錢江隧道LED節(jié)能照明應(yīng)用

□ 文/沈宇偉

錢江隧道LED照明規(guī)劃方案

錢江通道及接線工程是《浙江省公路水路交通建設(shè)規(guī)劃》(2003-2020年)“兩縱、兩橫、十八連、三繞、三通道”的重要組成部分，沿線經(jīng)過嘉興市、杭州市及紹興市，也是長三角都市圈高速公路網(wǎng)規(guī)劃中“七縱”之一的江蘇鹽城市至浙江紹興市高速公路的組成部分，在區(qū)域公路網(wǎng)中發(fā)揮著極其重要的作用。錢江隧道作為錢江通道及接線工程項目的主體性、關(guān)鍵性工程，也是全國著名的錢塘江流域的首條大型越江隧道。

錢江隧道工程總范圍長度4800米，隧道全長4450米（樁號K11+400～K15+850），其中江北工作井長21m，明挖段559m（暗埋段327m）;江中圓隧道段長3 251m;江南工作井長23 m，明挖段600 m（暗埋段326m）。錢江隧道的通車有效地溝通了錢塘江的南北兩岸，對推動錢塘江南北兩岸主要城鎮(zhèn)間的交通聯(lián)系及經(jīng)濟往來具有十分積極的作用。

其中更值得一提的是，錢江隧道的照明工程全程采用了先進的LED照明技術(shù)。錢江隧道的LED照明工程，作為全國唯一的大交通流量水下隧道半導(dǎo)體照明示范工程，成功入選了國家半導(dǎo)體隧道燈應(yīng)用項目。

錢江隧道的照明工程，依據(jù)設(shè)計劃分為光過渡段、暗埋段及圓隧道段照明。鑒于隧道內(nèi)全程須滿足全時間段、全天候不間斷照明的特點，錢江隧道采用了綠色、高效、長壽命的LED光源。相對于傳統(tǒng)光源，這種半導(dǎo)體光源具備減少光污染，建立隧道內(nèi)舒適高效、經(jīng)濟節(jié)能、安全穩(wěn)定的照明環(huán)境的優(yōu)勢。目前照明產(chǎn)業(yè)市場中，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，LED光源的光效正穩(wěn)步提升，價格也逐步降低，LED的使用壽命長、單向發(fā)光、節(jié)能環(huán)保等高性價比的特點，使其作為照明光源的優(yōu)勢逐漸凸顯。

錢江隧道的LED照明實施方案中，依據(jù)JTJ026.1-1999《路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》,并依據(jù)隧道照明等級，明確了隧道內(nèi)燈具安裝及照明亮度的要求：

隧道照明車輛設(shè)計時速、洞外亮度及燈具的維護系數(shù)等（表一）

錢江通道基本照明和應(yīng)急照明均采用了LED隧道燈具，依據(jù)設(shè)計要求按5.6米的間距雙側(cè)對稱布置，燈具安裝高度為5.2米。錢江隧道全程設(shè)計共用LED隧道燈具3000套，其中又包括：基本照明LED隧道燈具2608套，應(yīng)急照明LED隧道燈具360套，共計2968套，剩余的32套作為備品備件。

錢江隧道LED燈具的配光方案采用了矩形配光設(shè)計，該配光設(shè)計應(yīng)用于隧道內(nèi)，經(jīng)檢測可實現(xiàn)總體照度均勻度0.8以上，高于設(shè)計規(guī)范要求。LED燈具光源腔體的密封防護結(jié)構(gòu)采用了折疊扣件式結(jié)構(gòu)，LED光源實現(xiàn)了與反射器模組化封裝，便捷地實現(xiàn)了燈具的徒手化維護，解決了隧道燈具24小時工作，安裝、拆卸、維護困難的技術(shù)難題。每個光源模組由12個單體的LED光源串聯(lián)組成，LED光源工作電流僅需350mA，且每個光源都并聯(lián)設(shè)置了穩(wěn)壓二極管，單個光源損壞不會影響其他光源的正常工作。

自錢江隧道通車以來，LED隧道燈照明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，經(jīng)過抽樣調(diào)查反饋，駕駛員普遍反映照明效果令人滿意。

錢江隧道LED燈具照明效果與標(biāo)準(zhǔn)值的對比

錢江隧道LED調(diào)光控制系統(tǒng)

錢江隧道LED隧道燈照明系統(tǒng)的控制核心為照明調(diào)光控制系統(tǒng)，系統(tǒng)原理為通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）方式，其工作機制為利用微處理器的數(shù)字輸出來控制模擬電路的恒流源輸出，進而以恒流源輸出的微電流來控制LED模塊的發(fā)光亮度。另外，調(diào)光控制系統(tǒng)實時地監(jiān)視、采集并調(diào)整恒流源的輸出信號，通過邏輯算法對模擬電路進行故障診斷，當(dāng)判斷電路發(fā)生故障時，實時向上級監(jiān)控平臺傳送報警信息。PWM控制方式基于微電子技術(shù)，有利于降低LED燈的工作溫度，延長燈具使用壽命，同時也具備節(jié)能功效。錢江隧道的LED調(diào)光控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)隧道內(nèi)的一般照明和應(yīng)急照明的統(tǒng)一控制。

錢江隧道LED調(diào)光控制系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)為隧道調(diào)光系統(tǒng)管理平臺（已接入錢江隧道綜合監(jiān)控平臺）＋現(xiàn)場智能調(diào)光控制模塊＋燈具驅(qū)動電源模塊三級設(shè)備進行；考慮到錢江隧道綜合監(jiān)控平臺的統(tǒng)一性，LED調(diào)光管理軟件部署于錢江隧道綜合監(jiān)控平臺的照明監(jiān)控子系統(tǒng)內(nèi)；錢江隧道現(xiàn)場調(diào)光控制按隧道內(nèi)區(qū)段劃分設(shè)置為10個調(diào)光控制箱，每個控制箱均內(nèi)置智能調(diào)光控制模塊，采用嵌入式智能控制板卡，板卡的通訊接口支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU或MODBUS/TCP協(xié)議；現(xiàn)場智能調(diào)光控制模塊通過內(nèi)置的RJ45口，利用網(wǎng)線就近接入錢江設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)ACU控制箱內(nèi)的現(xiàn)場控制環(huán)網(wǎng)交換機，如接入距離較遠(yuǎn)，則進行路由介質(zhì)的光電轉(zhuǎn)換，增設(shè)光中繼模塊增加傳輸距離；現(xiàn)場智能調(diào)光控制模塊與每盞LED燈具之間通過485控制總線進行調(diào)光控制信號傳輸。

錢江隧道LED調(diào)光控制系統(tǒng)架構(gòu)圖（圖1）

▲圖1

如圖1所示，錢江隧道LED調(diào)光控制系統(tǒng)從每個調(diào)光控制箱引出4路控制總線，并聯(lián)連接至本調(diào)光區(qū)段內(nèi)的每臺LED隧道燈，總線通過廣播輪詢方式發(fā)送調(diào)光控制信號。每個調(diào)光箱中的智能調(diào)光控制模塊通過網(wǎng)線接入就近ACU箱內(nèi)的控制網(wǎng)交換機，系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)開放的通信接口，智能調(diào)光控制模塊支持MODBUS通訊協(xié)議，可基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定制開發(fā)調(diào)光控制軟件或獨立的調(diào)光控制平臺。

調(diào)光控制箱分布圖（圖2）

▲圖2

如圖1所示，錢江隧道LED調(diào)光控制系統(tǒng)利用已有的錢江綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場控制環(huán)網(wǎng)，智能調(diào)光控制模塊支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信協(xié)議，在隧道現(xiàn)場就近接入ACU，當(dāng)距離較近時（少于150 m）直接采用網(wǎng)線連接，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時（大于150 m）采用光電收發(fā)器進行轉(zhuǎn)換，并增加光中繼模塊以增加傳輸距離，然后再接入ACU內(nèi)交換機。另外，智能調(diào)光控制模塊屬于弱電設(shè)備，應(yīng)使用UPS保障供電質(zhì)量，并注意設(shè)備的防雷接地。

調(diào)光控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信機制沿用了上海長江隧橋LED控制系統(tǒng)的成熟機制，采用主從式結(jié)構(gòu)。

在主從式結(jié)構(gòu)的通信機制中，從隧道控制中心（綜合監(jiān)控平臺）到智能調(diào)光控制模塊，采用SNMP（簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）協(xié)議通訊，如圖3所示，采用主站向各從站發(fā)送命令輪詢方式，控制中心為主站，智能調(diào)光控制模塊為從站；從各智能調(diào)光控制模塊到LED燈具采用RS485總線通訊方式，如下圖四所示，智能調(diào)光控制模塊為主站，LED燈具為從站。

控制中心對下屬各調(diào)光控制模塊設(shè)置時控計劃控制流程示例（圖3）

▲圖3

調(diào)光控制模塊與LED燈具通信交互方式（圖4）調(diào)光、巡檢

▲圖4

智能調(diào)光控制功能

LED智能調(diào)光系統(tǒng)的控制原理如下：每個LED燈具安裝有電源模塊和檢測控制模塊，電源模塊支持85V－265v超寬幅交流輸入供電，當(dāng)輸入電源ATS（自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器）切換時，LED燈具的再啟動不超過0.1s。檢測控制模塊則由新一代高性能的單片機及其外圍電路組成，具備總線通信接口。LED燈具的檢測控制模塊除響應(yīng)智能調(diào)光控制模塊的定期巡檢命令外，可接收智能調(diào)光控制模塊的調(diào)光控制指令，并且采用PWM方式輸出到LED燈具的電源模塊，控制燈具的電流大小，從而實現(xiàn)對LED燈具的亮度調(diào)節(jié)控制。

錢江隧道LED智能調(diào)光控制具備以下三大基本功能：

時間控制模式：調(diào)光控制軟件可提供任意段時間控制，用戶可自定義每段工作時間，設(shè)置與時間相對應(yīng)的調(diào)光級別。用戶在綜合監(jiān)控平臺中設(shè)置完成后，由控制中心將用戶設(shè)置的時控模式下發(fā)至下轄各調(diào)光控制模塊。

分區(qū)統(tǒng)一控制模式：系統(tǒng)可依據(jù)下轄各個調(diào)光控制模塊的總線控制區(qū)段，對隧道內(nèi)LED燈具實現(xiàn)分區(qū)域、分批次的集中控制。此控制方式較為靈活，具備在調(diào)光軟件中任意劃分LED燈的控制群組及區(qū)段的功能，且劃分不受隧道內(nèi)燈具的安裝位置限制、不受是否為同一物理總線連接限制。

如錢江隧道LED控制系統(tǒng)物理上分為十個調(diào)光控制模塊，四十條控制總線，但是分區(qū)控制可任意將隧道內(nèi)LED燈具劃分為四區(qū)段、六區(qū)段、十二區(qū)段等等任意數(shù)量的區(qū)段，并制定相應(yīng)的調(diào)光控制預(yù)案，不受物理上燈具實際連接的智能調(diào)光控制模塊及控制總線的限制。

本地控制模式：在本地調(diào)光控制箱的面板上有手動的調(diào)光旋鈕，可以通過旋鈕開關(guān)實現(xiàn)對總線所連接燈具的九級調(diào)光控制。此功能為應(yīng)急響應(yīng)功能，主要應(yīng)用在脫機狀態(tài)或者網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)等特殊情況下，在本地實現(xiàn)對所連接燈具的分級調(diào)光。

隧道LED照明節(jié)能功效

目前隧道LED照明節(jié)能功效可分為LED燈具本身節(jié)能及控制模式節(jié)能兩部分：

LED燈具節(jié)能：

針對錢江隧道工程的特點，結(jié)合建設(shè)方隧道股份公司提出的照明系統(tǒng)的高規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)要求，工程專門設(shè)計了一款適用于江底隧道照明的LED隧道燈。為了滿足燈光對行駛車輛產(chǎn)生引導(dǎo)作用，隧道燈設(shè)計成長條形；為了滿足隧道照明時間長，燈具可維護性強的特點，燈具按照模塊化思維進行了設(shè)計，便于燈具的方便維修，同時可以大大降低整個系統(tǒng)的維護成本；為了實現(xiàn)隧道照明較高的照明均勻性要求，同時為了提高燈具的光線利用效率，專門根據(jù)錢江隧道的布燈要求，特別設(shè)計了燈具配光系統(tǒng)；為了達(dá)到最好的節(jié)能效果，篩選了全世界范圍內(nèi)最為主要的芯片及光源生產(chǎn)商，并結(jié)合國內(nèi)頂級的集成廠商，在該款燈具中使用了當(dāng)時能夠量產(chǎn)的最亮的LED光源。

表三

與傳統(tǒng)的熒光燈和高壓鈉燈相比較，LED燈可節(jié)約50%至70%的能耗，并且LED燈不含汞(Hg)，鉛(Pb)等元素，制造、使用及報廢的全過程不產(chǎn)生環(huán)境污染。在鋪設(shè)成本上，由于高壓鈉燈及傳統(tǒng)熒光燈功耗大，因此所采用的電源銅線線徑比較粗，而LED燈則可以用相對較細(xì)的銅線就可以滿足同樣的需要，故成本也較為低廉。

錢江隧道LED燈具參數(shù)表三：

采用鑄鋁合金壓鑄成型殼體，首創(chuàng)散熱體和燈殼一體化設(shè)計，光源與外殼緊密相接，通過外殼散熱翼與空氣對流散熱，充分保證了LED燈具50000小時（普通LED燈為30000小時）的使用壽命。

燈具其它技術(shù)參數(shù)（表三）

控制系統(tǒng)節(jié)能：

在采用LED燈具照明的模式下，可以利用其亮度調(diào)節(jié)響應(yīng)快（秒級相應(yīng)），可反復(fù)開關(guān)而不影響壽命的特點，通過調(diào)光控制系統(tǒng)下發(fā)控制指令，調(diào)節(jié)每盞燈具或者整個調(diào)光分區(qū)燈具的工作電流，隨時調(diào)節(jié)燈具亮度，進而實現(xiàn)綠色節(jié)能，避免不必要的電能浪費。

另外，利用LED等亮度調(diào)節(jié)相應(yīng)迅速的特性，還可通過與隧道內(nèi)光強光照儀、能見度檢測儀等環(huán)境檢測儀表聯(lián)動，形成基于檢測參數(shù)的實時閉環(huán)調(diào)光控制，或者依據(jù)一年四季的不同時間點進行調(diào)光預(yù)案控制。