高速公路隧道照明自适应智能控制系统

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。

合理的照明设计科学的控制方法

合理照明

安全节能

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；