高速公路隧道照明智能控制技術(shù)

李云龍

（中國鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司云南高速公路運(yùn)營管理總部，云南昆明 650100）

0 引言

在進(jìn)入隧道時，司機(jī)會在視覺上遇到一些問題：在白天隧道外面的光線要比隧道內(nèi)好很多，司機(jī)突然駛?cè)胍粭l長長的隧道時會發(fā)現(xiàn)前面一片黑暗，這是因為從明亮的環(huán)境進(jìn)入昏暗的環(huán)境時眼睛要先適應(yīng)一段時間才能看到里面的景象，這段適應(yīng)時間會對行車安全形成很大的威脅。為了讓司機(jī)更好地適應(yīng)隧道內(nèi)的環(huán)境，必須在隧道中設(shè)置燈光照明、完善隧道中道路的照明條件，以確保隧道內(nèi)的交通暢通和安全[1]。

1 隧道照明智能控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

目前，時序控制系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于隧道工程照明系統(tǒng)中的方法，它主要是通過不同線路的增減來實現(xiàn)隧道內(nèi)部照明設(shè)備工作的數(shù)量。該方法具有簡單易行、安全可靠的特點，但由于沒有充分考慮到車速對照度、車流量等外在因素對于隧道內(nèi)部光照條件變換的影響，而且由于天氣條件不斷變換，對隧道內(nèi)的照明系統(tǒng)也會產(chǎn)生不利影響。它不能充分滿足隧道的燈光需求，而且能源消耗較大。隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的迅速發(fā)展，LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）光源因其節(jié)能高效的優(yōu)點在隧道內(nèi)的應(yīng)用日益廣泛。LED 照明具有壽命長、可靠性高、低功耗等優(yōu)勢，符合綠色節(jié)能環(huán)保的特點。

隧道照明智能化控制系統(tǒng)包括監(jiān)控中心主控計算機(jī)、LED隧道照明智能化控制器、數(shù)據(jù)通信接口等。該系統(tǒng)采用場地傳感器對隧道內(nèi)外部照度值、車速以及車流量等進(jìn)行實時監(jiān)測，并把資料傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。主控計算機(jī)則根據(jù)所設(shè)置的光線調(diào)控邏輯，計算出每個隧道、不同區(qū)段目前的亮度參數(shù)，并將其通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個隧道的LED 照明控制器，發(fā)布光線調(diào)節(jié)指令。

隧道照明控制器根據(jù)預(yù)定的照明控制策略，采集汽車探測器和光電探測器的檢測信號，實現(xiàn)隧道內(nèi)全部的燈光控制。該系統(tǒng)的控制策略是，在平常沒有車輛進(jìn)入的情況下，只在隧道內(nèi)部開啟相應(yīng)的基本照明，這取決于探測到的洞室和外部的光強(qiáng)差值；在檢測到有汽車進(jìn)入通道的時候，打開隧道入口的增強(qiáng)燈；當(dāng)探測到車輛駛?cè)胨淼篮?，在車輛前方一定范圍內(nèi)增加燈光；如果發(fā)現(xiàn)后方?jīng)]有其他車輛跟隨，就會關(guān)掉后方的增強(qiáng)燈，并且降低基礎(chǔ)燈光的亮度。同時，通過測量到的光強(qiáng)度，可以判斷出白天、夜晚以及晴天、陰天等時間段的數(shù)值，使對應(yīng)的燈光亮起或熄滅[2]。

隧道的照明設(shè)備控制系統(tǒng)會根據(jù)不同隧道的屬性進(jìn)行控制點的設(shè)置，首先是隧道入口處的控制，然后是隧道過渡區(qū)域的照明控制，最后是出口區(qū)域的照明控制。隧道照明控制器基于接收到的亮度調(diào)節(jié)指令，通過PWM 模式的占空比自動調(diào)節(jié)照明設(shè)備輸出電流，來改變發(fā)光二極管的亮度和運(yùn)行狀況。主控電腦采用照度傳感器，實時監(jiān)控當(dāng)前的隧道照度，判斷當(dāng)前的照度是否達(dá)到了要求，如果達(dá)不到要求，則對隧道內(nèi)的照明進(jìn)行新的控制，從而達(dá)到控制隧道內(nèi)部亮度的目的。

為了確保行車的安全，在調(diào)整隧道的照明時，調(diào)光系統(tǒng)該方法通過逐步漸進(jìn)的漸變亮度控制方式，使物體的亮度逐漸降低，從而有效地防止了因亮度變化引起的不安全問題。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)單一的單光源或局部光的群控，而且還能根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，對其進(jìn)行調(diào)整，從而節(jié)省大量的電力，并能有效地減少運(yùn)行費(fèi)用。

2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，通信方式可以選擇Zigbee 無線方式、RS-485 總線或CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線等多種通信方式，與LED 光源智能接收控制器的接口形式相適應(yīng)。圖1 為LED 隧道照明的智能化控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

利用RS-485 或CAN 總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，必須特別注重線路敷設(shè)施工工藝，在LED 燈的供電線路和數(shù)據(jù)傳輸總線平行布置時，會產(chǎn)生高電壓的脈沖耦合。而Zigbee 則是一種以IEEE802.15.4 為基礎(chǔ)的新型短程無線通信技術(shù)，它可以很好地解決上述問題，特別適用于對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的、分散的多個測量節(jié)點。該系統(tǒng)采用配置Zigbee 模塊的隧道照明智能控制器，實現(xiàn)Zigbee 組網(wǎng)（圖2）。

圖2 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)照明控制示意

與舞臺燈光要求的快速變換相比，隧道燈光的亮度變化比較慢。在選擇通信協(xié)議時，采用DALI 數(shù)字可尋址照明接口協(xié)議最為適合。

（1）DALI 是一種用于照明控制裝置間數(shù)據(jù)通信的接口，其最大特征是可以獨(dú)立地定位和控制系統(tǒng)中的LED 燈，雖然它們在強(qiáng)電流方面屬于相同或不同的回路，但是它們與強(qiáng)電線路沒有直接的關(guān)系。這使控制系統(tǒng)具有很大的靈活性，可以按要求設(shè)計出符合規(guī)定的燈光方案，即使在安裝完畢后也可以在不改變線路的情況下調(diào)整控制參數(shù)。

（2）DALI 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分簡單，具有較少的功能模塊，還具有易于安裝、易于調(diào)試等特點，能夠完成很多由回路控制的智能照明控制系統(tǒng)所不具備的功能。

（3）DALI 技術(shù)是一種雙向通信技術(shù)，既能發(fā)出控制命令又能實時地反映LED 燈控制器和光源的運(yùn)行狀況和故障情況，為交通運(yùn)輸?shù)娜粘＿\(yùn)行、維修、統(tǒng)一管理提供方便。

（4）DALI 協(xié)議是基于DALI 數(shù)字照明的控制技術(shù)，具有明顯的優(yōu)越性，包括精確的控制效果、技術(shù)的規(guī)范化和優(yōu)秀的開放性等，使DALI 在照明控制方面得到快速的發(fā)展和進(jìn)步?，F(xiàn)階段隧道照明系統(tǒng)中的硬件及軟件均由DALI 協(xié)議發(fā)展而來[3]。

3 LED 隧道燈智能控制單元

隧道照明系統(tǒng)中的核心設(shè)備是LED 燈源設(shè)施，而控制LED燈源的控制系統(tǒng)是核心系統(tǒng)的大腦，他通過各種傳感器元件和電子系統(tǒng)對LED 燈源進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，進(jìn)而進(jìn)行燈光調(diào)節(jié)。例如，一塊晶片的額定電流是350 mA，通過對流經(jīng)LED 的電流進(jìn)行控制，可以控制它的發(fā)光強(qiáng)度?？梢允褂孟铝袃煞N方式來控制電流：

（1）在0～350 mA 的范圍內(nèi)，通過斬波調(diào)相可以實現(xiàn)持續(xù)的調(diào)整，但是這種方法需要對開關(guān)電源進(jìn)行再設(shè)計，在LED 生產(chǎn)廠商電源眾多的情況下，其具有非常查的適用性，很難實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

（2）以各個生產(chǎn)廠商的LED 照明電源的額定輸出電流為參考，利用PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）對電源的平均輸出電流進(jìn)行控制，達(dá)到了調(diào)光的目的。該系統(tǒng)的LED 調(diào)光控制器采用PWM 調(diào)制，強(qiáng)度可在0～256 級范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在光源電源與LED 模塊間進(jìn)行連接，不依賴于光源本身的供電，可按需控制多達(dá)6 個LED 模塊。由于不需要更換原光源的電源結(jié)構(gòu)，由此可見其具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在各種環(huán)境下均能穩(wěn)定發(fā)揮作用。

LED 燈生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)針對其自身的特點，采取串并聯(lián)的方式，將LED 燈組裝為一個或多個組件，在各個組件內(nèi)部采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，組件之間并聯(lián)。LED 燈智能控制器根據(jù)所收到的控制指令，對各模塊進(jìn)行PWM 調(diào)制，從而達(dá)到聯(lián)合調(diào)光或分組調(diào)光的目的。

在選用PWM 調(diào)制頻率時，要注意LED 燈具與其他光源之間存在的差異。隧道中一般除了LED 燈還會加裝熒光燈或高壓鈉燈等，如果調(diào)制頻率過低則會在不同頻率下出現(xiàn)明顯的頻閃現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時會給隧道內(nèi)的通行帶來很大危害；但如果PWM 調(diào)制頻率太高，則會增加開關(guān)的損耗，使功率變得更高，減少能源使用。大量的實驗表明，PWM 調(diào)制信號的頻率在2～10 kHz比較適宜，而本文所選用的調(diào)制頻率是6 kHz。

LED 智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為高功率的開關(guān)元件，其中包括IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）、晶閘管、大功率MOS 管、可控硅等。IGBT 及晶閘管主要應(yīng)用在大電流環(huán)境中，可控硅操控簡易，有豐富成熟的技術(shù)，但工作頻率較低，不適合應(yīng)用于PWM 調(diào)制的工作，因此可選用大功率MOS 管作為部件。

通過分析大功率MOS 器件的故障類型，發(fā)現(xiàn)超過90%以上的MOS 設(shè)備都是斷開的，為保證照明控制系統(tǒng)的安全可靠，該開關(guān)設(shè)備可以采取旁路的方法，使大部分的故障發(fā)生時LED 燈仍然能夠處于完全發(fā)光狀態(tài)，以確保隧道中的行車安全[4]。MOS為Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 的縮寫，即金氧半場效晶體管。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著科技的飛速進(jìn)步，LED 照明系統(tǒng)和控制技術(shù)以其優(yōu)越的性能，將越來越多地應(yīng)用于隧道照明領(lǐng)域。本文詳細(xì)探討了高速公路隧道照明智能控制技術(shù)，為改善隧道運(yùn)行效果、減少運(yùn)營費(fèi)用、保證行車安全、推動高速公路行業(yè)的長期發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。