高速公路隧道LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)分析

鄭震

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的公路事業(yè)也有了巨大的發(fā)展，高速公路隧道的數(shù)量越來越多。目前，我國(guó)的高度公路隧道一般都使用LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行照明，大大節(jié)省了隧道照明成本，降低了電力運(yùn)營(yíng)消耗，同時(shí)還有效地提高了公路隧道的安全性。文章從LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)其在高速公路隧道中的應(yīng)用進(jìn)行探析，以期為同行產(chǎn)生一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：高速公路；隧道；LED照明；智能調(diào)光系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U459.2；TP273+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）21-0159-02

目前，對(duì)于高速公路運(yùn)營(yíng)單位來說，公路隧道照明費(fèi)用是一項(xiàng)巨大的開支，如何有效地降低照明成本、保障行車安全是目前高速公路運(yùn)行部門亟待解決的一個(gè)難題。

目前公路隧道照明系統(tǒng)使用最為廣泛的燈具就是高壓鈉燈，這種燈具啟動(dòng)慢、智能性差、能耗大[1]。相對(duì)來說，作為新型照明光源的LED隧道燈則具有啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)、能耗低、無汞污染、光指向性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，對(duì)于高速公路隧道照明來說使用采用LED照明是大勢(shì)所趨。但是由于LED燈使用的時(shí)間較短，LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)尚有待完善，因此，對(duì)高速公路隧道中LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行研究也自然成為一項(xiàng)重大的課題。

1 LED智能調(diào)光系統(tǒng)概述

1.1 LED智能調(diào)光系統(tǒng)的構(gòu)成

LED智能調(diào)光控制系統(tǒng)由4部分組成，其一是亮度檢測(cè)器，其二是控制系統(tǒng)，其三是燈具控制器，其四是照明燈具，如圖1所示[3]。其中，控制系統(tǒng)由兩部分組成，分別是調(diào)光控制器和主控制器。在整個(gè)系統(tǒng)中，上位機(jī)的指令通過光纖傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)指令控制照明燈具。燈具控制器提供功率電源給控制系統(tǒng)和照明燈具，同時(shí)燈具控制器執(zhí)行調(diào)光控制器發(fā)出的指令，對(duì)燈具進(jìn)行通斷控制和調(diào)光控制，從而提供照明光源給隧道。

1.2 LED智能調(diào)光系統(tǒng)的功能優(yōu)點(diǎn)

第一，自適應(yīng)性。系統(tǒng)能夠和洞外的亮度產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，能夠以洞外亮度和入口段的亮度為依據(jù)折減系數(shù)，建立洞內(nèi)亮度的需求曲線，并以此為依據(jù)控制燈具的動(dòng)態(tài)調(diào)光，從而實(shí)現(xiàn)洞外與洞內(nèi)亮度的自適應(yīng)。

第二，高效節(jié)能。LED系統(tǒng)能“按需照明”，從而在最大程度上節(jié)約電能，使得其節(jié)能效果更為顯著。

第三，安全、舒適。LED系統(tǒng)能夠通過洞外亮度檢測(cè)器對(duì)燈具的亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而使得隧道內(nèi)的均勻度得到最大限度地提升，提升行車環(huán)境的舒適性，保障駕駛?cè)藛T的安全。

第四，燈具使用壽命長(zhǎng)。LED系統(tǒng)使用的控制方式是亮度漸變式，達(dá)到目標(biāo)亮度的過程較為緩慢，能夠避免瞬時(shí)開燈引發(fā)的沖擊電流損壞LED燈具的驅(qū)動(dòng)電路和其它的電子設(shè)備。并且LED燈的運(yùn)行狀態(tài)多為低功率運(yùn)行，光衰能夠大大降低，燈具壽命能得以有效延長(zhǎng)。

2 LED智能調(diào)光系統(tǒng)在高速公路中的應(yīng)用

2.1 工程概況

廣清高速公路擴(kuò)建后新隧道在照明消耗方面有70%的能耗都被浪費(fèi)在過渡照明方面，因此，要實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能必須從減少過渡照明開始。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須保證燈具的功率能“按需調(diào)節(jié)”，但是那種通過減小燈具功率來控制過度照明的方法是不科學(xué)的。因此，對(duì)照明強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整的方法就只能通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)。方法一，使用多回路系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)調(diào)光。一般情況下，分級(jí)調(diào)光的級(jí)別最多為6級(jí)，其中晚上2級(jí)，白天4級(jí)，但是這種分級(jí)照明的方法又存在過度照明的問題[4]。方法二，使用無極調(diào)光。也就是在LED光源的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要對(duì)光源進(jìn)行任意的調(diào)整，同時(shí)規(guī)避過度照明，從而實(shí)現(xiàn)減少照明能耗的目的。該高速公路擴(kuò)建后新隧道為了減少能耗，使用LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)對(duì)隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行了改造，取得了很好的效果。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該高速公路隧道的LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)的實(shí)施方案，如圖2所示。首先，隧道外面的亮度檢測(cè)裝置會(huì)對(duì)洞外的亮度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并會(huì)將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳送到控制裝置上，經(jīng)過換算后輸出直流模擬信號(hào)（功率為0～5 V）對(duì)LED燈的輸出功率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)按需照明的目的。

2.3 控制方式分析

第一，基本照明控制。高速公路隧道中的基本照明具有工作時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，在對(duì)基本照明亮度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)其冗余量進(jìn)行充分考慮。在使用的時(shí)候，不需要將設(shè)計(jì)的冗余量全都用上，只需要按照需要的功率進(jìn)行提供即可。在未來的時(shí)候中，如果燈具出現(xiàn)光衰問題，就可以通過控制系統(tǒng)對(duì)其輸出功率進(jìn)行增加，保證隧道內(nèi)的照明強(qiáng)度始終滿足照明需求。

第二，加強(qiáng)照明控制。該高速公路隧道中的照明燈具開啟和關(guān)閉的時(shí)間以及開啟之后的亮度調(diào)節(jié)都通過控制裝置實(shí)現(xiàn)控制。控制裝置根據(jù)獲得的洞外的亮度數(shù)據(jù)，對(duì)洞內(nèi)燈具輸出的功率進(jìn)行計(jì)算，通過這種方法有效的達(dá)到了按需照明的目的，有效地節(jié)約了照明成本。

第三，應(yīng)急照明控制。高速公路隧道中的應(yīng)急照明設(shè)備由EPS進(jìn)行電源供給。當(dāng)斷電時(shí)，控制裝置會(huì)在瞬間對(duì)基本照明設(shè)備的功率進(jìn)行調(diào)整，將其控制在正常值的15%左右，從而保證應(yīng)急照明系統(tǒng)的配光特性與之前基本相同，以避免交通事故的發(fā)生。

3 LED智能調(diào)光系統(tǒng)在高速公路中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

3.1 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

該高速公路隧道采用LED智能調(diào)光系統(tǒng)之后，其節(jié)能優(yōu)勢(shì)自不必說，其由節(jié)能帶來的其他優(yōu)勢(shì)也頗多，具體分析如下：

第一，通過LED智能調(diào)光系統(tǒng)，高速公路隧道能夠?qū)崿F(xiàn)亮度無級(jí)控制，相較于分級(jí)控制來說，能夠節(jié)約40%的能源；相較于鈉燈照明來說，能夠節(jié)約70%～90%的能源[5]。

第二，自從該隧道使用了LED智能調(diào)光系統(tǒng)之后，只有在夏天的中午，加強(qiáng)照明燈具才能達(dá)到滿功率工作狀態(tài)，大多數(shù)情況下，加強(qiáng)照明燈具的工作功率都在10%和60%之間[6]。此外，基本照明設(shè)計(jì)中的冗余量設(shè)計(jì)也只有在遠(yuǎn)期才能夠用到，近期的工作功率相較于燈具的額定功率來說較低，使得電源和燈具的長(zhǎng)期工作功率較低，可促使LED的光衰減少，延長(zhǎng)電源和LED的使用壽命。

第三，使用LED智能調(diào)光系統(tǒng)之后，公路隧道中的燈具下半夜的功率能夠減半，能保證燈具的配光特性基本相同，能有效避開單側(cè)關(guān)燈所帶來的安全問題。

第四，LED智能調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，只有兩個(gè)回路，一個(gè)加強(qiáng)照明回路，一個(gè)基本照明回路，其中基本照明回路還具有應(yīng)急照明功能。

第五，使用LED智能調(diào)光系統(tǒng)之后，如果隧道中的車流量沒有達(dá)到設(shè)計(jì)值，可根據(jù)相關(guān)規(guī)范折減洞內(nèi)的照明強(qiáng)度，從而避免過度照明情況的出現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3.2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

從該高速公路中選擇一段長(zhǎng)2 km的隧道，對(duì)LED智能調(diào)光系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和鈉燈分級(jí)調(diào)光系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比。該隧道的設(shè)計(jì)車速為80 km/h，設(shè)計(jì)車流量為700輛/h，路面寬度為10 km。兩種照明方式運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比，如圖3所示。其中投資費(fèi)用包括電纜費(fèi)用、燈具費(fèi)用和電氣設(shè)備費(fèi)用，其中電氣設(shè)備費(fèi)用包括變電站、配電箱、應(yīng)急電源和等級(jí)等電器。假設(shè)該地區(qū)一年中有165天是晴天，100天是多云的天氣，50天是陰天，50天重陰天。電費(fèi)為1元/kWh。

由上圖可見，LED照明系統(tǒng)所產(chǎn)生的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈉燈分級(jí)調(diào)光系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)效益顯著（每年可節(jié)約40萬元）。

4 結(jié) 語

在高速公路高額的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用中，照明費(fèi)用占據(jù)著很大的比重。LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)的出現(xiàn)為照明費(fèi)用的節(jié)省提供一個(gè)新的路徑。通過分析隧道照明及其控制方案可以看出，設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)的LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)，不僅能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還能有效地保障保障行車安全，降低工程成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

參考文獻(xiàn)：

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