隧道照明智能化系統(tǒng)淺析

姚克炯

（飛利浦燈具（上海）有限公司，上海市 200233）

隧道照明智能化系統(tǒng)淺析

姚克炯

（飛利浦燈具（上海）有限公司，上海市 200233）

隨著照明技術(shù)的日益發(fā)展及對(duì)節(jié)能要求的日趨重視，道路照明中耗能巨大的隧道照明設(shè)計(jì)也發(fā)生了巨大的改變；通過(guò)選用節(jié)能效果明顯的LED燈具替代傳統(tǒng)燈具，并設(shè)置智能照明控制系統(tǒng)對(duì)隧道照明進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，可使隧道照明在不同環(huán)境情況下保證行車安全所需照度的同時(shí)達(dá)到最合理的節(jié)能效果。

LED；智能照明控制系統(tǒng)；照度；節(jié)能

1 隧道照明特點(diǎn)及要求

隨著時(shí)代的發(fā)展，各種各樣的智能化、數(shù)字化設(shè)備越來(lái)越普及，智慧城市等概念越來(lái)越深入人心，人們身邊的一切都發(fā)生著翻天覆地的變化。在照明行業(yè)尤其如此，隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，各種以前無(wú)法想象的照明方式、控制管理方式正顛覆我們的照明世界。作為城市照明的重要組成部分，如今的道路照明也不再僅僅局限于傳統(tǒng)的分回路控制、調(diào)壓控制等照明方式。尤其是在隧道照明中，由于隧道的特殊性，儼然是道路照明中耗能最為巨大的部分，對(duì)節(jié)能有著更高的要求，同時(shí)在不同狀況下對(duì)照度也有著特殊需求，而隧道照明智能化控制因?yàn)槠涓玫恼彰黧w驗(yàn)和更好的節(jié)能效果而備受關(guān)注。

現(xiàn)代的隧道照明設(shè)計(jì)中，通常會(huì)將隧道照明作為道路照明內(nèi)的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，如在隧道內(nèi)設(shè)置普通照明與加強(qiáng)照明，對(duì)加強(qiáng)照明進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)一的開(kāi)關(guān)控制來(lái)調(diào)節(jié)不同的照度需求，但是由于隧道的特殊環(huán)境及特殊要求，這樣的設(shè)置是無(wú)法滿足要求的。我們常見(jiàn)的隧道一般都有著如下幾個(gè)特性。

（1）半/全封閉的結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的隧道均為全封閉型，除隧道出入口外均為封閉段，無(wú)任何自然光，行車所需要的照明幾乎全部依賴于照明燈具；另外有部分隧道為半封閉型，在隧道段有間隔的空間與外界連通，可獲得部分的自然光補(bǔ)充，常見(jiàn)于城市道路的下穿隧道。

（2）燈具數(shù)量大。由于隧道的封閉性，往往需要更多的燈具進(jìn)行照明，以達(dá)到行車安全所需要的照度，尤其是高速公路段的隧道，由于隧道距離較長(zhǎng)，往往需要裝設(shè)大量的照明燈具，也意味著需要消耗巨大的能源。

（3）施工安裝及維護(hù)不易。根據(jù)隧道的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特性，燈具安裝不易；在建成后一旦投入運(yùn)營(yíng)，不易于維護(hù)，檢修成本高。

（4）運(yùn)行要求高。鑒于隧道內(nèi)燈具對(duì)安全行車影響大，且檢修的難度及成本高，因此要求燈具及控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，盡可能減少故障情況發(fā)生。

（5）集中控制要求。國(guó)內(nèi)很多高速隧道位于丘陵及山地區(qū)域，地形復(fù)雜，隧道數(shù)量較多，分開(kāi)運(yùn)營(yíng)成本高且管理不便，因此要求對(duì)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的隧道照明能進(jìn)行集中控制的需求越來(lái)越迫切，在減少運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)提高工作效率。

因此隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮照度的需求，還需要考慮如何設(shè)置控制系統(tǒng)，以便能進(jìn)行集中控制并方便地查詢照明燈具的狀態(tài)，對(duì)燈具的故障進(jìn)行及時(shí)檢修，避免事故的發(fā)生。

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014），長(zhǎng)度大于100 m的隧道必須設(shè)置照明，而一般隧道分為以下幾個(gè)區(qū)段：入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段。

（1）入口段。隧道入口處道路，此部分路段作為連接洞外道路段，對(duì)照度要求較高，以保證車輛駛?cè)胨淼罆r(shí)不產(chǎn)生黑洞效果，避免由于眼睛無(wú)法適應(yīng)突然改變的環(huán)境而發(fā)生意外。

（2）過(guò)渡段。介于入口段與中間段間的部分，此部分路段主要是作用是將照度由入口段的高照度逐漸降低至中間段照度，幫助駕駛員逐漸適應(yīng)隧道內(nèi)的照明環(huán)境，其照度與入口段照度息息相關(guān)，需要根據(jù)入口段照度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證照度的均勻減少至中間段照明。

（3）中間段。隧道內(nèi)主要路段，此部分路段照明為基本照明，且無(wú)自然光及照度適應(yīng)要求，可不對(duì)調(diào)光做具體要求，照度一般根據(jù)車流量、眩光、通風(fēng)等情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）出口段。隧道出口前一段照明，此部分路段照度要求類似入口段，避免車輛出隧道時(shí)出現(xiàn)白洞效果而發(fā)生意外。

2 傳統(tǒng)隧道照明設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的路燈照明項(xiàng)目中，隧道照明燈具一般采用鈉燈等傳統(tǒng)燈具，在隧道內(nèi)根據(jù)照度計(jì)算進(jìn)行燈具布置，在入口段等路段加裝燈具作為加強(qiáng)照明來(lái)滿足更高的照度要求；但是由于采用的是鈉燈等傳統(tǒng)燈具，一般都依靠開(kāi)關(guān)加強(qiáng)照明燈具進(jìn)行調(diào)光，如通過(guò)時(shí)鐘控制、光敏開(kāi)關(guān)或者手動(dòng)控制來(lái)開(kāi)關(guān)加強(qiáng)照明燈具來(lái)調(diào)整照度，即使有些工程采用了調(diào)光控制，但也僅限于有限的幾級(jí)調(diào)光控制，如變功率鎮(zhèn)流器或者整體調(diào)壓；這些調(diào)光控制方式不僅無(wú)法滿足照度的調(diào)整控制要求（入口段等路段照度無(wú)法與外界實(shí)際照度相匹配），而且節(jié)能效果也無(wú)法滿足需求，存在著大量的能源浪費(fèi)。

3 LED燈隧道照明設(shè)計(jì)及智能控制系統(tǒng)

如今隨著LED照明技術(shù)的異軍突起，給照明、調(diào)光、控制等都提供了越來(lái)越多的可能性，相應(yīng)地，隧道照明的控制系統(tǒng)也有了巨大的改變，不再局限于過(guò)去簡(jiǎn)單且低效的控制方式。

采用智能照明控制系統(tǒng)及LED燈具后，不僅可以對(duì)照度進(jìn)行連續(xù)調(diào)光，而且在智能系統(tǒng)中，照明調(diào)節(jié)的輸入條件不再是簡(jiǎn)單的時(shí)間及光敏開(kāi)關(guān)，更多的是通過(guò)光度計(jì)采集洞外照度水平，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞外實(shí)際照度的變化并據(jù)此對(duì)照明燈具進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證隧道內(nèi)照度與室外道路照度的完美連接，滿足了不同天氣情況下、不同道路狀況下的照明要求，不至于在隧道出入口出現(xiàn)黑洞及白洞效果，保證行車安全的同時(shí)合理節(jié)約電能。

3.1 隧道燈具

隨著LED燈具的不斷發(fā)展，雖然仍有許多不足，但對(duì)比傳統(tǒng)燈具，它的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。

（1）壽命長(zhǎng)。LED燈具的理論使用壽命一般在30 000～50 000 h甚至以上。

（2）點(diǎn)亮速度快。LED燈是半導(dǎo)體發(fā)光，通電即亮。

（3）節(jié)能且環(huán)保。相對(duì)于傳統(tǒng)燈具，LED燈節(jié)能效果明顯，能耗僅為白熾燈的1/10、節(jié)能燈的1/4；且光源不含鉛、汞等有害物質(zhì)。

（4）發(fā)光效率高。隨著LED的發(fā)展，現(xiàn)在成熟的大功率LED燈具產(chǎn)品，其發(fā)光效率可達(dá)到110～150 lm/W，絲毫不遜色于傳統(tǒng)燈具。

（5）易調(diào)光、調(diào)色控制。可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)光，調(diào)光范圍可從0%～100%；且色彩豐富，在計(jì)算機(jī)技術(shù)控制下具有256級(jí)灰度且可任意混合。

基于以上LED燈具的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代道路及隧道照明設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多的情況采用了大功率LED燈取代此前廣泛使用的高壓鈉燈等傳統(tǒng)燈具。

3.2 照明智能控制方式

作為隧道照明智能控制系統(tǒng)的另外一個(gè)重要組成部分，各種各樣的控制方式也層出不窮，最常見(jiàn)的調(diào)光控制及信息傳輸方式主要有以下幾種。

3.2.1 PWM調(diào)光控制

PWM控制方案采用專用接口的驅(qū)動(dòng)器，按照占空比調(diào)節(jié)輸出電流達(dá)到調(diào)節(jié)亮度的目的。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于整體造價(jià)低，PWM接口電源驅(qū)動(dòng)價(jià)格相比于其他控制方式的驅(qū)動(dòng)更為經(jīng)濟(jì)，既可做回路調(diào)光也可做單燈調(diào)光，調(diào)光范圍大，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)光；缺點(diǎn)在于PWM調(diào)光方式理論上是沒(méi)有信息反饋功能，要實(shí)現(xiàn)此功能則需要對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，在信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量并反饋，但也僅限于電流、電壓等基本信息；一旦按單燈控制設(shè)計(jì)，區(qū)域控制器數(shù)量需求大，安裝位置受到限制，線路鋪設(shè)工作量大。但是由于其經(jīng)濟(jì)性，仍是國(guó)內(nèi)主流的控制方式之一。

3.2.2 DALI總線

此方案中每個(gè)燈具上的DALI電源有獨(dú)立的地址會(huì)對(duì)發(fā)給自己的命令做出調(diào)光、回傳參數(shù)等響應(yīng)。采用DALI控制方案的優(yōu)點(diǎn)在于DALI協(xié)議成熟可靠并且是公開(kāi)的，一個(gè)DALI控制器理論上可控制不大于64套燈具，有效減少了DALI控制器的數(shù)量，調(diào)光范圍大，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)光。缺點(diǎn)是DALI燈具及控制器價(jià)格相對(duì)于其他控制方式更貴，通信速度較慢；線路鋪設(shè)工作量大。

3.2.3 RS485總線

利用RS485總線進(jìn)行信號(hào)的傳輸，每個(gè)燈具上的電源驅(qū)動(dòng)有獨(dú)立的地址對(duì)發(fā)給自己的命令做出調(diào)光、回傳參數(shù)等動(dòng)作。RS485總線通信技術(shù)已使用30年，有豐富、低價(jià)、成熟可靠、多種性能規(guī)格的接口芯片；單根總線通信距離長(zhǎng)，可達(dá)到1 000 m，并可通過(guò)中繼器延長(zhǎng)距離，最多可達(dá)10 km；總線通信速率較高，一般為9.6～115.2 kbps。但是現(xiàn)階段RS485總線的局限性也是相當(dāng)大的，首先沒(méi)有現(xiàn)成可對(duì)接RS485信號(hào)的燈具，需要重新開(kāi)發(fā)；其次通信協(xié)議中沒(méi)有單獨(dú)用于照明調(diào)光的報(bào)文；最后也有大量的現(xiàn)場(chǎng)總線鋪設(shè)工作。

3.2.4 電力載波（PLC）

利用電力電纜來(lái)傳遞數(shù)字信號(hào)，每個(gè)燈具的電源驅(qū)動(dòng)設(shè)有獨(dú)立的地址，根據(jù)控制模塊的控制命令對(duì)燈具進(jìn)行調(diào)光，并可回傳實(shí)時(shí)燈具各類參數(shù)等。PLC控制方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的鋪設(shè)控制線，可利用現(xiàn)有的電力電纜來(lái)完成對(duì)燈具的調(diào)光，可以降低線路敷設(shè)的工作量及降低工程成本。但同時(shí)，相應(yīng)的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：目前市場(chǎng)上常用的窄帶PLC通信速率較慢；電網(wǎng)噪聲尤其是脈沖噪聲對(duì)PLC干擾很大，因此PLC控制方式對(duì)電網(wǎng)環(huán)境要求較高；由于是利用電力載波進(jìn)行通信，導(dǎo)致PLC不能跨變壓器實(shí)現(xiàn)，因此區(qū)域控制器的數(shù)量增多且限制了應(yīng)用范圍。

由此可見(jiàn)，常見(jiàn)的這幾種控制方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中，為了能更多地利用到上述控制方式的優(yōu)點(diǎn)并減少其缺點(diǎn)的影響，達(dá)到完善隧道的智能照明控制的目的，基于以上幾種控制方式，又衍生出了各種組合控制系統(tǒng)。

3.2.5 DALI燈具系統(tǒng)+RS485總線相結(jié)合

考慮DALI協(xié)議的成熟可靠及公開(kāi)性，能兼容的燈具范圍廣泛，且每套燈具都具有獨(dú)立的地址、調(diào)光、信息反饋，能實(shí)時(shí)查詢燈具狀態(tài)并進(jìn)行精確定位，因此采用DALI接口的燈具作為照明燈具，根據(jù)燈具數(shù)量配備相應(yīng)的DALI控制器對(duì)燈具進(jìn)行控制及信息傳輸；而主通信電纜即隧道智能照明主控器至DALI控制器間的通信電纜則可采用RS485總線進(jìn)行信號(hào)傳輸，降低成本的同時(shí)兼顧信號(hào)的可靠傳輸，如圖1所示。

圖1 DALI燈具系統(tǒng)+RS485總線拓?fù)鋱D

3.2.6 PWM調(diào)光+PLC傳輸

此方案燈具調(diào)光采用PWM控制，燈具采用配有PWM專用接口驅(qū)動(dòng)器的LED燈具，總線信號(hào)傳輸則采用PLC方式；每套燈具或每個(gè)回路配備一套信號(hào)接收轉(zhuǎn)換器（配置方式根據(jù)工程要求來(lái)選擇），用于接受PLC信號(hào)并轉(zhuǎn)換成PWM輸出至燈具。此方案的優(yōu)點(diǎn)則顯而易見(jiàn)，造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)，且PLC可利用原有的電力電纜進(jìn)行傳輸，線路敷設(shè)等工作量也大大減少；缺點(diǎn)則是由于PWM調(diào)光方式理論上是沒(méi)有信息反饋功能，要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能則需要對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換接收器做特別設(shè)計(jì)，而且PLC傳輸是否能有效實(shí)現(xiàn)很大程度取決于照明系統(tǒng)所處的電力環(huán)境?；诖朔桨傅慕?jīng)濟(jì)性及易于實(shí)施性，且很多廠家已開(kāi)發(fā)出用于信息反饋的信號(hào)轉(zhuǎn)換接收器，電力環(huán)境能滿足要求的情況下，此種調(diào)光控制方式成為主流控制方式之一，如圖2所示。

圖2 PWM調(diào)光+PLC傳輸示意圖

3.3 照明智能主控器及其他配件

照明智能主控器是一個(gè)控制系統(tǒng)的心臟部分，起到了收集信息、分析信息、輸出執(zhí)行命令、上傳信息等重要作用。外部測(cè)量器件采集到的信息需要通過(guò)它進(jìn)行處理，然后在根據(jù)預(yù)先設(shè)置的程序輸出控制命令至燈具，控制燈具進(jìn)行調(diào)光來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明系統(tǒng)的智能調(diào)控；同時(shí)主控器還可以通過(guò)有線/無(wú)線的方式將信息上傳至總控室，使主控室控制區(qū)域內(nèi)的多個(gè)隧道連接成網(wǎng)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，減少運(yùn)營(yíng)的工作量及難度，降低人力及物力成本，提高管理效率。

外部測(cè)量器件即輸入設(shè)備也是相當(dāng)重要的組成部分，它們相當(dāng)于一個(gè)控制系統(tǒng)中的感官設(shè)備。如光度計(jì)，用于實(shí)時(shí)測(cè)量并采集洞外照度，采用RS485總線方式與主控器相連，將采集的信息上傳，主控器根據(jù)此測(cè)量值按預(yù)設(shè)的程序針對(duì)隧道外照度情況對(duì)隧道內(nèi)燈具進(jìn)行調(diào)光，達(dá)到最合理的照度，真正做到智能調(diào)光控制，使能源得到最合理的使用，減少無(wú)謂的浪費(fèi)。當(dāng)然，由于隧道照度的調(diào)節(jié)還受其他條件的影響，如車流量、車速、空氣情況等，同樣可以增設(shè)相應(yīng)的信息采集元器件將采集到的信息輸入到控制器內(nèi)，通過(guò)相應(yīng)的程序分析，輸出合理的調(diào)光控制命令，使隧道內(nèi)照明達(dá)到當(dāng)前實(shí)際狀況下最合理的照度。程序流程圖大致如圖3所示。

圖3 智能控制系統(tǒng)程序流程示意圖

一套完整的智能控制系統(tǒng)通過(guò)燈具、控制軟件、控制器及輸入設(shè)備等的有機(jī)結(jié)合，從而真正實(shí)現(xiàn)隧道照明的智能控制，在滿足照明需求的前提下合理地節(jié)約能源并實(shí)現(xiàn)綠色照明。

4 結(jié) 語(yǔ)

隧道照明是隧道設(shè)計(jì)及道路照明設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，對(duì)安全行車及降低能耗有著至關(guān)重要的作用，而照明控制系統(tǒng)的好壞直接影響到隧道照明效果及節(jié)能效果。隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化控制系統(tǒng)及設(shè)備不停的更新?lián)Q代，相信不久的將來(lái)會(huì)有更先進(jìn)更完善的控制及照明方式出現(xiàn)，點(diǎn)亮我們的生活，讓我們的世界更加璀璨。

[1]范士娟，李偉.高速公路隧道照明自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,28(5):9-13.

[2]JTG/T D70/2-01—2014，公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[3]G/TJ 08-2033—2008，道路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U453.7

B

1009-7716（2017）03-0237-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.066

2016-12-22

姚克炯（1985-），男，上海人，電氣工程師，從事配電及照明設(shè)計(jì)工作。