隧道灯光控制.doc

公路隧道作为公路的一个特殊路段，其管状结构决定了洞内外亮度相差悬殊，具有污染严重、噪声大等缺点，降低了道路的通行能力，威胁到车辆的行车安全。为了提高这一瓶颈路段的通行能力，确保行车安全，需要科学设置灯光照明系统1。隧道照明与普通道路照明有着很大的不同，最大体现在白天也要照明，而且白天照明比夜间照明更加复杂。汽车驾驶员在白天从明亮的环境接近、进入和通过隧道的过程中，将发生种种特殊的视觉问题：进入隧道前，由于隧道内外亮度差别极大，从隧道外部去看照明很不充分的隧道，入口处会看到一个“黑洞”;汽车由明亮的外部进入隧道后，由于亮度的急剧变化，会出现视觉“适应的滞后现象”;在隧道出口处，出现极强的眩光，产生一个很亮的洞口，降低驾驶员的可见度。因此，隧道照明必须解决好驾驶员进入隧道的视觉适应问题。目前，隧道照明设计者依据规范通常把隧道分为入口段、过渡段、中间段和出口段等四个段来设计照明。各段的长度和照度是从全年行车安全要求出发，对洞内最大照度的设计是以全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定隧道内各段的灯具功率和灯具分布密度2，无法实现对照明的按需和实时控制。在灯具使用上，高压钠灯具有寿命长、光效好、透雾性强等特点因而被普遍使用，新型节能灯具因技术和成本等原因还没有被推广。以上这种传统的照明设计存在着大量电能的浪费问题，本文即是针对当前隧道照明能源浪费的问题，在节能调光控制算法、控制系统的构建展开研究，以期最大限度地实现隧道照明的节能。1 照明节能调光控制算法算法原理：依据交通量及洞外亮度建立洞内亮度理论需求曲线，然后根据洞内亮度理论需求曲线进行灯具的动态调光控制。整个照明控制输出接近平滑曲线，可以快速响应跟踪照明需求曲线，得到最优的控制效果并能够达到节能的目的。根据公路隧道通风照明设计规范(JTJ026.1 -1999)，隧道照明设计分为以下几个区段：入口段、过渡段、中间段、出口段，如图一所示。因此自动控制算法中进行隧道照明理论需求曲线L 的计算采用分段方式进行，将计算结果输出到控制接口。入口段、中间段、出口段为亮度需求直线，相应灯具为整体256 级对数调光，对数调光曲线利用了人眼对低照度光比较敏感的特点，使整个调光区域看起来都像是线性调节。过渡段为亮度需求曲线，相应灯具为单256 级对数调光。自动控制算法通常采用时间触发条件，每510min 重新读取洞外亮度、交通量等参数，重新进行照明需求计算13870686989(1) 入口段亮度需求Lth(cd/m2)Lth=kL20 （1）式（1）中：k折减系数；L20洞外亮度，(cd/m2 )3。式中的k 值可根据公路隧道通风照明设计规范(JTJ026.11999) 确定，中间值可用插值法计算，见表一。表一不同交通量和行车速度时折减系数值(2) 中间段亮度需求Lin(cd/m2)中间段亮度Lin 见表二，用插值法计算不同交通量和计算行车速度时的中间段亮度Lin 值。表二不同交通量和行车速度时中间段亮度值式（2）中：x过渡段上点到过渡段起点的距离(m) ；Dtr过渡段长度(m) ；v 平均车速(m/s) ；Dtr 过渡段计算终点长度(m)。(4) 出口段亮度需求Lot (cd/m2 )32 照明节能仿真系统方案设计传统的隧道照明为实现各段的合理照明，按晴天、云天、阴天、重阴天加强照明和全日基本照明、白日基本照明、全日基本应急照明七种模式控制4，控制方式过于简单，无法根据室外环境照度、交通流量、隧道内车辆行驶速度等参数实现照明的自适应控制，照明效果不佳，电能浪费严重。隧道照明节能智能控制系统在传统照明的基础上加入智能控制环节，将模糊控制技术应用到隧道照明系统的设计中，使整个隧道通风照明能自动适应车速、车流量和洞外环境气象等影响因素的变化，减少不需要的照明浪费。在灯具上使用大功率LED 灯取代现阶段广泛使用的高压钠灯，真正实现了绿色照明。近年来，大功率LED 照明有不断取代高压钠灯等常规照明设备的趋势，它具有以下优点：(1)高效。同等亮度条件下使用LED 照明耗能仅为白炽灯的10%，荧光灯的50%。(2)寿命长。LED 理论使用寿命为100000 小时，是荧光灯的10 倍，白炽灯的100 倍。(3) 易调光控制。LED 在调光性能上具有巨大的优势，可实现数字调光，尤其适合在隧道照明等需要调光的特殊场合。在本仿真系统中，模型灯具采用白光LED，每个LED 功率为1W，LED 正向导通电压为3.5V，最亮时平均电流为350mA，LED 调光控制是通过上位机发送调光信息产生PWM 脉冲来实现的。2.1 仿真隧道模型及灯具布置仿真隧道分为入口段、过渡段、基本段和出口段，总长10m，隧道高1m，包含了一个完整隧道的基本部分。按照公路隧道通风照明设计规范的要求对各个照明段的长度进行计算，得到各段的长度为：入口段80cm，过渡段200cm，基本段670cm，出口段50cm。灯具对称布置，两边每隔20cm 等间距排列。2.2 系统整体设计隧道照明控制通过上位机和本地控制器共同控制实现。上位机的照明控制有手动和自动两种控制模式，手动控制的优先权大于自动控制的优先权。手动方式是由操作人员自行指定上位机的输出结果;自动方式是上位机根据接收到的传感器信息，包括隧道口亮度、隧道内亮度、隧道口车速、隧道口车流量，通过照明控制程序计算输出各个照明回路的逻辑控制数据, 并通过RS485 总线传到隧道各段本地控制器中。控制器根据上位机的控制数据开启或者关闭相应的子回路，从而控制照明回路的照明。系统整体结构如图二所示。本地控制器主要完成以下功能：收集本段区域内检测设备检测的信息，包括光强传感器和车辆传感器等； 对收集的信息进行预处理并存储在本地的存储单元内； 将本地控制内处理好的信息数据上传给监控计算机； 接收监控计算机各种控制命令，并将控制命令和设备运行状态比较后，对功率控制模块发出相应的控制命令。2.3 系统控制流程系统主程序流程如图三所示。首先系统上电初始化各个模块，启动各处传感器模块，采集车辆及洞内外亮度信息，并将信息通过RS485 总线传输到监控计算机，判断系统是否处于本地控制器手动控制状态，如果是在手动控制状态(系统出现故障或检修维护)，则程序结束，由手动控制面板实现照明回路的控制；否则下一步检测隧道状态是否正常，不正常，则报警，并且调用特殊状态程序；正常则下一步检测总线通信是否正常，正常则调用远程监控计算机控制程序，否则调用本地控制器基本控制程序，然后输出回路控制命令。利用触摸屏显示隧道状态信息，同时将本地隧道状态信息发送给监控计算机。3 结束语隧道照明在交通照明中占据了很大比重，在全球都为节能减排而讨论对策的背景下，研究隧道照明节能系统有着非常重要的意义。本文在参考公路隧道通风照明设计规范的基础上改进传统的道路隧道照明，得出适合驾驶员视觉要求的隧道照明节能控制算法，充分应用LED 照明灯具的节能优势，利用计算机和智能控制器展开隧道照明的自适应节能控制研究，可操作性强。经实验室仿真验证，具有良好的节能效果。截至2007年底，全国隧道共4673座，同比增长38.75%，隧道全长2555.5公里，同比增长23.36%，而公路全长358.37万公里，同比增长3.67%，隧道的增长速度远大于公路的增长速度，隧道工程已成为公路发展的重要组成部分，通过隧道工程可以有效地保护环境、减少征地，并使公路向大山延伸，但由于隧道地理分布的特点，使得在隧道上建设有线网络的成本大、维护成本高而被放弃，由此公路管理部门想要实时监控隧道内部各项指标的实时数据，以及合理的控制照明设施的开与关，由于缺乏通讯网络而不能实现，近几年随着GPRS网络的迅猛发展，以及利用GPRS网络开展的远程数据采集与监控的工程化应用逐渐成熟，使得GPRS网络可有效的解决隧道相关设备接入网络的要求。 通过无线GPRS网络，监控中心可实时监控隧道内各项指标数据，一旦数据出现异常，监控中心以声光方式发出报警信息，提示监控人员要迅速安排处理，使得对隧道设施的检修工作由“巡检制”变为“值班制”，可极大减轻维修人员劳动强度，提高检修效率，同时利用GPRS无线通讯网络,监控人员只需在电脑前即可完成照明设施的开关灯动作，以及合理调整照明设施的开关灯时间，不必为了调整时间而安排人员专程去现场，既有效的节约了电能，又提高了工作效率，同时加强了公路管理部门的信息化、网络化、自动化的建设。 系统概况 GPRS灯光集中监控系统是由北京嘉复欣科技有限公司推出的新一代城市道路照明管理系统。系统采用先进的智能控制技术、灯光节能技术、无线通讯技术、GIS技术、远程视频技术、大屏幕技术等。为城市安全照明、功能照明和景观照明管理提供稳定可靠、方便、高效、节能的综合管理系统。 监控管理软件组成 包括操作系统与数据库软件、照明监控系统应用软件、照明监控地理信息系统（GIS）、照明生产管理系统、远程实时查询模块、远程抄表和自动用电统计模块、短消息报警模块、卫星自动校时(GPS)软件模块等。 实现功能 1. 系统实现“三遥”功能：遥控、遥测、遥信； 2. 采用时控法控制方式进行照明控制，实现预约控制和分时控制。可设置多套时间方案以实现对路灯设备灵活的控制方式 3. 可以预设时间方案的自动控制开关灯和手动实时控制开关灯 4. 具有设备分组功能，可按路段或按区域对设备进行分组，从而实现分组控制。 5. 自动巡测、手动巡测和选测（8路继电器状态、三相电压、12路电流、有关功功率、无功功率、功率因数及各种数字状态量等数据量的采集）； 6. 报警处理。报警内容包括：白天亮灯、晚上熄灯、配电箱门开关不正常打开、电压、电流越限和供电线路停电等故障；当报警发生时，系统能及时地向指定手机用户发送报警信息。 7. 支持单灯检测，能对线路内每一盏灯的工作状态进行检测，当路灯发生故障的时候系统能实时检测到，并能向指定手机用户发出报警信息； 8. 支持手机用户通过短信对路灯进行开关灯操作或预设开关灯时间方案； 9. 支持智能手机通过无线互联网接入系统进行开关灯操作和设备状态查询； 10. 自动计算亮灯率。能根据电压、电流、功率因数的变化自动进行亮灯率估算； 11. 查询打印功能。根据年、月、日统计数据进行查询，显示的数据均可打印； 12. 安全管理。采用多级操作口令和自动密码保护； 13. 具有历史纪录（用电量、负荷曲线、视频记录等）查询统计功能； 14. 支持多种组网及通讯方案选择，可支持GPRS无线通信方式、以太网通信方式、光纤通信方式； 15. 系统容量：1个主站，9999个分控点，规模可灵活配置；也可构成网络化控制 监控终端组成 监控终端硬件系统由RTU智能控制器、LCD本地显示控制器、GPRS DTU远程数据传输模块三部分组成。主要用以实现对现场电量进行测控和采集工作,并通过DTU把现场的电量信息和报警信息即时传送到景观灯监控管理中心。 实现功能 1. 遥测：三相电压检测、12路电流检测、有功功率和功率因数检测、2路变送器接口（可接测光照、温度等） 2. 遥控：6路继电器输出，触点为交流220V12A，每路各有一组常开和常闭