高速公路隧道LED无极调光智能控制系统及应用

高速公路隧道LED无极调光智能控制系统及应用

Summary：中国高速公路隧道照明系统基本使用高压钠灯，造成大量电能浪费的同时，也无法做到结合使用场景的灯光亮度合理精准调控。基于此，本文提出全新的高速公路隧道照明控制系统，该系统可以做到对高速公路隧道内灯光亮度的合理调控，在确保行车安全的同时减少电能损耗，有效符合国家层面提出的节能减排目标。Keys：隧道照明；无极调光；智能控制系统；节能引言经济的飞速增长，我国高速公路的建设数量与建设规模也不断增加。据统计，截至2020年底，我国高速公路总里程达16.10万公里，其中公路隧道已达21316处。而陕西省作为全国的隧道大省，隧道数量众多，隧道照明用电消耗也成为隧道运营管理单位的一项巨大开支，同时为响应国家“双碳”政策号召，急需加大高速公路隧道LED照明节能技术研究力度。20世纪中叶，以欧洲为首的西方国家选择智能调光照明控制技术，制定了相应标准，且获得了全面的发展，促进了隧道照明的发展。对比国外，我国的隧道照明技术发展晚于国外，无完善的设计规范，一般设计按照《公路隧道设计规范》(JTJ026-90)开展。在90年代后期，为满足行车安全基本需求，贯彻安全、节能理念，开始确定灯具安装的相关方案，加大了“黑洞效应”、“白洞效应”、“灯具开启数量”几大主题的研究。本文根据多年机电工程积累经验，研发了一套高速公路隧道LED照明智能控制系统，并应用于十天高速红石河隧道和银昆高速天台山隧道机电项目。1常见的城市隧道照明控制技术1.1PLC控制技术PLC控制技术也被称为电力载波控制技术，需要在系统中安装PLC控制器、传输模块与终端感知设施。在系统运行期间，由传感器持续采集现场监测信号，由PLC控制器对现场信号进行扫描识别，然后根据用户程序扫描结果选择是否执行预先设定的特殊功能指令，经由锁存电路向外接设备输出控制指令，执行照明灯具开启、关闭等控制动作。PLC控制技术有控制方式多元化的优点，可以根据照明控制需求采取顺序控制、定时控制、环境自适应控制、闭环控制、计数控制等多种控制方式。但是PLC控制技术的控制范围有限，发出的电力载波信号受配电变压器阻隔，因此仅能在单个配电变压器区域内传播。1.2RS485总线调光控制技术RS485总线调光控制系统由单灯控制器、集中控制器、通讯总线等组成，采用照明控制信号+以太网方式远程控制隧道照明。RS485总线调光控制技术是利用传感器将隧道外亮度等参数的监测信号通过通讯总线发送给监控中心，监控中心再通过通讯总线输出直流模拟信号，调节输出光通量和输出功率照明灯具，以达到照明控制的目的。1.3DALI数字控制技术DALI（数字可寻址照明接口）是一种两线双向串行数字通信协议。DALI数字控制系统由控制主机、接收器、传感器等组成。需要在现场照明配电箱和变电站照明配电箱内安装控制器和控制主机，沿隧道铺设传感器，设置灯具上的接收器，并使用开放接口连接现场控制器和软件系统。在系统运行过程中，接收机采集现场监测信号，上传至控制主机。控制主机根据信号分析处理结果输出相应的调光控制指令，自动搜索灯具地址并发出指令。可选择单灯调光、整体调光和组调光。2传统调光控制方式及存在问题2.1传统调光控制方式隧道照明包含四个阶段：入口段、过度段、中间段、出口段，7个照明回路，4个加强照明回路，2个基本照明回路，1个应急照明回路。照明回路包含6档控制，为阴天、重阴、云天、夜间、下半夜和晴天，不同天气，会关闭部分回路，以此实现隧道内部亮度的调节。这类控制方案是利用上面所分的级别去开关预先设置好的灯具组,达到省电效果。2.2照明回路效能不同，灯具的工作时长存在很大差异一般隧道内的灯光为24h全天候开启，阴天照明灯具，白天均需要开启，晴天照明灯具则需要在洞外亮度很大时才开启，这就会导致随带内的灯具使用时长不均等，基本照明灯具满功率运行状态，长时间使用会影响灯具寿命，后期维护成本较高。分析实际情况可得知，目前电能消耗较高，多数运营管理单位选择的是白天照明，夜间统一开启基本照明回路的方式实施隧道照明供电，白天照明明显不足，晚间照明过度。3LED照明无级调光技术研究3.1LED灯具控制器调光技术分析本文选择电压控制电流源（VCCS）亮度控制方式、电阻和晶体管限流亮度控制及脉冲宽度调制亮度控制方式进行全面对比分析，考虑脉冲宽度调光精准度高、且不产生色谱偏移的情况，选择PWM脉种宽度调制亮度控制方式（PWM模式）。PWMLED亮度控制指的是借助直流电压，确保输出电压恒定，在限流电阻之后，以PWM开展晶体管控制，在单位周期内，应用导通时间，进行电流、亮度控制。该电源损耗为初级、次级整流、变压器、限流电阻、滤波、晶体管损耗等，在PWM模式调光内，通过减少LED正向导通电流的占比，实现0%-100%的自由转换，可以最优的控制亮度。3.2车辆感应照明控制早期城市隧道工程普遍采用照明灯具常亮控制模式，在隧道车流量较少或无车辆通行时，仍长时间开启照明灯具，由此产生不必要的运行能耗，而且会加快灯具老化速度、缩短灯具实际使用寿命。为实现节能减排和保障交通安全的目标，需要在城市隧道工程中应用车辆检测、灯光调光等技术搭建车辆感应照明控制系统。车辆感应照明控制系统由车辆检测器、照明控制器与主控制器组成，需要在隧道入口前端及出口部位安装多组车辆检测器，其中，第一组检测器用于预检车流量，第二组检测器用于系统控制，剩余两组检测器用于确定隧道内车辆是否正常驶离。在系统运行期间，如果前两组检测器未发现车辆，则关闭隧道内部分照明灯具、调低隧道环境总体照度；如果检测车辆即将驶入隧道，或车流量增多，则开启多数或全部照明灯具，以确保隧道内环境照度满足相关要求。考虑到车辆感应照明控制系统在运行期间可能出现检测器漏检、隧道内车辆违停与紧急停车、车流量变化幅度过大等情况，需要在系统中设立特殊情况控制模块，导入面对各类突发状况的应急处置预案，以保障交通安全和照明系统稳定运行。例如，面对检测器漏检问题，需要在系统增设自检查功能，如果在规定时间内未发现车辆驶离隧道或计数器因同时经过多辆车辆而出现负数，则自动清零计数值；对于短时间大车流量问题，系统需要在检测到车流量超过一定标准时自动切换至大车流量控制模式，在一段时间内保持照明系统固定运行状态，等到车流量减小后，再恢复感应照明状态，避免因照明灯具频繁启闭而出现运行故障。3.3隧道LED照明无极调光控制分析隧道智能照明控制系统由监控室隧道监控工作站及隧道现场PLC，照明调光控制柜、各照明配电回路、亮度检测器、RS485总线、LED隧道智能灯具组成，具体为无级调光控制柜通过加强照明调光控制线传输无级调光控制信号(DC0-1Ov数字电压信号）控制LED灯输出电流，达到无级别功率控制，实现对分组灯具或全体灯具的数字无极调光，并且可以通过调光控制线向无极调光控制柜回传各照明回路实时工作状态。LED智能隧道灯包含LED隧道灯和一体式集成智能调光电源，以实现智能照明控制系统，隧道智能照明控制系统操作平台须嵌入隧道综合管理平台，作为隧道智能控制系统综合管理半台的一个子系统，除了可以实现照度、亮度等无级自动调节、减少“斑马效应”、消除安全隐患、消除“黑洞”“白洞”现象外。子系统还要有数据采集、情景设置、开关控制、调光控制、远程监控和查询、智能运行、报警处置等功能。公路隧道LED灯无级调光控制分为人工无级调光控制法、实时无级调光控制法、时序无级调光控制法。人工无级调光控制法的控制优先级最高，实时无级调光控制法控制优先极次之，时序无级调光控制法控制优先级最低。在隧道洞外入口设置亮度检测器，人工无极调光控制是通过隧道照明监控软件完成，公路隧道管理人员可根据本路段交通量、平均车速等实际情况，修改隧道入口段亮度折减系数（K）,以此实现基于洞外亮度L20(S)、交通量和平均车速的动态无极调光控制。实时控制状态下，根据实测的公路隧道洞外亮度L20(S)，实时调节LED灯照明亮度，以满足驾驶员适应公路隧道内外亮度差异的需要（入口段亮度折减系数k值一旦确定便不再频繁变化，公路隧道管理人员可根据交通量，平均车速进行修正）。调节洞内照明亮度时，应考虑适当的时间延迟、以避免在临界状态下过于频繁的转换，延迟时间取5-1Omin为宜；当无级调光控制器发生故障时，LED灯应全部开启到最大程度；当公路隧道火情确认无误时，无论照明现状如何，在照明控制系统没有失效的前提下，应将公路隧道内所有照明灯具全部开启。无级调光控制柜需接入亮度检测器和车辆检测器信息。洞外亮度检测器在各隧道入口设置，洞内亮度检测器在隧道内8-12m处设置。微波车辆检测器需布设在距隧道入口3-10km处。无级调光控制柜将从车检器位置至隧道入口所需的行车时间作为一个周期查询车检器的车辆统计数据，即一个周期内通过的车辆绝对数，并结合洞外亮度信息计算后按照以下规范要求调节洞内照明亮度。3.3.1隧道白昼照明调光应满足下列要求：1、加强照明应根据洞外亮度和交通量变化，进行入口段、过渡段和出口段的调光方案设计，可按表1进行取值及调光组合。表1加强照明调光分级分

级亮度（cd/m2）交通量N（veh/（h·ln））单向交通双向交通夏季晴天ⅠL20(S)≤350≤180Ⅱ350＜N＜1200180＜N＜650Ⅲ≥1200≥650其他季节晴天/夏季云天Ⅳ0.5L20(S)≤350≤180Ⅴ350＜N＜1200180＜N＜650Ⅵ≥1200≥650其他季节云天/夏季阴天Ⅶ0.25L20(S)≤350≤180Ⅷ350＜N＜1200180＜N＜650Ⅸ≥1200≥650其他季节阴天/重阴天Ⅹ0.13L20(S)≤350≤180XI350＜N＜1200180＜N＜650XII≥1200≥6502、夜间隧道照明运营调光应满足以下要求：1）夜间应关闭隧道入口段、过渡段和出口段的加强照明灯具。2）长度小于等于500米且设有自发光诱导设置和定向反光轮廓标的高速公路和一级公路隧道，夜间可关闭全部灯具。3）长度小于等于1000米且设有定向反光轮廓标的二级公路隧道，夜间可关闭全部灯具。4）公路设有照明时，其路段上的隧道夜间照明亮度应与道路亮度水平一致；公路未设置照明时，高速公路和一级公路隧道夜间照明亮度可取1.0cd/m2，二级公路隧道夜间照明亮度可取0.5cd/m2。5）单向交通隧道夜间交通量不大于350veh(h·ln)、双向交通隧道夜间交通量不大于180veh(h·ln)时，可只开启应急照明灯具。洞外亮度检测器将检测到的隧道洞外亮度信号转换为4﹣20mA标准信号传送至调光控制柜内，洞外亮度检测器信息不再接入PLC，由无级调光控制柜上传监控室；微波车辆检测器则需上传两路信息，一路通过无线传输至无级调光控制柜，另一路由RJ45口传输至就近以太网交换机,RS-485信号传送至监控系统管理机并将信号反馈至照明调光控制器。设置于隧道内的隧道智能照明系统控制器根据洞内外亮度及车流量信息，分别计算出入口各段加强照明和基本照明相应地调光功率，再将其分别转为DC0～5V或DC0～10V的直流模拟信号输出，去控制加强照明灯具和基本照明灯具的输出功率，而灯具输出功率的变化，又会引起灯具输出光通量发生变化，从而达到控制被照场所亮度的目的。设于监控中心的管理机通过以太网光端机与现场的隧道智能照明系统控制器实现通讯。管理机利用无级调光监控管理软件，实现相关参数的设定、指令下达、实时信号读取和储存。结束语本文对LED照明无级调光控制系统进行整体设计，提出控制方案，并成功应用于十天高速红石河隧道和银昆高速天台山隧道机电项目，经过实践证明，本课题研究成果可保证在提高公路隧道行车安全和舒适的基础上，降低隧道照明电能的运营能耗达到40%～60%，对于高速公路隧道的照明节能控制，具有重要的参考应用价值。Reference[1]符敏杰.浅谈高速公路隧道照明调控系统[J].中国交通信息化,2021(05):137-138+140.[2]朱凯,丁浩.矩形大断面沉管隧道照明环境分析研究[J].公路交通技