收管理系統(tǒng)發(fā)送的06:00～18:00調(diào)光占空比信息，并輸出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的調(diào)光數(shù)據(jù)至LED驅(qū)動(dòng)單元。通過(guò)車(chē)載照度采集裝置采集照度值并將其轉(zhuǎn)換為亮度值，與理論計(jì)算值對(duì)比。圖8為隧道模型亮度測(cè)試的設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線，分析可知，隧道模型設(shè)計(jì)亮度值與實(shí)測(cè)值誤差較小，其相對(duì)誤差穩(wěn)定在-4.49%～5.57%之間。

圖8　隧道模型亮度設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線

4隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)應(yīng)用

目前，系統(tǒng)已在河南高速邵原隧道的照明系統(tǒng)改造項(xiàng)目中得到應(yīng)用。邵原隧道長(zhǎng)520m，原設(shè)計(jì)使用高壓鈉燈照明，入口段設(shè)計(jì)亮度Lth=140cd/m2，過(guò)渡段1亮度Ltr1=42cd/m2，過(guò)渡段2亮度Ltr2=14cd/m2，基本段亮度Lin=4.5cd/m2，出口段亮度LE=22.5 cd/m2。

改造后隧道的入口段1亮度Lth1=140cd/m2，入口段2亮度Lth2=70cd/m2，過(guò)渡段1亮度Ltr1亮度=21cd/m2，過(guò)渡段2亮度Ltr2=7cd/m2，基本段亮度Lin=4.5cd/m2，出口段1亮度Lex1=13.5cd/m2,出口段2亮度Lex2=22.5cd/m2。

通過(guò)使用隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)對(duì)改造隧道進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)分析，項(xiàng)目改造后用電量明顯降低，節(jié)能百分比達(dá)到53.6%，具有良好的節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，基于《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》的需求研發(fā)了隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)。創(chuàng)新性地提出并設(shè)計(jì)了車(chē)載照度采集裝置，彌補(bǔ)了連續(xù)檢測(cè)隧道內(nèi)亮度欠缺的現(xiàn)狀；并設(shè)計(jì)了隧道實(shí)驗(yàn)環(huán)境模型、隧道LED調(diào)光控制系統(tǒng)與隧道LED照明管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道照明的自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)分析了隧道模型設(shè)計(jì)亮度與車(chē)載照度采集裝置的誤差，其中車(chē)載照度采集裝置誤差穩(wěn)定在-5.69%～3.06%之間，隧道模型亮度設(shè)計(jì)誤差穩(wěn)定在-4.49%～5.57%之間。通過(guò)隧道改造項(xiàng)目的模擬設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了研究成果可應(yīng)用到隧道照明設(shè)計(jì)的模擬設(shè)計(jì)與節(jié)能方案設(shè)計(jì)中。

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收稿日期：2014-09-30

LEDLightingSimulationControlSystemDesignofHighwayTunnel

Zheng Jun, Jian Jing

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：In order to effectively design the tunnel lighting, and compensate the situation of lacking tunnel LED lighting simulation design system, the LED simulation control system of tunnel lighting is studied and developed based on Zigbee wireless communication technology, and the device for collecting illumination in vehicle is proposed and designed to collect luminance successive inside tunnel. The experimental results shows that the error of device for collecting illumination in vehicle is within-5.69%～3.06% and the error of design luminance of tunnel model is within -4.49%～5.57%, and it has a high reliability. Finally, the research results has been applied in simulation design of tunnel lighting reconstruction, and the energy saving percentage reached 53.6% after reconstructing.

Key words:tunnel lighting; LED; simulation control; zigbee wireless communication

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.042