高速隧道照明系统

石太高速照明系统的

设计与节能

摘要：石太高速公路北线是石家庄到太原的第二条高速，也是国家高速公路网京昆高速的石太段。因为山西多山所以隧道必不可免。近些年，随着我国高速公路的迅速发展，大量以桥隧为主的高速公路里程也逐年增加，公路隧道照明系统作为保证车辆安全通行的同时也使得隧道照明运营开支居高不下。近年来，LED以其低能耗高效率的特点，在照明行业正得到广泛的应用，从显示器背光照明到景观照明再到日常照明，覆盖范围越来越大。作为光源，LED的优势体现在三个方面：节能、环保和长寿命。LED不依靠灯丝发热来发光，能量转换效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，相比荧光灯，LED也可以达到50%节能效果。研究如何在基于交通流量、行车速度、可视度、驾驶员视觉特性基础上，实现对LED灯具合理的智能照明无

级控制，这对提高隧道照明质量，降低能耗与隧道运营成本，营造安全舒适的隧道行车环境，具有重要的意义。

关键词：高速；隧道；LED；节能

隧道的设计

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5～10min 重新读取洞外亮度、交通量等参数，重新进行照明需求计算

2 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：①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；②对收集的信息进行预处理并存储在本地的存储单元内；③将本地控制内处理好的信息数据上传给监控计算机；④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。

隧道照明的节能

问题的提出

一、现有隧道照明控制模式设计，在实际运行中存在相当大的电能浪费。

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，其中过渡段有两个，分别设计在中间段前后。各段的长度和照度（lx）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。能够实现照明自动控制的非常有限，通常因线路布线回路的限制，只能做到2、3级人工或自动控制，对于如天气、车速、车流量等参数只是在设计阶段给予以最大值考虑，最终各段照明的长度和照度也始终是处于最大值状态。对于天气、车速、车流量等时变参数无法从宏观上对整个隧道的照明进行自适应方式调制。因此，目前这种传统设计与使用的隧道照明系统存在着大量电能浪费问题。

二、现有隧道照明控制营运中节能与安全的矛盾突出。

营运者为了节省电费，往往都不采用自动控制，因为现有的自动控制没有涉及天气和车流量等实时变化因素。实际上营运者采用手动控制