單燈控制系統(tǒng)在LED隧道照明智能化節(jié)能改造的應(yīng)用

文/王艇

1 前言

本文在保證隧道照明滿足行車標(biāo)準(zhǔn)要求下，結(jié)合福建省高速公路隧道照明管理實(shí)際，為了有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的環(huán)保目標(biāo)，采用隧道實(shí)時(shí)交通流量結(jié)合照度檢測動(dòng)態(tài)調(diào)光方式的單燈控制系統(tǒng)并將其引入沙廈高速公路（廈門段）的巖內(nèi)隧道和鳳溪隧道的LED 隧道照明的智能化節(jié)能改造中，不僅可以在確保實(shí)際的照明需求情況下，為隧道提供安全、可靠、合理、節(jié)能、舒適的照明環(huán)境，還能夠減少供電部門和運(yùn)營管理單位之間的能源需求分歧。

2 隧道智能照明監(jiān)控系統(tǒng)的基本概述

2.1 隧道智能照明監(jiān)控系統(tǒng)的原理

智能照明監(jiān)控系統(tǒng)主要由隧道單燈控制器、照明集中控制器、照度傳感器、智能照明監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)器及智能照明平臺(tái)軟件五部分組成。每盞燈具運(yùn)行狀態(tài)控制可獨(dú)立監(jiān)控，也可以進(jìn)行多個(gè)燈具分組策略控制，以提供更靈活的智能監(jiān)控系統(tǒng)、最優(yōu)的組合。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單燈控制系統(tǒng)通過RS485 通訊協(xié)議能夠?yàn)榧斜O(jiān)控系統(tǒng)提供更為有效的數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容。單燈控制器具備獨(dú)立地址，能夠獨(dú)立的調(diào)節(jié)燈具亮度，可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)LED 照明燈具的開、關(guān)、調(diào)光、運(yùn)行狀態(tài)查詢（實(shí)時(shí)或定時(shí)查詢對應(yīng)燈具電壓、電流、功率因數(shù)、開關(guān)狀態(tài)），在整個(gè)過程中，速地掌握每一個(gè)LED 的照明情況。

集中控制器是系統(tǒng)控制調(diào)光的中樞部件，安裝在專用集中控制箱中；通信接口采用RS485 通信接口并具備以太網(wǎng)RJ45，通過RS485 總線傳輸控制命令，控制隧道就地單燈控制器調(diào)光節(jié)能，上行通訊連接遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器，下行實(shí)現(xiàn)隧道就地?zé)艟咧悄苷{(diào)光控制[1]。

除此之外，單燈控制系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)和第三方拓展設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和各種接入功能，在實(shí)施過程中結(jié)合照度傳感器、監(jiān)控卡口攝像機(jī)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)光，以便于集中器具備額外的透傳價(jià)值。單燈控制系統(tǒng)能夠采用拓?fù)渲徒M態(tài)相結(jié)合的方式，集中展示隧道內(nèi)配電柜中接入平臺(tái)的各類設(shè)備的參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等，對回路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測，以便于發(fā)生故障之后對其進(jìn)行有針對性的排除。

2.2 單燈控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

本次智能化改造的單燈控制系統(tǒng)是采用0-10V 調(diào)光技術(shù)的485 單燈控制器，主要應(yīng)用于隧道LED 燈的單燈的調(diào)光、狀態(tài)采集，以485通訊的形式傳遞出更完整的數(shù)字化信息。通過帶屏蔽的485 控制線傳輸方式，系統(tǒng)的抗干擾能力相對較強(qiáng)，能夠確保信號穩(wěn)定。

單燈控制系統(tǒng)在實(shí)際工作的過程中，依托智能算法還能夠檢測LED 路燈的工作狀態(tài)。一旦發(fā)生故障，整個(gè)單燈系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)告位置和故障的情況，減少維修和監(jiān)管人員的工作難度。而依托控制體系和“三遙”監(jiān)督體系，可以使現(xiàn)場的LED 隧道燈開關(guān)實(shí)現(xiàn)多樣化、動(dòng)態(tài)的聯(lián)動(dòng)，有效調(diào)節(jié)控制隧道燈的電壓、電流以及工作功率等，在收集準(zhǔn)確信號、判斷路燈照明情況等方面也具有重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。

3 單燈控制系統(tǒng)在LED 隧道照明智能化節(jié)能改造的應(yīng)用

3.1 明確初始照度

《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》有明確規(guī)定機(jī)動(dòng)車交通道路的照明設(shè)計(jì)應(yīng)該符合既定的要求，采用隧道100kM/h 時(shí)速隧道照明標(biāo)準(zhǔn)照度要求為初始照度為4.5Cd/m2。

《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》文件中有明確的規(guī)定節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[3]。當(dāng)顯色指數(shù)Ra≥65、色溫介于3500～6500K 的LED 光源用于隧道基本照明時(shí)，亮度可按照表1 所列亮度標(biāo)準(zhǔn)的50%取值，但不應(yīng)低于1Cd/m2。本次隧道照明智能化節(jié)能改造基于此，在設(shè)計(jì)過程中將現(xiàn)有的視頻高清測速及流量交通卡口的技術(shù)，且把道路車流量、隧道內(nèi)外實(shí)際亮度等各種因素考慮在內(nèi)，對隧道LED 照度進(jìn)行有針對性的調(diào)節(jié),使其初始照度超過設(shè)計(jì)規(guī)范維護(hù)照度的數(shù)值，滿足隧道亮度要求下，達(dá)到節(jié)能效果。

表1 燈具照明亮度值

3.2 功能的實(shí)現(xiàn)

隧道照明智能化節(jié)能改造采用隧道實(shí)時(shí)交通流量結(jié)合照度檢測動(dòng)態(tài)調(diào)光設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)調(diào)光策略可在定制智能照明監(jiān)控平臺(tái)上靈活設(shè)定，通過實(shí)施交通流量調(diào)節(jié)燈具亮度，可根據(jù)交通量變化、不同天氣條件、不同時(shí)間段洞外的亮度等情況及時(shí)、有效地調(diào)整照明光源指標(biāo)水平，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的節(jié)能降耗目標(biāo)。

3.2.1 隧道交通流量采用300 萬高清測速及流量交通卡口對隧道實(shí)時(shí)交通流量統(tǒng)計(jì)，在交通流量視頻平臺(tái)服務(wù)器之間增設(shè)防火墻和網(wǎng)閘，保障高速公路兩個(gè)網(wǎng)段內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，并通過調(diào)取視頻平臺(tái)服務(wù)器上隧道內(nèi)實(shí)際的車流數(shù)據(jù)來設(shè)置開關(guān)燈策略。例如，夜晚高速公路車輛少，如果夜晚時(shí)段的照度和白天相同，則會(huì)產(chǎn)生資源的浪費(fèi)。在單燈控制系統(tǒng)的支持下，可以有效降低夜晚的燈具功率，這樣不僅能夠滿足基本的照明需求，而且還提升了資源的利用效率；當(dāng)高速隧道內(nèi)發(fā)生事故造成堵車時(shí)，通過車流量數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行輸出功率的調(diào)節(jié)增加亮度和開啟照明，確保行車安全。

3.2.2 光照度感器采用RS485 接口，通信協(xié)議能兼容接入集中控制器，可計(jì)算周圍環(huán)境照度平均值；通過平臺(tái)可以監(jiān)測隧道洞內(nèi)洞外就地照度狀態(tài)。

3.2.3 智能照明監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)器是整個(gè)智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及控制管理設(shè)備的核心，可提供TCP/IP、GPRS 接入方式，在同一網(wǎng)絡(luò)的PC 上對集中器和節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制；同時(shí)，其還具有數(shù)據(jù)備份功能，可以存儲(chǔ)設(shè)備詳細(xì)信息和設(shè)備配置數(shù)據(jù)，平臺(tái)系統(tǒng)軟件采用B/S 架構(gòu)來構(gòu)建服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。照明監(jiān)控終端工作站無須安裝客戶端，可通過瀏覽器直接訪問，并能實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理分級，且應(yīng)用設(shè)置相互之間不受影響，系統(tǒng)登錄有無響應(yīng)退出機(jī)制。

照明策略可按隧道入口段、過渡段、中間段、出口段進(jìn)行分組獨(dú)立控制，并預(yù)設(shè)不同場景，根據(jù)不同場景進(jìn)行燈具亮度調(diào)節(jié)及開關(guān)控制。照明監(jiān)控平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)燈具亮度0～100%范圍內(nèi)調(diào)整以及無極調(diào)光，控制方式為以下3 種：

3.2.3.1 光感（洞外照度檢測儀）：白天通過讀取洞外光感數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)洞內(nèi)燈具亮度、設(shè)置作用時(shí)間段。

3.2.3.2 車流量（車流量檢測儀）：晚上通過車流量數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度，車流量還作用于自動(dòng)應(yīng)急（車流量數(shù)據(jù)判定為隧道內(nèi)堵車時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具全開）。

3.2.3.3 平臺(tái)軟件手動(dòng)控制：當(dāng)隧道內(nèi)有突發(fā)事件需要人為干預(yù)燈光，可通過人為操作一鍵全開、全關(guān)、調(diào)光等功能。

白天以光照度及交通流量參數(shù)為照明控制依據(jù)，晚上以時(shí)間及交通流量為控制依據(jù)；短時(shí)間光照度的變化（如車隊(duì)燈光、浮云遮日等）不作為照明控制參數(shù)（短時(shí)干擾時(shí)間可在平臺(tái)靈活設(shè)定）；照明等級要求可根據(jù)管養(yǎng)單位運(yùn)營需要分級調(diào)整。隧道內(nèi)照明按5 級照明進(jìn)行控制，具體動(dòng)作如下：

晴天：基本照明+應(yīng)急照明+加強(qiáng)一照明+加強(qiáng)二照明+加強(qiáng)三照明。

云天：基本照明+應(yīng)急照明+加強(qiáng)二照明+加強(qiáng)三照明。

陰天：基本照明+應(yīng)急照明+加強(qiáng)三照明。

重陰天（及傍晚）：基本照明+應(yīng)急照明。

夜間：基本照明+應(yīng)急照明。

最后是隧道燈狀態(tài)的監(jiān)測功能，可以有效解決運(yùn)維成本高的問題。照明監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)時(shí)查詢并記錄各燈具的電流、電壓、功率因數(shù)等狀態(tài)值，在燈具電壓電流異常情況下，平臺(tái)能自動(dòng)提示報(bào)警信息并定位至故障燈具位置，及時(shí)準(zhǔn)確對不亮的故障隧道燈進(jìn)行維護(hù)，確保其照明效果。

4 結(jié)語

把隧道實(shí)時(shí)交通流量結(jié)合照度檢測動(dòng)態(tài)調(diào)光方式的單燈控制系統(tǒng)應(yīng)用到LED 隧道照明智能化節(jié)能改造中，能夠有效控制照明設(shè)施，以此不僅可以提高隧道運(yùn)營安全水平，還實(shí)現(xiàn)了更高效、更人性化的節(jié)能減排。智能系統(tǒng)結(jié)合洞外的自然光亮度這一光源特性指標(biāo)以及時(shí)間、車流量大小、設(shè)計(jì)速度等條件來實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的照明亮度，滿足駕駛員的視覺需求。隧道照明調(diào)光的周期越短，調(diào)光的分級越多、越精細(xì)，則隧道內(nèi)調(diào)光亮度越能接近理論需求亮度，隧道內(nèi)行車的安全性也越高，隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能幅度也就越大。