高速公路隧道LED 照明無極調(diào)光智能控制系統(tǒng)及應(yīng)用

劉曉娜 張麗娜

（陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710000）

近年來，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)，我國(guó)高速公路的建設(shè)數(shù)量與建設(shè)規(guī)模也不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020 年底，我國(guó)高速公路總里程達(dá)16.10 萬公里，其中公路隧道已達(dá)21316 處。而陜西省作為全國(guó)的隧道大省，隧道數(shù)量眾多，隧道照明用電消耗也成為隧道運(yùn)營(yíng)管理單位的一項(xiàng)巨大開支，同時(shí)為響應(yīng)國(guó)家“雙碳”政策號(hào)召，急需加大高速公路隧道LED 照明節(jié)能技術(shù)研究力度。20 世紀(jì)中葉，以歐洲為首的西方國(guó)家選擇智能調(diào)光照明控制技術(shù)，制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，且獲得了全面的發(fā)展，促進(jìn)了隧道照明的發(fā)展。對(duì)比國(guó)外，我國(guó)的隧道照明技術(shù)發(fā)展晚于國(guó)外，無完善的設(shè)計(jì)規(guī)范，一般設(shè)計(jì)按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026-90)開展。在90 年代后期，為滿足行車安全基本需求，貫徹安全、節(jié)能理念，開始確定燈具安裝的相關(guān)方案，加大了“黑洞效應(yīng)”、“白洞效應(yīng)”、“燈具開啟數(shù)量”幾大主題的研究。本文根據(jù)多年機(jī)電工程積累經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了一套高速公路隧道LED 照明智能控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于十天高速紅石河隧道機(jī)電工程。

1 高速公路隧道照明調(diào)光控制方式

1.1 傳統(tǒng)調(diào)光控制方式及存在問題

1.1.1 傳統(tǒng)調(diào)光控制方式

隧道照明包含五個(gè)階段：入口段I、入口段II、過度段、中間段、出口段，7 個(gè)照明回路，4 個(gè)加強(qiáng)照明回路，2個(gè)基本照明回路，1 個(gè)應(yīng)急照明回路。照明回路包含6 檔控制，為陰天、重陰、云天、夜間、下半夜和晴天，不同天氣，會(huì)關(guān)閉部分回路，以此實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部亮度的調(diào)節(jié)。這類控制方案是利用上面所分的級(jí)別去開關(guān)預(yù)先設(shè)置好的燈具組, 達(dá)到省電效果。

1.1.2 存在問題

1.1.2.1 在燈具功率設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到光源亮度衰減及光效差別，總會(huì)設(shè)計(jì)一定的維護(hù)系數(shù)和設(shè)計(jì)冗余，基于此，維護(hù)系數(shù)、設(shè)計(jì)冗余引發(fā)的過渡照明現(xiàn)象，回路控制模式也無法將其解決。

1.1.2.2 回路控制能夠促使隧道照明階躍，回路數(shù)量與階躍成反比，前者越少，后者越高，不同階段的持續(xù)時(shí)間，洞內(nèi)照明、洞外亮度的擬合效果較差。

1.1.2.3 回路控制在節(jié)能運(yùn)行期間，需將部分回路關(guān)閉，難以實(shí)現(xiàn)照度均勻，極易加劇駕駛員視覺上的疲勞度，增加不安全度。

1.1.2.4 照明回路效能不同，燈具的工作時(shí)長(zhǎng)存在很大差異，一般隧道內(nèi)的燈光為24h 全天候開啟，陰天照明燈具，白天均需要開啟，晴天照明燈具則需要在洞外亮度很大時(shí)才開啟，這就會(huì)導(dǎo)致隨帶內(nèi)的燈具使用時(shí)長(zhǎng)不均等，基本照明燈具杜偉滿功率運(yùn)行狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)影響燈具壽命，后期維護(hù)成本較高。分析實(shí)際情況可得知，目前電能消耗較高，多數(shù)運(yùn)營(yíng)管理單位選擇的是白天照明，夜間統(tǒng)一開啟基本照明回路的方式實(shí)施隧道照明供電，白天照明明顯不足，晚間照明過度。

1.2 LED 隧道燈調(diào)光控制方式分析

LED 照明調(diào)光模式選擇的控制方式包括：（1）無級(jí)調(diào)光方式、（2）燈群組、（3）燈管陣列。（2）與（3）本質(zhì)上是借助類似分級(jí)控制，亮度分級(jí)調(diào)節(jié)數(shù)量限制是有其控制原理決定的，但系統(tǒng)難度較大，很難實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)不同區(qū)域亮度的平穩(wěn)過渡，容易存在暗區(qū)，產(chǎn)生斑馬效應(yīng)。無級(jí)調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)256 級(jí)調(diào)光，通過十天高速紅石河隧道機(jī)電工程實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)調(diào)光級(jí)數(shù)多，調(diào)光范圍廣，通過跟蹤洞外亮度，能夠有效吻合曲線，更好的適應(yīng)人眼需求，極大的提高了隧道內(nèi)照明的均勻度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，控制上更加具有靈活性。上述分析對(duì)比可得知，本課題選擇的是LED 照明無級(jí)調(diào)光控制方案。

2 LED 照明無級(jí)調(diào)光技術(shù)研究

2.1 LED 燈具控制器調(diào)光技術(shù)分析

本文選擇電壓控制電流源（VCCS）亮度控制方式、電阻和晶體管限流亮度控制及脈沖寬度調(diào)制亮度控制方式進(jìn)行全面對(duì)比分析，考慮脈沖寬度調(diào)光精準(zhǔn)度高、且不產(chǎn)生色譜偏移的情況，選擇PWM 脈種寬度調(diào)制亮度控制方式（PWM 模式）。PWMLED 亮度控制指的是借助直流電壓，確保輸出電壓恒定，在限流電阻之后，以PWM 開展晶體管控制，在單位周期內(nèi)，應(yīng)用導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)行電流、亮度控制（如圖1 所示）。該電源損耗為初級(jí)、次級(jí)整流、變壓器、限流電阻、濾波、晶體管損耗等，在PWM 模式調(diào)光內(nèi)，通過減少LED 正向?qū)娏鞯恼急?，?shí)現(xiàn)0%-100%的自由轉(zhuǎn)換，可以最優(yōu)的控制亮度。

圖1 PWM 模式的LED 亮度控制

2.2 控制信號(hào)傳輸方式

本課題傳輸方式為PWM 脈沖調(diào)光控制信號(hào)，這類傳輸方式的抗干擾性較強(qiáng)，且線路簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離控制，控制器的負(fù)載量較大。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離PWM 數(shù)字信號(hào)傳輸，在設(shè)計(jì)PWM 調(diào)光控制器時(shí)，可通過將調(diào)光控制器輸出電流增加，提升PWM 頻率，確保信號(hào)輸出穩(wěn)定性的方式，保障信號(hào)可靠。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果，PWM頻率能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸，一般最遠(yuǎn)的傳輸距離為2公里，2 公里以上傳輸，需要信號(hào)放大器的支持。當(dāng)前，高速路多選擇的PWM 調(diào)光方式，常規(guī)控制距離為1.5 公里，以此同時(shí)，選擇的PWM 數(shù)字傳輸控制信號(hào)，就當(dāng)下燈具的編址等并未提出特別的要求，多種規(guī)格的燈具，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)調(diào)光。

3 LED 照明無級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

亮度檢測(cè)器、主控制器、調(diào)光控制器、燈具控制器、照明燈具和控制總線幾部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)工作原理

亮度采集器將采集的洞外照度值等信息傳遞給主控制器，主控制器結(jié)合接收的照度數(shù)值，計(jì)算出LED 隧道燈的亮度值，不同位置亮度值不同，洞內(nèi)與洞外亮度值差異大，可實(shí)現(xiàn)亮度的平穩(wěn)過渡，確保駕駛員自然視覺環(huán)境良好，主控制器計(jì)算出來的亮度值，可形成調(diào)光指令，借助控制總線，能夠傳輸給調(diào)控控制器，在指令的控制下，可以實(shí)現(xiàn)0-100%功率無級(jí)調(diào)光。

4 LED 照明無級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)方案及應(yīng)用

洞外、洞內(nèi)的亮度檢測(cè)裝置能夠檢測(cè)隧道內(nèi)、隧道外的亮度信號(hào)，可及時(shí)傳輸給主控制器，結(jié)合亮度信號(hào)，主控制器可依據(jù)內(nèi)置控制略表，實(shí)施相應(yīng)的控制，并將信號(hào)傳輸?shù)秸{(diào)光控制器節(jié)點(diǎn)上，經(jīng)過調(diào)光控制器數(shù)據(jù)處理，輸出PWM 數(shù)字信號(hào)，并將其傳遞到燈具控制器內(nèi)。燈具控制器直接控制LED 燈上的電流，隨著電流變化，輸出電流均值變化，使得LED 燈輸出光流量也隨之變化，從而達(dá)到隧道照明亮度調(diào)節(jié)的目的。

結(jié)合十天高速紅石河隧道機(jī)電工程實(shí)踐，為確保系統(tǒng)可控與穩(wěn)定，課題組針對(duì)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了重點(diǎn)考慮：

(1)電壓損耗可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制，確保其長(zhǎng)距離輸送，可選擇PWM 數(shù)字控制信號(hào)的方式，在一段距離的傳輸之后，進(jìn)行壓降測(cè)量，結(jié)合實(shí)際，逐步增加信號(hào)放大器。紅石河隧道總長(zhǎng)為2.7 公里，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸效果，本課題選擇的是控制器中間布設(shè)的方法，在隧道中間放置調(diào)控控制器，實(shí)現(xiàn)中間朝兩端控制的方式，具體控制電路設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 調(diào)光控制器布設(shè)圖

(2)即便是在斷電、故障（如：傳感器、電源故障）情況下，無法輸入進(jìn)而影響輸出，燈具無控制信號(hào)輸入，電壓則為0，此時(shí)，隧道內(nèi)的照明會(huì)低于應(yīng)急照明標(biāo)準(zhǔn)，或者是無照明，這無疑會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的行車安全造成影響。基于此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，必須要明確，輸入電壓為0 的情況下，隧道內(nèi)的燈具均為最大亮度，燈具的最小亮度必須大于額定亮度的10.0%。這樣的設(shè)置主要是為了確保在系統(tǒng)故障的情況，應(yīng)急電源能夠正常開展工作，隧道內(nèi)保持照明，以此維護(hù)駕駛員的安全行車。

結(jié)束語

本文對(duì)LED 照明無級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，提出控制方案，并成功應(yīng)用于十天高速紅石河隧道機(jī)電工程，經(jīng)過實(shí)踐證明，本課題研究成果可保證在提高公路隧道行車安全和舒適的基礎(chǔ)上，降低隧道照明電能的運(yùn)營(yíng)能耗達(dá)到40%～60%，對(duì)于高速公路隧道的照明節(jié)能控制，具有重要的參考應(yīng)用價(jià)值。