高速公路隧道照明智能調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用再探討

藍福東

(福建省高速公路集團有限公司 龍巖管理分公司，福建 龍巖 364000)

0 前言

在高速公路建設(shè)中，隧道照明需耗費龐大的資金，對于運營單位而言，需承受較大的經(jīng)濟壓力。隨著節(jié)能減排理念的提出，加上為了提升企業(yè)的經(jīng)濟效益，減少隧道照明的費用便成了企業(yè)的重要目標。在以往的隧道照明中，鈉燈為首要的選擇，但資源損耗較大，系統(tǒng)的啟動速度還需優(yōu)化，且難以達到智能化的標準。而隨著LED燈及智能調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用，改善了隧道照明的現(xiàn)狀，經(jīng)濟環(huán)保、低能耗，發(fā)展前景廣闊。但在智能調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用后，也發(fā)現(xiàn)其有一定的不足，還需改進優(yōu)化，使智能調(diào)光系統(tǒng)更加先進、完善，以實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

1 智能調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用背景

在社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展下，高速公路建設(shè)也在如火如荼地進行，而隧道的數(shù)量也在不斷增多，其所產(chǎn)生的運營費用便成了一項重要的問題。在隧道運營成本中，隧道照明的占比最大，其所耗費的資金超過5成，這也體現(xiàn)了改善隧道照明現(xiàn)狀的重要性。在以往的隧道照明設(shè)計中，燈具的安裝數(shù)量及功率按隧道最大亮度需求值進行設(shè)計，運營中，無法達到按隧道外亮度及車流量變化進行智能化控制的要求，管理人員根據(jù)以往的工作經(jīng)驗設(shè)置開關(guān)燈的時序及開關(guān)燈的數(shù)量，為了進一步提高隧道通行的安全性，一般按照多開燈的原則進行，雖能夠保證汽車在隧道內(nèi)安全通行亮度要求，但對電能的損耗極大，也造成了能源浪費，這也使得隧道的照明成本急劇增加，與節(jié)能減排的理念不符。在節(jié)能減排的理念提出后，減少隧道的照明成本便成了一項重要的問題，而LED燈投入市場后，對隧道照明的高損耗難題帶來了解決方案，其最顯著的特點便是可調(diào)控，并利用智能調(diào)光系統(tǒng)，準確的掌控高速公路沿線隧道的各個時段、各個區(qū)域的環(huán)境變化，尤其是隧道內(nèi)外的亮度差異，從而進行對LED燈的調(diào)控，以達到按需照明的目標，減少對電能的損耗，提高燈具的利用效率。

2 智能調(diào)光系統(tǒng)的特點

2.1 經(jīng)濟性

就高速公路的隧道照明而言，雖然看似簡單，只需要安裝照明燈即可，但其投入大，結(jié)構(gòu)復雜[1]。就投入而言，無論是照明燈、電纜，還是消耗的電能以及后期的維修等，等需要花費大量的資金，這些花費集中在一起，是一筆不小的數(shù)目。就其結(jié)構(gòu)而言，需要進行系統(tǒng)的設(shè)計，還需配備配電箱、應(yīng)急電源等，所連接的單元較多，結(jié)構(gòu)相對復雜。在以往的鈉燈系統(tǒng)照明中，雖其光效較好，但資金投入較大，能源損耗多，后續(xù)的維修也是不小的花費，與節(jié)能減排的理念不符。而在LED燈的智能調(diào)光系統(tǒng)中，LED燈本就屬于節(jié)能減排產(chǎn)品，與鈉燈相比，同等的亮度下，耗電量更小，且使用壽命更長，維護工作量少等優(yōu)點。使用智能調(diào)光系統(tǒng)后隧道照明系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定，效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)按需照明，由于對電能的消耗更少，使得運營成本大大降低，這便體現(xiàn)了智能調(diào)光系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

2.2 更加智能

智能調(diào)光系統(tǒng)相對于鈉燈分級調(diào)光系統(tǒng)而言，具有顯著的差異，其中一個重要的點便是智能調(diào)光系統(tǒng)更加智能，這是鈉燈分級調(diào)光系統(tǒng)無法比擬的。在智能調(diào)光系統(tǒng)中，其能夠感應(yīng)外部環(huán)境的變化，通過檢測外部亮度變化適時調(diào)節(jié)隧道內(nèi)照明回路燈具功率，從而對隧道內(nèi)亮度進行控制，減少無效能耗，實現(xiàn)“按需照明”。由于其具備亮度檢測器，時刻感知隧道洞口外亮度變化，然后通過系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)，以優(yōu)化內(nèi)部亮度，使得車輛進入隧道后增強駕駛舒適性，不會因為隧道內(nèi)外亮度的差異大及亮度的均勻性差而感到不適或者影響視覺，有效降低了隧道內(nèi)安全事故的風險，對隧道通行安全也具有重要的意義。另外，使用智能調(diào)光系統(tǒng)，減輕LED燈的光衰，LED燈的使用壽命可顯著增加，從而減少燈具日常維護工作量。

3 智能調(diào)光系統(tǒng)的調(diào)光原理

在智能調(diào)光系統(tǒng)中，通過亮度檢測器感知隧道內(nèi)外亮度的變化，其采集頻率為1次/min，亮度傳感器輸出信號為4～20 mA模擬量信號，通過模擬量/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器及以太網(wǎng)光端機等設(shè)備接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，達到對隧道內(nèi)外亮度的監(jiān)控，智能調(diào)光系統(tǒng)智能軟件將獲得的亮度數(shù)據(jù)進行處理。其在對亮度數(shù)據(jù)進行處理分析時，主要依賴以下兩項公式：

Lin=0.035*Ls20*0.014

L=0.027*x+0.43

其中Lin、Ls20、L、x，分別為基本段亮度、洞外亮度、照明亮度、輸出百分比。亮度數(shù)據(jù)需結(jié)合光衰偏移量進行計算比較，確定輸出百分比的數(shù)值。

4 智能調(diào)光系統(tǒng)的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化基本段照明控制

智能調(diào)光系統(tǒng)通過檢測隧道外車輛的通行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行分析整理，可以了解每天各個時段的車輛流量以及各個季節(jié)的車輛通行變化，評估車輛流量最多的時段以及車輛流量最少的時段，計算出車輛流量的峰值。

智能調(diào)光系統(tǒng)通過采集的通行數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)某時段的車輛流量極大，可將調(diào)光信號調(diào)整至95%以下，75%及以上，使得密集的車輛能夠在隧道內(nèi)安全的通行，保證光效的合理；若發(fā)現(xiàn)此時段的車輛流量處于一般水平，則只要將調(diào)光信號調(diào)整至75%以下，55%及以上，由于此時段車輛流量只是一般水平，則不需要較高的調(diào)光信號，在保證車輛安全通行的同時，以減少對電能的損耗；若發(fā)現(xiàn)此時段的車輛流量較小，甚至僅僅只有零星的車輛在隧道通行，則可以將調(diào)光信號調(diào)至55%以下，35%及以上；若某一時段內(nèi)車輛流量為零，則可以將調(diào)光信號調(diào)整至最低的數(shù)值，一般設(shè)置為15%左右，使燈具處于低功耗的狀態(tài)，以減少對電能的損耗。

智能調(diào)光系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)隧道通行模式，比如單向交通或雙向交通等模式，設(shè)置隧道內(nèi)有車輛通行時最底亮度要求值。

值得一提的是，由于夜晚隧道外的亮度極低，為了讓司機更加適應(yīng)隧道內(nèi)外的環(huán)境變化，避免隧道內(nèi)強光刺眼的現(xiàn)象，也需要使LED燈維持在較低功率的工作狀態(tài)，通常情況下，只需要保持最高功率的15%～20%即可，一方面能夠讓司乘人員更好地適應(yīng)隧道內(nèi)外的亮度差異，另一方面極大地降低了對電能的損耗，而且能夠延長燈具的使用壽命。

4.2 優(yōu)化隧道的出入口照明控制

在智能調(diào)光系統(tǒng)中，不僅需要考慮各個時段的車流量，還需要考慮白天與夜晚對隧道內(nèi)環(huán)境的影響，以及隧道所在區(qū)域天氣的變化，如在陰雨天、烏云密布的時候，應(yīng)該對隧道內(nèi)燈光亮度進行降檔調(diào)控，降低能耗；在強日照天氣或陽光照射隧道洞口時，應(yīng)提升隧道出入口亮度，消除車輛進出隧道時的“黑洞”或“白洞”效應(yīng)，確保通行安全。

在以往的通過PLC進行的時序控制，只能根據(jù)經(jīng)驗進行簡單的晴天或雨天模式設(shè)置開關(guān)燈時間，在天氣變化時，無法適時采取降檔照明或提升照明措施，造成能源浪費或隧道出入口亮度不夠現(xiàn)象。

智能調(diào)光系統(tǒng)需要采集實時隧道洞外亮度數(shù)據(jù)和滑動窗口平均值亮度數(shù)據(jù)?；瑒哟翱谄骄堤幚?，使亮度變化更加平緩，也更適合用于燈具控制。在有云或無云天氣，洞外亮度的變化較大，所以滑動窗口初始值可以設(shè)為10分鐘，是可調(diào)節(jié)的參數(shù)，需要根據(jù)現(xiàn)場測試情況，調(diào)節(jié)出合適值。智能調(diào)光系統(tǒng)在強日照天氣或陽光照射隧道洞口時，以消除黑洞”或“白洞”效應(yīng)為優(yōu)先，確保通行安全，判斷亮度值處于強光等級范圍內(nèi)時，出入口照明回路全開，LED燈保持100%的功率工作。

5 隧道LED照明智能調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用后的節(jié)能率

隧道照明智能調(diào)光系統(tǒng)在高速公路蘆芝隧道進行了測試，在測量時間內(nèi)智能調(diào)光系統(tǒng)應(yīng)用后的能源消耗及采用時序控制的能源消耗進行對比分析，智能調(diào)光系統(tǒng)應(yīng)用后，節(jié)能率達20%左右[2]。

節(jié)能率(%)=(時序控制用電量-智能調(diào)光用電量)/時序控制用電量*100%，

蘆芝隧道出入口段加強燈還使用了部分高壓鈉燈，該部分功率合計為56.8kW，如使用LED燈進行替換，加強燈合計功率可以降低到30kW，節(jié)能率預計可以達到30%。

6 結(jié)語

在高速公路建設(shè)中，隧道照明的優(yōu)化是一項重要的課題，不僅要保證對能源的損耗降到最低，也需要保證隧道內(nèi)車輛通行的安全。而隨著智能調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用，解決了以往隧道照明的問題，與節(jié)能減排的理念相符。但在以后的發(fā)展中，還需要不斷的優(yōu)化智能調(diào)光系統(tǒng)，使其更加標準、先進，以提高經(jīng)濟效益。