基于布燈參數(shù)優(yōu)化的隧道照明節(jié)能控制

楊 超，程 翠，徐一航

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

基于布燈參數(shù)優(yōu)化的隧道照明節(jié)能控制

楊 超，程 翠，徐一航

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

為了保證在行車(chē)安全的前提下最大程度地降低隧道照明能耗，提出了一種針對(duì)隧道中間段的照明節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以布燈參數(shù)優(yōu)化后的照明系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際車(chē)速、車(chē)流量確定隧道最小需求亮度，采用調(diào)光控制方法調(diào)節(jié)LED燈的功率，實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能。以雁列山隧道為例，對(duì)參數(shù)優(yōu)化后的中央布燈照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制，并與只進(jìn)行優(yōu)化的照明系統(tǒng)和該隧道實(shí)際改造后的照明系統(tǒng)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，實(shí)行調(diào)光控制的照明系統(tǒng)比只進(jìn)行優(yōu)化的照明系統(tǒng)至少節(jié)能38.8%，比實(shí)際改造后的電磁感應(yīng)燈照明系統(tǒng)至少節(jié)能63.1%，節(jié)能效果非常顯著。利用Dialux對(duì)實(shí)行調(diào)光控制的照明系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，不同車(chē)速、車(chē)流量條件下的隧道路面最小照度、路面照度總均勻度和路面縱向照度均勻度均滿足交通要求。

隧道照明；節(jié)能控制；參數(shù)優(yōu)化；仿真

隧道照明是公路隧道運(yùn)營(yíng)安全的基本保障。根據(jù)我國(guó)《JTGJ D70/2-01-2014公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[1]，長(zhǎng)度大于200 m的隧道和長(zhǎng)度大于100 m的光學(xué)長(zhǎng)隧道均應(yīng)安裝照明設(shè)施，以便行駛車(chē)輛能以設(shè)定的行車(chē)速度安全地通過(guò)隧道。隧道照明系統(tǒng)也是隧道運(yùn)營(yíng)中的高能耗系統(tǒng)[2-4]，如何在確保行車(chē)安全的同時(shí)降低隧道照明能耗，成為隧道設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)單位亟需解決的問(wèn)題[5]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和研究人員在隧道照明節(jié)能方面進(jìn)行了研究，在一定程度上能達(dá)到節(jié)能的效果。黃傳茂[6]以照明系統(tǒng)功耗最小為目標(biāo)，分別建立了中央布燈、拱頂側(cè)偏布燈、對(duì)稱布燈、交錯(cuò)布燈和逆光照明共5種布燈方式的布燈參數(shù)優(yōu)化模型，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性和節(jié)能的有效性；范士娟[7]建立了隧道中間段中央布燈方式的參數(shù)優(yōu)化模型，通過(guò)該優(yōu)化模型可得到最節(jié)能的布燈參數(shù)；文獻(xiàn)[6-7]都只是根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定的設(shè)計(jì)車(chē)速和車(chē)流量進(jìn)行布燈參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了照明節(jié)能，但當(dāng)實(shí)際車(chē)速和車(chē)流量小于設(shè)計(jì)車(chē)速和車(chē)流量時(shí)，就存在過(guò)照明現(xiàn)象，從而造成電能浪費(fèi)；帖智武[8]、馮嵐[9]通過(guò)控制技術(shù)對(duì)公路隧道照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但隧道照明控制系統(tǒng)分級(jí)程度低，無(wú)法根據(jù)洞外亮度、車(chē)流量等變量的變化自適應(yīng)調(diào)整隧道照明系統(tǒng)，導(dǎo)致隧道各區(qū)段的照明燈具始終處于最大功率狀態(tài)，這種照明系統(tǒng)存在大量電能浪費(fèi)問(wèn)題；于東東[10]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，根據(jù)隧道的車(chē)流量、車(chē)速以及洞外亮度動(dòng)態(tài)調(diào)整隧道照明亮度，實(shí)現(xiàn)了照明節(jié)能；田軍[11]在模糊控制理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了隧道照明主控制器，用于接收隧道洞外亮度、車(chē)流量、車(chē)速等數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)控制算法處理，輸出符合實(shí)際需求的隧道照明調(diào)光控制命令，從而實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能；Lee，Choi[12]利用模糊控制方法，以隧道外部亮度、車(chē)速、交通量為輸入?yún)?shù)，提高了隧道照明系統(tǒng)能見(jiàn)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了照明節(jié)能；Parise et al[13]設(shè)計(jì)了一種隧道照明控制系統(tǒng)，可根據(jù)隧道外部亮度、交通流量及氣候條件自動(dòng)調(diào)整照明系統(tǒng)的光通量，改善了駕駛員的安全及舒適性，避免過(guò)度照明；Zhang[14]以環(huán)境信息、車(chē)輛信息和路面亮度為基礎(chǔ)，利用PID控制算法對(duì)隧道照明實(shí)現(xiàn)了智能控制。文獻(xiàn)[8-14]都是通過(guò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能，但沒(méi)有進(jìn)行布燈參數(shù)節(jié)能優(yōu)化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能的最大化。本文將以中間段中央布燈方式為例，在布燈參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道照明無(wú)級(jí)調(diào)光控制，研究隧道照明的節(jié)能性。

1 隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 隧道中間段照明要求

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，隧道中間段所需最小亮度與車(chē)流量和車(chē)速的關(guān)系如表1所示?？梢钥吹?，如果隧道照明系統(tǒng)按照車(chē)速80 km/h、車(chē)流量≥1 200 veh/h設(shè)計(jì)，則當(dāng)實(shí)際車(chē)速＜80 km/h、車(chē)流量＜1 200 veh/h時(shí)，路面實(shí)際所需亮度就會(huì)小于設(shè)計(jì)亮度，即所需燈具功率小于設(shè)計(jì)的燈具功率；如果仍然按照設(shè)計(jì)亮度進(jìn)行照明，自然存在電能浪費(fèi)。

表1 中間段亮度Tab.1 Interior zone luminance cd/m2

表1只給出了3個(gè)車(chē)流量范圍內(nèi)設(shè)定車(chē)速下的路面亮度要求值，當(dāng)車(chē)速在相鄰的兩個(gè)設(shè)定車(chē)速之間時(shí)，如60 km/h＜V＜80 km/h，需要采取插值的方式來(lái)計(jì)算所需路面亮度值。采取線性插值的方式，設(shè)在某車(chē)流量N下，相鄰的兩個(gè)設(shè)定車(chē)速V1和V2對(duì)應(yīng)的亮度分別為L(zhǎng)1和L2，則當(dāng)車(chē)速V位于V1和V2之間時(shí)，隧道中間段的最小需求亮度按式（1）計(jì)算。

式中：L0為通隧道中間段的最小需求亮度，對(duì)于人與車(chē)混合通行的隧道，L0＝2.0 cd/m2，其余情況L0＝1.0 cd/m2。

1.2 隧道照明調(diào)光控制方案

本文研究的是隧道中間段，燈具全天24 h開(kāi)啟。采用無(wú)級(jí)調(diào)光控制方式，運(yùn)營(yíng)中根據(jù)實(shí)測(cè)的路面最小照度值，調(diào)整燈具輸出功率，使隧道內(nèi)照度始終可以滿足照明需求[15]。為保證公路隧道行車(chē)安全性和舒適性，調(diào)控LED燈照明亮度時(shí)，控制系統(tǒng)采用亮度漸變的控制模式，分步、逐級(jí)達(dá)到目標(biāo)亮度，以避免亮度瞬間變化產(chǎn)生不安全影響[16]。

整個(gè)控制系統(tǒng)主要由車(chē)輛檢測(cè)器、亮度檢測(cè)器、照明控制計(jì)算機(jī)、中心控制器、調(diào)光控制器及LED燈組成，如圖1所示。在布燈參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，隧道入口段布置的車(chē)輛檢測(cè)器每隔一定時(shí)間統(tǒng)計(jì)/計(jì)算一次平均車(chē)速及車(chē)流量數(shù)據(jù)，并上傳至照明控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)中間段的最小亮度需求模型計(jì)算出隧道洞內(nèi)的需求亮度值；安裝在隧道路面上最小亮度區(qū)域（同側(cè)相鄰兩燈中間、隧道墻壁側(cè)的行車(chē)道邊[7]）的亮度檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)際最小亮度，并上傳至照明控制計(jì)算機(jī)；照明控制計(jì)算機(jī)根據(jù)隧道洞內(nèi)的需求亮度值和實(shí)際最小亮度，依據(jù)調(diào)光控制邏輯計(jì)算出當(dāng)前統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)所需的亮度調(diào)節(jié)值，向中心控制器發(fā)出調(diào)光控制指令；中心控制器將照明控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的調(diào)光控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成隧道內(nèi)燈具的亮度控制信號(hào)；調(diào)光控制器將燈具亮度控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，通過(guò)PWM方式的占空比調(diào)節(jié)LED燈的電流，從而改變LED燈具的光通量（功率），使LED燈具的輸出亮度達(dá)到隧道洞內(nèi)實(shí)際的需求亮度，實(shí)現(xiàn)隧道的按需照明。

圖1 隧道照明系統(tǒng)控制方案Fig.1 Control scheme of tunnel lighting system

以隧道設(shè)計(jì)車(chē)速、車(chē)流量下照明燈具所需功率的70%作為燈具的初始功率進(jìn)行控制。用Pmin表示隧道照明最小需求亮度所需燈具功率，Po表示當(dāng)前統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)LED燈具的需求功率，用P，Pr分別表示下一統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)LED燈具的需求功率和實(shí)際功率。為了避免下一統(tǒng)計(jì)間隔和當(dāng)前統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)平均車(chē)速、車(chē)流量變化較大造成路面亮度嚴(yán)重不足的情況，總是取當(dāng)前統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)LED燈具的需求功率作為下一統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)LED燈具的初始功率，下一統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)LED燈具的實(shí)際功率Pr根據(jù)其需求功率P按式（2）確定，但不能超過(guò)某車(chē)流量區(qū)間內(nèi)車(chē)速80 km/h時(shí)LED燈具的需求功率。

只要車(chē)流量在3個(gè)取值范圍中的任何一個(gè)里，燈具功率的控制就只取決于車(chē)速；本文采取每隔20 s統(tǒng)計(jì)一次車(chē)流量和車(chē)速的方式來(lái)減小車(chē)流量和車(chē)速變化帶來(lái)的影響。

2 算例分析

2.1 算例隧道及優(yōu)化的布燈參數(shù)

以江西九景高速公路雁列山隧道作為研究對(duì)象[17]，該隧道為雙洞單向交通設(shè)計(jì)，由1號(hào)、2號(hào)兩座隧道構(gòu)成，全長(zhǎng)3 352 m，其中1號(hào)隧道長(zhǎng)1 533 m，2號(hào)隧道長(zhǎng)1 819 m；隧道路寬10.25 m，凈高7.425 m，行車(chē)道寬8.5 m，設(shè)有人行檢修道，設(shè)計(jì)交通量N≥1 200 veh/h，設(shè)計(jì)車(chē)速80 km/h。以2號(hào)隧道為例，其隧道中間段長(zhǎng)度約為1 383 m；路面鋪設(shè)水泥混泥土，平均亮度和平均照度的換算系數(shù)為10 lx·cd-1·m2。

采用雷士照明LED燈系列，燈具型號(hào)為NHLED101～NHLED103，該類(lèi)型燈具發(fā)光效率為100 lm/W，發(fā)光角度為120°，光線輸出率η＝1。該隧道優(yōu)化的布燈間距8.89 m，布燈高度7 m，單燈功率107 W，總功率16 692 W。采用107 W LED燈的中央布燈優(yōu)化方案，在不考慮光衰的情況下，即使?jié)M負(fù)荷工作，也比使用電磁感應(yīng)燈的實(shí)際改造方案[18]節(jié)能39%以上，布燈參數(shù)優(yōu)化方案節(jié)能效果顯著。但是，依然存在過(guò)照明的情況，原因如下：① 在設(shè)計(jì)車(chē)速（80 km/h）、車(chē)流量（≥1 200 veh/h）條件下，按照優(yōu)化參數(shù)滿負(fù)荷工作時(shí)，照明系統(tǒng)提供的路面最小照度（50 lx）大于路面需求的最小照度（35 lx），存在一定的電能浪費(fèi)；② 當(dāng)車(chē)速、車(chē)流量小于該隧道的設(shè)計(jì)車(chē)速、車(chē)流量時(shí)，照明系統(tǒng)提供的亮度（5 cd/m2）大于所需的隧道亮度（＜3.5 cd/m2），存在過(guò)照明和電能浪費(fèi)。

2.2 隧道照明的調(diào)光控制及節(jié)能性分析

本文以布燈參數(shù)優(yōu)化后的照明系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用調(diào)光控制技術(shù)，根據(jù)隧道照明需求亮度調(diào)節(jié)LED燈的功率，實(shí)現(xiàn)按需照明。

表2中列出了不同車(chē)速、車(chē)流量下對(duì)布燈參數(shù)優(yōu)化后的照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光控制的單燈功率（圓整后）。從表2可以看出，按照設(shè)計(jì)車(chē)速、車(chē)流量對(duì)布燈參數(shù)優(yōu)化后進(jìn)行布燈，在不實(shí)行調(diào)光控制的情況下，不考慮燈具光衰時(shí)，滿足路面照度需求的燈具功率遠(yuǎn)小于優(yōu)化功率107 W，說(shuō)明布燈參數(shù)優(yōu)化后的照明系統(tǒng)依然存在巨大的節(jié)能空間。

表2 不同車(chē)速、車(chē)流量下單燈功率Tab.2 Power of single lamp under different vehicle speed and vehicle volume W

圖2所示為基于布燈參數(shù)優(yōu)化的調(diào)光控制的照明系統(tǒng)總功率、布燈參數(shù)優(yōu)化后的系統(tǒng)總功率及實(shí)際改造后的系統(tǒng)總功率隨車(chē)速、車(chē)流量的變化曲線。可以看出，實(shí)際改造后的方案和布燈參數(shù)優(yōu)化后的方案，都是按照設(shè)計(jì)車(chē)速、車(chē)流量進(jìn)行布燈或優(yōu)化布燈，不論車(chē)速、車(chē)流量怎么變化，所消耗的總功率始終是27.68 kW和16.692 kW。在布燈參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光控制，根據(jù)車(chē)速、車(chē)流量的變化，自動(dòng)調(diào)整LED燈的輸出功率。在車(chē)速80 km/h、車(chē)流量N≥1 200 veh/h、350 veh/h＜N＜1 200 veh/h及N≤350 veh/h時(shí)，相對(duì)實(shí)際改造后的電磁感應(yīng)燈方案可節(jié)能63.1%，73.6%，84.2%以上；相對(duì)布燈參數(shù)優(yōu)化方案可節(jié)能38.8%，56.3%，73.8%以上。優(yōu)化后的節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能較顯著。

圖2 照明系統(tǒng)總功率曲線圖Fig.2 Graph of total power of lighting system

2.3 仿真驗(yàn)證

采用Dialux軟件對(duì)優(yōu)化后且無(wú)級(jí)調(diào)光控制的照明系統(tǒng)的照明效果進(jìn)行仿真分析。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的仿真條件及優(yōu)化布燈參數(shù)在Dialux中建立隧道中間段的仿真模型，采用雷士照明中NVC NHLED102 120 W/120° LED燈，燈具功率為120 W，發(fā)光角度為120°。仿真得到計(jì)算區(qū)域各點(diǎn)照度的值后，可得到路面最小照度、中線最小照度和路面平均照度，將這些數(shù)據(jù)乘以（優(yōu)化功率/120），即得到不同車(chē)速、車(chē)流量的優(yōu)化功率的路面最小照度值、中線最小照度和路面平均照度，從而算得路面照度總均勻度和路面縱向照度均勻度，如表3所示。表3中括號(hào)里的數(shù)據(jù)為公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定值。

從表3可以看出，對(duì)布燈參數(shù)優(yōu)化后的照明系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)光控制，隧道路面最小照度、路面照度總均勻度和路面縱向照度均勻度都滿足照明要求，路面最小照度與公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定值很接近，誤差很小，都在3%以內(nèi)。

表3 不同車(chē)速、車(chē)流量下最小照度和均勻度的仿真值和標(biāo)準(zhǔn)值Tab.3 Simulated and standard values of minimum illuminance and uniformity under different vehicle speeds and vehicle volume

3 結(jié)束語(yǔ)

良好的隧道照明可以在耗電最少的情況下保證車(chē)輛安全通過(guò)隧道。本文根據(jù)公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則以車(chē)速、車(chē)流量為輸入量，建立了隧道中間段最小需求亮度模型；以九景高速公路雁列山隧道為對(duì)象，以參數(shù)優(yōu)化后的中央布燈照明系統(tǒng)為例，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光節(jié)能控制，與優(yōu)化后的照明系統(tǒng)（無(wú)調(diào)光控制）和該隧道實(shí)際改造后的電磁感應(yīng)燈方案進(jìn)行能耗比較，節(jié)能效果非常顯著。采用Dialux軟件對(duì)實(shí)施節(jié)能控制的照明系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，隧道路面最小照度、路面照度總均勻度及路面縱向照度均勻度都滿足交通要求，證明了節(jié)能控制系統(tǒng)的正確性。

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Tunnel Lighting Energy-saving Control Based on Parameter Optimization of Luminaire Distribution

Yang Chao，Cheng Cui，Xu Yihang
（School of Mechanotronics&Vehicle Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

In order to reduce the energy consumption of tunnel lighting to the greatest degree on the premise of guaranteeing driving safety,a lighting energy-saving control system for the tunnel interior zone was proposed. Based on the optimized luminaire-installation-parameters(LIPs),the lighting system was controlled to realize the maximum energy-saving by using dimming method to adjust the power of LED lamps according to the minimum demand brightness determined by the actual vehicle speed and vehicle volume.By taking the tunnel-interiorzone lighting system of Yanlieshan tunnel as an example,the energy-saving control of the optimized central luminaire distribution lighting was carried out,and contrasting experiments were conducted between the LIPs optimized lighting system and the actual transformed lighting system with electromagnetic induction lamps(EILs). The results found that the dimming-controlled lighting system can save 38.8%more energy than the optimized lighting system without control,or save 63.1%more energy than the actual transformed lighting system with EILs,and the energy-saving effect was remarkable.The dimming-controlled lighting system based on the optimized LIPs was simulated with Dialux.The simulation results showed that the minimum illuminance,overall uniformity and longitudinal uniformity of the tunnel road surface illuminance meet the traffic demands of the tunnel lighting.

tunnel lighting;energy-saving control;parameter optimization;simulation

U453.7

A

1005-0523（2017）02-0128-06

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－10－10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61463015）

楊超（1969—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)樗淼勒彰鞴?jié)能優(yōu)化。