基于數(shù)模融合方案的隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要：針對傳統(tǒng)高速公路隧道回路調(diào)光控制方案存在的不足，文章從多角度對傳統(tǒng)方案進行優(yōu)化，提出了“分布式數(shù)字+模擬融合”的隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)建設(shè)方案，并通過試點工程驗證了該方案的可行性，有效解決了傳統(tǒng)方案中施工成本高、系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性不足等問題。

關(guān)鍵詞：高速公路隧道；照明調(diào)光控制系統(tǒng)；回路調(diào)光控制；數(shù)模融合

中圖分類號：U453.7 A 28 092 4

0 引言

近年來，隨著高速公路機電設(shè)備的不斷發(fā)展升級，隧道機電設(shè)備用電呈幾何倍數(shù)增長，隧道照明涉及的用電量更是占據(jù)隧道機電用電量的首位。因此，合理設(shè)計與管控隧道照明設(shè)施，進而有效地降低隧道用電量是交通“節(jié)能減排”的重要一環(huán)。

當前國內(nèi)高速公路隧道照明系統(tǒng)多在設(shè)計階段就已引入節(jié)能型LED燈具以及隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)，調(diào)光系統(tǒng)經(jīng)常采用的是0～ 10 V（或0～ 5 V）回路調(diào)光方案，在原理上屬于模擬量調(diào)光。這類調(diào)光系統(tǒng)由于模擬量調(diào)光信號傳輸不適合長距離、大數(shù)量設(shè)備的控制，可能會增加模擬量中繼器，而增加中繼器后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性又會出現(xiàn)問題；同時因為調(diào)光線路較長，會造成系統(tǒng)整體施工成本高、難度大。因此需要設(shè)計一套更為穩(wěn)定、可靠且經(jīng)濟實惠的隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)。

1 公路隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

當前國內(nèi)外隧道大多采用回路照明調(diào)光控制方案，如圖1所示?；芈氛{(diào)光方案由照明主控箱輸出多路0～ 10 V（或0～ 5 V）模擬量總線信號，每路調(diào)光總線與該回路燈具的調(diào)光線T接，通過調(diào)整總線電壓實現(xiàn)調(diào)整燈具亮度的目的。一般情況下隧道會分為入口加強段、過渡段、基本段、出口加強段等不同的照明段，隧道調(diào)光控制系統(tǒng)將根據(jù)洞外亮度值及駛?cè)胨淼儡囕v情況結(jié)合預(yù)置好的隧道亮度值，對每個照明段獨立進行控制。

在近年高速公路建設(shè)及運營管理過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)回路調(diào)光方案存在以下問題：

（1）在前期建設(shè)過程中，需要敷設(shè)多條的回路調(diào)光控制線來實現(xiàn)對多個回路的控制，投入線纜物料及人工成本較高，施工及調(diào)試工藝較為復(fù)雜，而且在后期運營管理階段維護起來不方便。

（2）由于調(diào)光總線線路過長造成線材電阻阻值變大，或總線內(nèi)T接燈具數(shù)量過多，為了實現(xiàn)調(diào)光操作，必須增加模擬量中繼器，才能使每段總線的負載在合理范圍內(nèi)。

（3）模擬量中繼器雖然在標定負載下輸入輸出比例近似相同，但在重負載和輕負載情況下輸入輸出比例偏差很大。如重負載情況下輸出電壓略低于輸入、輕負載情況下輸出電壓略高于輸入，而且在多級中繼情況下，這種偏差由于多級放大，偏差可能進一步增大，甚至造成后級燈具無法調(diào)控的情況。

（4）由于所有照明段燈具都是串聯(lián)接入調(diào)光線，任意一段出現(xiàn)調(diào)光總線故障、中繼器故障或設(shè)備停電，都會造成整條調(diào)光總線故障，從而增加故障率和故障影響和范圍。

2 基于數(shù)模融合方案的隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)

為有效解決上述問題，本文提出了一種分布式數(shù)字+模擬融合方案的隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)——各回路分別獨立控制，且數(shù)字部分（數(shù)據(jù)通信）采用LoRa數(shù)字無線通信技術(shù)，模擬部分（模擬量調(diào)光）采用0～ 10 V（或0～ 5 V）模擬量總線控制。

分布式數(shù)模融合隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)主要包含以下設(shè)備：調(diào)光控制器、智能網(wǎng)關(guān)、洞內(nèi)/外亮度檢測儀以及車輛檢測雷達。相較于傳統(tǒng)隧道照明控制系統(tǒng)所有照明回路調(diào)光控制線纜均從變電所照明控制箱引出，本系統(tǒng)將智能網(wǎng)關(guān)設(shè)置在變電所內(nèi)的照明控制箱內(nèi)，調(diào)光控制器設(shè)置在各照明回路附近的照明分控箱內(nèi)，照明回路調(diào)光控制線纜根據(jù)照明段從就近的照明分控箱內(nèi)引出，燈具調(diào)光輸入端在回路范圍內(nèi)進行接口并聯(lián)連接，每個回路單獨連接一個調(diào)光控制器。調(diào)光控制器、洞內(nèi)/外的亮度檢測器以及車輛檢測雷達與智能網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)通信均采用LoRa數(shù)字無線通信技術(shù)進行組網(wǎng)通信，有效減少了施工過程中調(diào)光線纜、數(shù)據(jù)線纜敷設(shè)的物料及人工成本，而且各分控箱獨立運行互不干擾，降低了后續(xù)故障影響范圍，便于故障排查以及后期維護。具體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 LoRa數(shù)字無線通信技術(shù)簡介

分布式數(shù)字+模擬融合隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)采用LoRa無線通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)信息組網(wǎng)互傳。LoRa是一種低功耗局域網(wǎng)無線標準，與其他無線通信方式相比，其在同樣的功耗條件下傳播的距離更遠，通信距離比傳統(tǒng)的無線通信方式擴大3～5倍。LoRa技術(shù)因低功耗、通信距離遠等性能優(yōu)勢，成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的理想選擇。LoRa技術(shù)主要有以下優(yōu)點：

（1）低功耗。休眠電流低至 0.2 μA，發(fā)射/接受電流均為毫安級。

（2）低成本。LoRa工作在LPWAN免牌照的頻段中，因此LoRaWAN的鏈路建設(shè)成本低，可自由部署。

（3）遠距離傳輸。LoRa技術(shù)采用線性調(diào)頻擴調(diào)制技術(shù)，LoRa信道點對點理論通信距離 10 km，隧道內(nèi)實測超過 1.5 km。

（4）系統(tǒng)容量大。LoRa技術(shù)為解決并行接收和處理多個節(jié)點數(shù)據(jù)同時進行問題，在調(diào)頻擴調(diào)制技術(shù)上研發(fā)了集中器／網(wǎng)關(guān)，從而擴大了系統(tǒng)容量。

（5）抗干擾性強。基于調(diào)頻技術(shù)和偽隨機碼序列進行頻移鍵控，促使載波頻率的不斷跳變從而擴展了頻譜，解決了定頻干擾的問題。可同一時刻使用相同的頻率發(fā)送不同擴頻序列的終端，且無干擾現(xiàn)象［1］。

由于高速公路隧道長度較長且整體結(jié)構(gòu)呈管狀，為實現(xiàn)多組處于不同位置的機電設(shè)備通信、組網(wǎng)以及信息共享，且滿足隧道內(nèi)遠距離通信要求，本系統(tǒng)設(shè)計采用LoRa無線組網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)相較于傳統(tǒng)隧道采用光纜通信的方案，既節(jié)省了光纜敷設(shè)的工程實施成本，又減少了可能出現(xiàn)的潛在故障點，且LoRa通信技術(shù)具有工業(yè)級數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，對比傳統(tǒng)的WiFi和ZigBee無線通信，其低功耗長距離通信的特點更加適合高速公路隧道現(xiàn)場環(huán)境下的窄帶數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要工作原理：洞外亮度檢測器及車輛檢測雷達將實時采集到的洞內(nèi)/外亮度值以及車輛通過信息，經(jīng)LoRa通信傳遞至智能網(wǎng)關(guān)；智能網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)通過隧道監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸至位于隧道監(jiān)控中心的智能隧道照明控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合洞內(nèi)/外亮度數(shù)值以及車輛通過信息，根據(jù)預(yù)置算法計算出隧道內(nèi)各照明段應(yīng)該達到的亮度值，并將亮度值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LED燈具的驅(qū)動參數(shù)，然后將具體的調(diào)光控制指令下發(fā)至智能網(wǎng)關(guān)；智能網(wǎng)關(guān)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將接收到的指令，分別發(fā)送至各調(diào)光分控箱中的調(diào)光控制器，各調(diào)光控制器根據(jù)指令輸出模擬量電壓控制信號，調(diào)光控制線將控制信號輸入LED燈具電源的調(diào)光控制接入端，實現(xiàn)對LED燈具運行功率進行調(diào)控，進而實現(xiàn)對隧道內(nèi)亮度的調(diào)節(jié)。

2.3 軟件架構(gòu)

本調(diào)光控制系統(tǒng)在隧道監(jiān)控中心設(shè)置了一套智能隧道照明控制系統(tǒng)平臺，該系統(tǒng)根據(jù)隧道運營管理中常用控制及能耗監(jiān)控需求進行開發(fā)，可以實現(xiàn)隧道照明系統(tǒng)燈具運行功率控制、回路遠程通斷控制、用電狀況及異常檢測，有效提升了隧道照明系統(tǒng)的管控效率和智能化水平。該系統(tǒng)主要分為3個模塊：系統(tǒng)監(jiān)控、統(tǒng)計報表、系統(tǒng)及賬戶管理。

（1）系統(tǒng)監(jiān)控模塊主要功能是對照明系統(tǒng)實施運行數(shù)據(jù)監(jiān)測，各照明段控制狀態(tài)及控制方式切換，照明控制系統(tǒng)各設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測及故障分析。

（2）統(tǒng)計報表模塊主要功能是電能參數(shù)統(tǒng)計，包括電壓、電流、有功功率、消耗電能等，可為使用者提供電能分析報表。

（3）系統(tǒng)及賬戶管理主要功能是設(shè)置系統(tǒng)默認參數(shù)、設(shè)備基礎(chǔ)信息、用戶ID增加與刪除，權(quán)限設(shè)置等系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 試點項目及效果分析

本文以桂平至來賓高速公路（桂來路）馬鞍山隧道智能化照明控制系統(tǒng)節(jié)能改造項目作為試點工程。此次隧道照明節(jié)能改造包括隧道照明亮度設(shè)計、照明控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、改造施工等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了從設(shè)計到施工的隧道照明系統(tǒng)一體化改造。

3.1 試點改造項目概況

桂來路馬鞍山隧道為單洞三車道分離式隧道，隧道凈寬為 14.5 m，凈高為 5 m，其中左洞（武宣往桂平方向）長為 2 873 m，右洞（桂平往武宣方向）長為 2 889 m。隧道原設(shè)計限速為 80 km/h。隧道照明系統(tǒng)原設(shè)計采用高壓鈉燈加LED燈組合的配置模式，照明系統(tǒng)分為入口段、過渡段1、過渡段2、中間段、出口段，其中入口段照明設(shè)計亮度為 178.10 cd/m2，中間段照明設(shè)計亮度為 8.13 cd/m2，隧道加強段按晴天、云天、陰天和重陰天（及傍晚）進行四級照明控制。

本項目結(jié)合隧道現(xiàn)場及實際運行情況，對馬鞍山隧道的照明系統(tǒng)進行升級改造。隧道設(shè)計限速經(jīng)交警論證后已提速至 100 km/h。根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細則》（JTG/T D70/2-01-2014），洞外亮度根據(jù)隧道兩端入口情況取值 3 500 cd/m2進而計算出入口加強1段照明設(shè)計亮度為 157.5 cd/m2，中間段照明設(shè)計亮度為 3.5 cd/m2，改造后隧道增加分布式數(shù)字+模擬融合隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)。具體控制實施方案如圖3所示。

隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)具體調(diào)控方案如下：

（1）有車通過時：左右側(cè)加強段、過渡段、基本段跟隨自然光調(diào)整，自然光照度越強，加強段、過渡段、基本段燈具越亮，反之亦然。

（2）無車通過時：左右側(cè)加強段、過渡段、基本段30%亮度。

3.2 項目改造成效分析

經(jīng)過本次智能化隧道照明控制系統(tǒng)節(jié)能改造后，在工程造價節(jié)約、施工難度降低、工期減少、整體光環(huán)境、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、光跟隨調(diào)控及節(jié)約電能方面都達到了預(yù)期的效果。具體成效如下：

（1）在節(jié)約工程造價方面，新增隧道照明調(diào)光系統(tǒng)采用分布式數(shù)模融合調(diào)光系統(tǒng)，比傳統(tǒng)回路調(diào)光系統(tǒng)方案，可節(jié)省調(diào)光電纜 12 390 m（節(jié)省比例約45%），節(jié)省控制信號傳輸電纜 2 900 m（節(jié)省比例100%）。不僅在工程實施過程中節(jié)約物料及人工成本，降低施工難度，減少施工周期，而且在后期運營維護過程中，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性及現(xiàn)場維護的難度。

（2）在整體光環(huán)境及系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，改造后采用LED燈動態(tài)光跟隨控制，全回路燈具開啟，統(tǒng)一根據(jù)洞外亮度調(diào)節(jié)燈具亮度，使得整個隧道光環(huán)境亮度舒適且均勻性顯著提升，且在2022年11月完成改造后的1年多時間內(nèi)，調(diào)光控制系統(tǒng)也長時間保持了可靠穩(wěn)定的運行。

（3）在光跟隨調(diào)控方面，光跟隨策略通過LoRa通信網(wǎng)絡(luò)實時獲取隧道洞內(nèi)外光亮度、車輛通過與燈具控制信息，并通過策略自動控制隧道內(nèi)燈具的功率，在隧道光照滿足正常使用前提下盡可能降低用電量。通過實際監(jiān)測來賓端入口加強2段 150 W燈具工作電流，可以發(fā)現(xiàn)燈具工作電流與洞外亮度變化動態(tài)跟隨，驗證了洞內(nèi)照度隨洞外照度變化的光跟隨調(diào)控效果。具體效果如圖4所示。

（4）在節(jié)約電能方面，通過將高功耗的鈉燈更換成LED燈，優(yōu)化隧道照明系統(tǒng)設(shè)計方案，并引入隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)，隧道總用電量相對于改造前出現(xiàn)了明顯的降低。根據(jù)從隧道運營單位獲取的馬鞍山隧道2021年1月至2022年10月的隧道用電總費用清單（因馬鞍山隧道在2021年8～9月進行路面改造，10～11月進行節(jié)能改造，施工期間數(shù)據(jù)不具備參考性），截取2021年1～7月以及2022年同期電費數(shù)據(jù)進行對比，如表1所示。

根據(jù)表1可得，電費平均下降率約為40%，且由于電費包含隧道站所有用電，因此，下降率實際＞40%，改造節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種分布式數(shù)模融合隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)隧道回路調(diào)光系統(tǒng)由于環(huán)境不同、總線負載差異及調(diào)光總線串行造成系統(tǒng)可靠性差、穩(wěn)定性差、維護難等問題，并給出了具體實施方案。通過試點工程進一步驗證了方案的可行性，在新路建設(shè)、老舊隧道節(jié)能改造施工過程中有較強的推廣價值。

參考文獻

［1］陳宇翔.LoRa應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.杭州：杭州電子科技大學，2019.

收稿日期：2022-11-30