高速公路隧道照明自适应智能控制系统.doc

高速公路隧道照明自适应智能控制系统引言安全、经济、环保、节能是公路工程建设追求的目标，隧道照明系统的安全性和节能性存在着此消彼长的矛盾。隧道的建成通车，在照明系统应用方面迫切需要解决两个重要的现实问题：1. 如何保障隧道行车的舒适性及安全性隧道通车后交通量较大且本工程隧道所占路线比重大，易造成驾驶员的紧张和疲劳，因此隧道内行车的舒适性及安全性显得尤为重要，如何保障隧道行车的舒适性及安全性是需要解决的首要问题。2. 隧道照明系统节能通过对隧道较多的江西、湖南、广东、福建等地隧道管理部门的调查表明，隧道照明费用已成为公路隧道运营中一笔沉重的负担，研究节能、高效、安全、维护费用低的隧道智能照明系统已显得非常重要。因此，以上述两个问题为导向，根据广东省高速公路隧道运营照明的实际问题，本文采用文献调研、理论分析、实验分析、现场测试等科学手段，对高速公路隧道照明需求与节能技术进行分析。并结合国内外隧道照明节能技术的现状和发展趋势，系统性地解决公路隧道照明节能问题。现通过电能浪费的主要因素分析，总结目前的隧道照明系统的发展现状及存在的问题，提出基于新一代照明节能系统解决方案。隧道照明电能浪费的主要因素分析洞外亮度大范围变化而洞内亮度相对固定在隧道照明系统设计时，规范要求按照夏天中午时的最大洞外亮度进行计算，并考虑足够的维护系数。但在实际运营期间，洞外亮度会随着天气、季节和时辰的不同而每时每刻变化，图1给出了明天隧道洞外亮度的变化情况。对于这种连续变化的洞外亮度，仅仅采用简单的分级调光方式照明，显示电能浪费相当巨大。夏至白天亮度曲线 冬至白天亮度曲线 早晨 中午 傍晚 图1 晴天隧道洞外亮度的变化情况图2给出了晴天分级调光系统与LED自适应智能控制系统的调光功率、能耗相对比值曲线。图中曲线以上部的面积即为浪费的电能，它是实际需求能耗的三倍以上。即使是四级调光的LED灯，其晴天的能耗也是实际需求的2倍。因此，隧道加强照明若能采用自适应智能控制系统可实现按需照明的目标。 图2 不同季节晴天隧道加强照明功率变化图灯具功率规格少隧道照明的标准标准值在待业标准中是有具体规定的。若照度大幅度地超出行业标准，则属过度照明。由于高压钠灯光源的功率规格通用型只有100、150、250、400瓦几种，而许多高速公路隧道基本照明灯具仅需40-100瓦即可，但市场上技术成熟的的高压钠灯光源并没有这些规格，因此隧道的基本照明不得不选用100瓦的高压钠灯。这使得隧道单侧开灯亮度不够，双侧开灯过渡照明现象严重。而选用LED灯具，其设计功率一般在35-70瓦之间，过度照明较钠灯要低得多，但依旧存在着过度照明。若采用智能无级控制，则可根据需要进行照明，可有效地避免过度照明。例如某条隧道基本照明灯具采用45瓦的LED灯亮度正好达到规范要求的4.5cd/，而实际设计功率一般选在60瓦，高出了33%。虽然选择了60瓦的灯，但采用自适应智能控制照明系统，即可让灯具工作在45-47瓦之间。在长期的运营过程中，当灯具亮度有所衰减时，可根据需要逐渐增加灯具功率，以确保洞内亮度始终是在规范要求之上而又不会超出太多。因此，基本照明采用自适应智能控制系统后，可节约电能50%以上。电源电压上升气体放电灯对电源电压的稳定度要求较高，一般变化在6%以内，否则能耗大幅增加，光源寿命锐减。图3为250瓦高压钠灯和200瓦的LED灯在不同电源电压下的功率曲线图。从图中可以看出，在夜晚电源电压高达250伏左右时，高压钠灯（含镇流器）的功率为378瓦，较额定值增加了40%。在这种电压下，钠灯的寿命（亮度衰减50%时的工作时间，一般额定状态下为2万小时）会大幅折减，几乎不足额定寿命的30%。这就是钠灯用于路灯时实际功耗远远超出额定功耗的主要原因，也是夜晚超点越亮的主要原因。 图3 250瓦高压钠灯和200瓦的LED灯的功率曲线图合理的照明设计科学的控制方法合理照明安全节能从图4中可以看出，LED灯的功耗几乎不随电源电压变化。这又为节能提供了相当大的空间。图4 安全节能的方法设计维护系数和冗余通常在设计灯具功率时，必须考虑一定的维护系数，以确保运营过程中充当光源亮度衰减和灯具受到污染而使亮度下降30%以上时，其照明强度依旧能够满足规范要求。在公路隧道通风照明设计规范中，维护系数取0.7.如某一隧道基本照明选用100瓦的灯具亮度刚好满足规范要求，则在实际设计时必须选用功率大于143瓦的灯具。即使选用了143瓦的灯具，也还是会有风险，因为倘若光源光效稍微差一点，就有可能造成运营一段时间后亮度低于规范要求。因此为了确保隧道照明始终能够满足规范要求，通常设计时还需要考虑一定的设计冗余。一般在1.2倍左右。上面100瓦刚好满足的灯实际的设计功率应在170瓦左右才符合要求。在实际运营期间，如果单侧开灯，则功率不够，如果双侧开灯，则过度照明现象严重，这是恒定亮度灯具的一大弊端。如果采用LED自适应智能控制系统，即可有效地防止由于设计维护系数和冗余所产生的电能浪费现象。虽然设计时可以考虑1.7倍的冗余，但在使用时，可通过控制灯具输出功率来避免过度照明。当隧道用100瓦照明刚好满足规范要求时，系统即控制灯具输出105瓦的功率。在以后的运营过程中，可根据灯具整体的光衰情况每隔1-2年调整一次输出功率，以确保隧道照明始终能够满足规范要求。如何消除这些浪费从上面的分析我们不难了解到，公路隧道照明的能耗大部分都是由于灯具亮度无法控制，没有先进的控制方式而白白浪费掉了。在公路隧道照明领域，再好的灯具，只要亮度不可控，就无法消除过度照明。因此，传统的高压钠灯是无法解决过度照明问题的。而新兴的LED光源，以其优越的性能正在得到越来越多的应用，特别是它的亮度可控性能，满足了按需照明的基本要求。LED自适应智能控制系统应用于公路隧道照明，既可起到安全通行的目的，又可起到节能降耗的目的。隧道照明自适应智能控制系统由于隧道照明中的手动控制方式与时序自动控制方式目前已经应用较为广泛和成熟，现对基于环境亮度、交通量、平均车速参数的隧道照明自适应智能控制系统进行分析。系统构成隧道照明自适应智能控制系统由监控中心计算机、控制软件、亮度检测器、车辆检测器、PLC控制器、调光控制器、配电房照明配电柜、隧道内照明灯具构成。中心控制软件安装于隧道管理监控中心，采集隧道洞口亮度环境参数、交通量参数、平均车速等，然后通过照明控制参数模型计算分析处理后，对隧道内照明的运行进行实时动态调控；PLC控制器设置于隧道现场，用来控制隧道内一定范围的照明灯具，在不进行人工干预操作时，PLC控制器可以根据预先设定的控制策略及环境参数的变化进行自动运行控制，同时可通过光纤网络与隧道管理控制中心通信。PLC控制器与调光控制器之间通过485总线通信方式来实现通信。图5 隧道照明调光控制系统结构图系统的控制与反馈过程：洞外亮度检测仪检测的环境亮度、车辆检测器检测的交通量和车速经短时交通流动态预测模型处理后上传至隧道监控中心的控制中心控制软件，中心控制软件通过隧道照明节能控制模型分析后输出照明控制指令，该控制指令通过光纤网络将下传至PLC控制器，PLC控制器解析数据包，执行相应任务，对相应的数据进行打包并通过485总线（其他通信方式也可）通信方式把控制数据传送给调光控制器，通信数据包括自适应智能控制、节点信息查询、故障诊断等信息。同时PLC控制器通过洞内亮度仪实时采集各照明段亮度，并反馈到控制中心控制软件，控制中心控制软件将反馈亮度与计算控制亮度进行比较，并对控制亮度进行响应调整。系统设置隧道光亮度检测器设置在隧道内外，如图6洞外光度检测仪隧道入口范围的亮度，方向同行车方向，距离洞口为一个设计车速停车视距，安装立柱高5米左右，测量角度为20，测量范围一般选择0-6000cd/，输出信号为4-20毫安，与光亮度成正比。此外在隧道内的入口段、过渡段、基本段、出口段分别设置一部光度检测仪检测各段亮度，测量范围0300cd/。车辆检测器一般可采用环行线圈检测器、视频检测器、超声波检测器等，在隧道入口前方一定距离布设，检测精度大于96%。图6 隧道口光照度检测器布设示意图交通参数检测设备应在隧道前方一个停车视距处布设，洞内加强段车辆检测设备布设在距洞口150米处，洞内基本段车辆检测设备布设图见图7。车辆检测设备布设要求如下（参照图7所示）：L1DsL2150m500mL31000m式中：L1表示洞外车辆检测设备布设距洞口距离；L2表示洞内加强段车辆检测设备布设距洞口距离；L3表示洞内基本段车辆检测设备布设间距；Ds表示设计车速停车视距。图7 交通参数检测设备布设调光控制器布设在隧道隧道现场（变电所），加强段按人口段灯具、过渡段、出口段灯具划分，分别连接一台调光控制器，基本段根据各类调光控制器性能（控制设备容量）设置。PLC控制器由隧道监控系统提供，但应保证每1000米范围内应设置一台PLC控制器。自适应智能控制系统策略隧道自适应动态调光控制策略基于如下研究结论：LED灯、荧光灯可以实现单灯调光，可调光范围：5-100%；高压钠灯单灯调光，目前国内技术还不够成熟，采用电效管理照明调光控制装置可实现60-100%；隧道内照明段环境亮度差小于等于5倍时，行车是安全的。即：隧道内的调光可以按小于灯具5倍的阶梯进行调光，这对人眼的适应性则等效于自适应智能控制；隧道动态调光控制策略模型采用照明节能控制模型。主要控制输入参数有洞外亮度、交通量、平均车速；洞外亮度相对于交通量、平均车速变化较为缓慢，洞外亮度采用每一照明控制指令下达时刻的洞外亮度检测值作为照明节能控制算法的洞外亮度计算参数值；根据照明系统灯具、控制器、网络系统等可靠性以及驾驶人员驾驶行为特性需要，隧道内人口加强段按20级控制（5%为一个亮度增减等级）、隧道基本段按5级控制（20%为一个等级增减亮度）、隧道出口段按5级控制（20%为一个等级增减亮度）。系统的基本功能隧道照明控制方式分为人工控制、自动控制两种。人工控制人工控制方式是通过洞外亮度、交通亮等参数制定预置控制方案。1.预置控制方案表1 预置控制方案大交通量控制方案中交通量控制方案小交通量控制方案晴天大交通量晴天中交通量晴天小交通量云天大交通量云天中交通量云天小交通量阴天大交通量阴天中交通量阴天小交通量重阴天大交通量重阴天中交通量重阴天小交通量夜间大交通量夜间中交通量夜间小交通量深夜大交通量深夜中交通量深夜小交通量2.交通量分类方法交通量指实时检测的交通量，交通量分类按照下表执行表2 交通量分类表（单位：辆/h）交通类型大交通量中交通量小交通量单向交通N2400700N2400N700双向交通N1300360N700N3603.天气判定方法（1）晴天、云天、阴天、重阴天可按照L20（S）检测参数值确定，晴天：L20（S）2000cd/,云天：2000cd/L20（S）1000cd/，阴天： 1000cd/L20（S）500 cd/，重阴天：500 cd/L20（S）200 cd/。(2)夜间、深夜由时间和L20（S）两个参数确定，夜间一般指凌晨1点之间且洞外亮度L20（S）200cd/，深夜指凌晨1点之后且洞外亮度L20（S）200 cd/。自动控制方式是按隧道照明亮度递减适应曲线进行动态照明调光控制，达到安全、舒适、高效、经济的照明效果，实现“按需照明”。照明系统控制宜采用自动控制为主、人工控制为辅的控制方式。自动控制隧道照明是为了给使用者提供一定的舒适性和安全度，保证行驶车辆以设计速度安全顺畅地接近、穿越和通过隧道。隧道照明最根本的要求是：满足司机视觉要求，满足人眼适应曲线。隧道控制的一般原理同样是：满足司机视觉要求。如图8。运营工况外部环境视觉要求照明需求控制输出图8 照明控制一般原理框图隧道照明节能控制原理，即是在一定隧道条件下，不同运营工况及外部环境条件下最优计算隧道照明需求并实时精确控制照明输出的方法。这主要包含了两个方面的内容：一是照明需求的最优化计算；二是实时精确的照明控制输出。照明需求的计算跟实际采用的隧道照明设计理论及标准有直接的关系。这直接关系到照明需求获得。而照明需求曲线是任何控制方式的控制算法策略的根本依据。这是我们采用公路隧道通风照明设计规范（JTJ026.1-1999）作为基本的控制算法编写理论依据。实时精确的照明控制输出对于节能的一般原理，如图9示（x轴时间T，y轴亮度需求L）。传统