隧道照明智能調(diào)光系統(tǒng)的研究

摘 要：隨著公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，隧道里程不斷增加，而浙江又是公路隧道數(shù)量最多的省份之一，隧道運(yùn)營(yíng)的成本問題也顯得越來越突出。隧道照明能源占運(yùn)營(yíng)能耗的50%以上，據(jù)統(tǒng)計(jì)和推算，隧道照明能耗有70%左右浪費(fèi)在“過度照明”上。隨著LED等可調(diào)光節(jié)能燈具的大規(guī)模應(yīng)用，利用照明節(jié)能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)提高行車安全為前提的“按需照明”成為可能。采用節(jié)能技術(shù)減少無效耗能，實(shí)現(xiàn)“按需照明”已成為迫切需求。

關(guān)鍵詞：隧道照明；節(jié)能控制技術(shù)；按需照明

隨著《浙江省創(chuàng)建綠色交通省實(shí)施方案》（簡(jiǎn)稱《方案》）的出臺(tái)，我省全面開啟“綠色交通省”建設(shè)，要求我省交通能源單耗和碳排放強(qiáng)度明顯下降。隧道照明能源占運(yùn)營(yíng)能耗的50%以上，據(jù)統(tǒng)計(jì)和推算，隧道照明能耗有70%左右浪費(fèi)在“過度照明”上。采用節(jié)能技術(shù)減少無效耗能，實(shí)現(xiàn)“按需照明”已成為迫切需求。本項(xiàng)目通過研究隧道照明智能調(diào)光系統(tǒng)，在提升隧道行車安全的同時(shí)實(shí)現(xiàn)“按需照明”，具有廣泛的推廣價(jià)值，同時(shí)項(xiàng)目試點(diǎn)實(shí)施成功，將具有極強(qiáng)的示范性和可操作性，為隧道照明安全節(jié)能改造及新建隧道機(jī)電設(shè)計(jì)提供參考案例，從而有效推動(dòng)隧道營(yíng)運(yùn)安全與智慧節(jié)能發(fā)展。

1 隧道照明節(jié)能管理的現(xiàn)狀與對(duì)策

目前，節(jié)能管理的現(xiàn)狀是普遍由專人負(fù)責(zé)照明管理，根據(jù)不同時(shí)段和環(huán)境，主觀決定燈具開關(guān)數(shù)量和方式。這種控制系統(tǒng)通過亮度檢測(cè)器檢測(cè)洞外實(shí)際亮度，操縱燈具開關(guān)，能對(duì)燈具工作狀態(tài)進(jìn)行有效管理，使隧道照明滿足《公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，為駕駛員提供良好的視覺環(huán)境，在合理范圍內(nèi)關(guān)閉不必要照明燈具，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，通過增加或減少照明回路達(dá)到節(jié)能的目的。然后，這種控制方式極易產(chǎn)生過度照明或照明亮度不足等不合理現(xiàn)象，操作人員在監(jiān)控中心無法實(shí)時(shí)掌握各個(gè)管轄隧道的交通量、天氣環(huán)境、隧道內(nèi)外亮度、平均車速等信息，憑經(jīng)驗(yàn)按回路開關(guān)燈具，為了隧道內(nèi)亮度達(dá)標(biāo)，往往多開燈具，造成了能源浪費(fèi)。另一方面，由于傳統(tǒng)隧道照明大多采用高壓鈉燈，為了增加隧道內(nèi)亮度分級(jí)，往往采用8回路以上設(shè)計(jì)，電纜重復(fù)敷設(shè)，成本高。

為解決上述管理中出現(xiàn)的問題，通過調(diào)研相關(guān)行業(yè)的智能隧道照明節(jié)能控制經(jīng)驗(yàn)，顧及隧道照明的既有設(shè)計(jì)規(guī)范和原則、施工養(yǎng)護(hù)特點(diǎn)、現(xiàn)有控制手段，在研究對(duì)象隧道常年平均交通量、不同時(shí)段平均交通量和車輛通過的平均速度、不同季節(jié)不同時(shí)間段隧道口外亮度、常年通過的主要車型、隧道內(nèi)異常狀況，利用LED隧道燈可調(diào)光的特有性能，設(shè)計(jì)智能化的隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)，達(dá)到隧道“按需照明”的目的，有效降低交通能源消耗，保護(hù)環(huán)境。

2 項(xiàng)目試點(diǎn)實(shí)施

本項(xiàng)目實(shí)施試點(diǎn)隧道為溫州繞城高速公路北線--江北嶺隧道右線，試點(diǎn)改造內(nèi)容主要是隧道照明智能調(diào)光節(jié)能改造，隧道基本情況詳見表1。

根據(jù)新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01-2014），隧道照明節(jié)能控制器結(jié)合洞外亮度、交通量、設(shè)計(jì)速度、供電電源、天氣條件、光源特性、隧道線型等因素，同時(shí)具備正常和異常交通工況的控制功能，采用智能控制為主、手動(dòng)控制為輔的控制方式。智能控制方式是在自動(dòng)控制方式的基礎(chǔ)上，采用短時(shí)交通流預(yù)測(cè)理論，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)照明設(shè)施動(dòng)態(tài)調(diào)光控制，達(dá)到安全、舒適、高效、節(jié)能的照明效果，體現(xiàn)綠色照明、“按需照明”的理想設(shè)計(jì)目標(biāo)。隧道加強(qiáng)、基本（含應(yīng)急）照明燈具全部采用節(jié)能、環(huán)保、顯色性好的LED燈具，并配備與LED 壽命相適應(yīng)的高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命恒流驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)配備有模擬無級(jí)調(diào)光功能，調(diào)光輸入信號(hào)為0～5V，亮度調(diào)整范圍為0%～100%。隧道內(nèi)照明燈具采用兩側(cè)對(duì)稱布置方式，燈具安裝高度離地面為6.1m。

2.1 外場(chǎng)設(shè)備基礎(chǔ)制作

包括照度儀基礎(chǔ)、微波車檢基礎(chǔ)，通過前期的基坑開挖、置模、地籠預(yù)埋、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)等工序，設(shè)備基礎(chǔ)。

2.2 照明控制系統(tǒng)施工

照明控制系統(tǒng)主要由照明PLC和電力載波設(shè)備組成。照明PLC是系統(tǒng)核心部件，采集實(shí)時(shí)洞外照度信息、車流量信息，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算及模型匹配后，向電力載波主機(jī)輸出調(diào)光指令。電力載波主機(jī)載波分控間通信采用光纖傳輸，減少線路干擾；載波分控與載波模塊間，加入過濾器，用于消除供電電路中的諧波干擾。

隧道照明智能調(diào)光系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備、照明控制主機(jī)和LED調(diào)光控制設(shè)備，照明控制主機(jī)通過控制總線連接地磁車檢器、微波車檢器、雙照度儀等現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備，采集隧道內(nèi)交通量、平均車速、平均車距以及洞外亮度，通過電力載波主機(jī)連接各個(gè)單燈控制器，采集各LED燈具實(shí)時(shí)狀態(tài)，控制亮度輸出，并設(shè)置緊急手動(dòng)控制模式，避免因系統(tǒng)故障導(dǎo)致隧道照明失控。通過在控制柜內(nèi)安裝光纖485傳輸模塊，載波主機(jī)與載波分控建立數(shù)據(jù)連接，實(shí)時(shí)采集分控下端各載波模塊工作狀態(tài)，PLC通過從載波主控讀取數(shù)據(jù)對(duì)隧道內(nèi)各燈具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。最后，通過PLC以太網(wǎng)通信模塊進(jìn)行通訊，以太網(wǎng)網(wǎng)口接入隧道工業(yè)以太自愈環(huán)網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)通過傳送到終端服務(wù)器。以直觀方式查看隧道內(nèi)聲光設(shè)備等運(yùn)行狀態(tài)，并可以發(fā)送指令控制遠(yuǎn)端設(shè)備狀態(tài)。以此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能化監(jiān)控隧道照明系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心部分是隧道節(jié)能控制器中央處理器，設(shè)計(jì)了電源管理模塊、視頻監(jiān)控模塊、紅外傳感模塊、雷達(dá)傳感模塊、回路控制輸出模塊、232接口模塊、通訊模塊、485接口模塊、微波傳感模塊光照傳感模塊，共同組成隧道照明安全高效節(jié)能控制系統(tǒng)架構(gòu)。針對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)，項(xiàng)目組做了詳細(xì)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)方面，采用強(qiáng)電、弱電分離方式，避免了強(qiáng)電對(duì)弱點(diǎn)的干擾。具體隧道照明高效節(jié)能控制器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 項(xiàng)目總結(jié)

試點(diǎn)實(shí)施完成后分別采集了江北嶺隧道雙洞的照明數(shù)據(jù)，其中左洞沒有進(jìn)行LED燈改造，采用高壓鈉燈為光源；左洞則是實(shí)施了智能照明改造，采用LED燈具為光源。對(duì)連續(xù)幾周的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，改造后綜合節(jié)能率達(dá)到65%左右。本次試點(diǎn)改造是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增設(shè)備及管理軟件，試點(diǎn)改造基本滿足實(shí)際應(yīng)用，但仍無法避免一些問題，如系統(tǒng)平臺(tái)有部分功能重疊，銜接不夠緊密，增大了監(jiān)控人員的操作難度；現(xiàn)場(chǎng)施工有一定難度與風(fēng)險(xiǎn)，改造實(shí)施成本較高，作為典型模式推廣有一定難度。建議在后期推廣中著重針對(duì)新建隧道，在設(shè)計(jì)階段作為整體方案統(tǒng)籌考慮。

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