陳榮

基于隧道照明的特點與燈具設(shè)置的要求，文章介紹了現(xiàn)行隧道照明智能控制系統(tǒng)方案，并分析了不同的隧道照明智能調(diào)光應(yīng)用方法。

隧道照明;智能控制;照明系統(tǒng);調(diào)光

0?引言

在公路隧道的運營中，照明屬于連續(xù)性負(fù)荷。為保證隧道的安全運營，需全天候進(jìn)行供電，其費用占日常運營費用的很大一部分。目前我國公路隧道在不斷進(jìn)行節(jié)能改造，隧道照明設(shè)計也不斷地創(chuàng)新和優(yōu)化，所以通過選用節(jié)能燈具以及結(jié)合運用現(xiàn)代信息化手段，探究開發(fā)智能照明調(diào)光系統(tǒng)很有必要，這不僅能保證隧道的運營安全，而且能達(dá)到理想的節(jié)能效果。

1?隧道照明特點及要求

隧道是高速公路的特殊結(jié)構(gòu)物，其特殊性決定了隧道照明要求的特殊性。隧道運營過程中在不同的狀況下對照度的需求也不盡相同，對隧道照明進(jìn)行智能化控制，不僅能獲得良好的照明體驗，還能達(dá)到良好的節(jié)能效果。由于隧道的特殊環(huán)境及特殊要求，也對隧道照明設(shè)計提出了較高的要求。設(shè)置普通照明和加強照明來統(tǒng)一進(jìn)行開關(guān)控制，難以滿足隧道運行過程中不同狀況下對照度的需求，需要根據(jù)隧道的特點進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和智能化控制。

1.1?隧道照明的特性

隧道多位于山區(qū)或丘陵等地形復(fù)雜的地帶，常見的隧道結(jié)構(gòu)多為全封閉型，不能借助自然光照，全部依靠照明燈具光照。隧道數(shù)量多且長，對隧道燈具照明分開處理勢必會增加更多的資金、設(shè)備投入和管理成本，因此對其進(jìn)行集中智能化控制就顯得尤為重要。要在滿足通行照度需求的同時，設(shè)計智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對隧道燈具的集中控制，實時監(jiān)測燈具的照明狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障燈具并迅速維護(hù)和檢修，避免因燈具照明原因?qū)е峦ㄐ惺鹿省?/p>

1.2?燈具設(shè)置的原則

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》，規(guī)定了隧道照明設(shè)置的具體要求，隧道照明不同段區(qū)對照明的需求也不一樣。隧道的長度、車流量、洞外日照光強等都會影響燈具的設(shè)置。

同時隧道燈具安裝受隧道結(jié)構(gòu)及其運行特性的影響，每一個隧道燈具的設(shè)備也不盡相同，或單一鈉燈，或單一LED燈，或兩種進(jìn)行相結(jié)合。

1.2.1?入口段照明

隧道入口段是連接洞外道路的區(qū)段。為了防止車輛由自然光照下駛?cè)胨淼罆r不至于有太大的光照對比，此段有著較高的照度要求，應(yīng)防止車輛駛?cè)胨淼罆r因為光照太弱出現(xiàn)“黑洞”效果。

1.2.2?過渡段照明

隧道過渡段指的是隧道入口段至中間段的區(qū)域。這部分路段應(yīng)有一個光照的逐漸降低趨勢，幫助駕駛員快速適應(yīng)隧道內(nèi)的照明環(huán)境，使眼睛有一個較好的視覺狀態(tài)。可設(shè)置適量的燈具來調(diào)節(jié)光照度，適當(dāng)減少到中間段這一區(qū)域的燈具照明數(shù)量。

1.2.3?中間段照明

這是隧道內(nèi)的主要照明路段，完全依靠燈具照明來實現(xiàn)，沒有對自然光和燈具調(diào)光適應(yīng)的要求，通常根據(jù)車流量、眩光、通風(fēng)等情況進(jìn)行設(shè)計和調(diào)整照度。

1.2.4?出口段照明

隧道出口段和入口段有相類似的情況，燈具的照度需求要適當(dāng)增大，防止因車輛駛出隧道時產(chǎn)生“白洞”效果，導(dǎo)致意外事故發(fā)生。

2?隧道照明智能化控制分析

隧道照明具有燈具數(shù)量多、管理區(qū)域長、維護(hù)難度大的特點。隧道照明與行車安全及隧道防災(zāi)救援等密切相關(guān)，需要較高的可靠性和穩(wěn)定性，集中控制中心管理人員必須及時掌握燈具狀態(tài)。在信息化、智能化迅速發(fā)展的今天，采用照明智能控制系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，會大大增加隧道安全運營的可靠性。現(xiàn)行照明智能控制系統(tǒng)主要包括回路控制方案和調(diào)光控制方案，下面依次進(jìn)行介紹。

2.1?隧道照明設(shè)計及智能控制系統(tǒng)

隧道照明智能控制系統(tǒng)綜合考慮隧道內(nèi)的車流量、天氣、行車速度以及隧道長度等多種因素，實現(xiàn)智能的光源調(diào)控，不僅能滿足任何情境下行車對照度的需求，還能達(dá)到較好的節(jié)能效果。智能照明控制系統(tǒng)能實現(xiàn)對照度的連續(xù)調(diào)光，不再僅僅依靠時間控制和光敏開關(guān)來調(diào)節(jié)照度，而是通過光度計對洞外照度的采集來實時監(jiān)測洞外實際照度變化，從而實現(xiàn)對照明燈具的實時調(diào)節(jié)，滿足不同天氣、不同車流、不同車速、不同隧道路況等狀態(tài)下的照明要求，實現(xiàn)隧道內(nèi)照度與隧道外照度的和諧統(tǒng)一，防止在隧道出入口出現(xiàn)“黑洞”或“白洞”效果，確保了車輛通行安全。

2.2?回路控制方案

回路控制型照明智能控制系統(tǒng)主要依靠主控制器、工控機、顯示器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集中器等來對隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行分組控制，實現(xiàn)實時的狀態(tài)監(jiān)控、時控和遙控?；芈房刂菩椭悄苷彰骺刂葡到y(tǒng)依靠總線或通信接口形式，通過開關(guān)控制器對燈具回路進(jìn)行啟停控制，達(dá)到亮度和節(jié)能要求。該系統(tǒng)借助分時段控制和數(shù)模轉(zhuǎn)換器能進(jìn)行照明自主控制，但不能實現(xiàn)無極調(diào)光，也不能滿足隧道調(diào)光需求。但其集成化、模塊化的控制模式較為便捷，而且連接設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，投資成本不太高。

2.3?調(diào)光控制方案

LED燈、無極燈等新型高效節(jié)能燈具在隧道照明應(yīng)用中的普及和推廣，為照明智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)無極調(diào)光創(chuàng)造了條件，不同類型的調(diào)光控制方案可以根據(jù)工程實際情況進(jìn)行科學(xué)的選擇。當(dāng)前應(yīng)用較多的方案包括脈沖寬度調(diào)制方案、0～10 V/1～10 V方案、數(shù)字式可尋址方案、CAN總線方案、RS-485接口方案、DMX512方案等。其中脈沖寬度調(diào)制方案和0～10 V/1～10 V方案在隧道智能照明控制系統(tǒng)中使用頻率較高。脈沖寬度調(diào)制方案對于隧道條件差、控制點數(shù)多的環(huán)境較易適用，與0～10 V/1～10 V方案相比更便于遠(yuǎn)距離傳輸。

2.3.1?脈沖寬度調(diào)制方案

脈沖寬度調(diào)制方案的原理是通過軟件對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)對電流的控制。采用這種調(diào)制方案是利用開關(guān)元器件通斷來實現(xiàn)調(diào)光的目的，不僅調(diào)光的精確度較高，而且沒有色譜偏差。同時，高頻狀態(tài)下即使脈沖占空比在信號傳輸過程中丟失，也不會對調(diào)光效果造成影響，有著較高的容錯性，適合環(huán)境要求較高的調(diào)光控制需要。

2.3.2?0～10 V/1～10 V方案

該調(diào)光方案的原理也是通過電壓變化來改變電源輸出電流來實現(xiàn)調(diào)光的目的，只是使用的調(diào)光器不同，不具備燈具關(guān)閉功能，但具有模擬量調(diào)光、線性調(diào)光、直觀控制的特點，在特低電壓狀態(tài)下也能確保其安全。但傳輸距離較遠(yuǎn)時要加裝中繼模塊。

上述兩種調(diào)光方案調(diào)試便捷，成本不高，能根據(jù)需要進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，更好地滿足隧道照明大范圍、遠(yuǎn)距離和統(tǒng)一調(diào)光的需求。

3?照明智能控制應(yīng)用方法分析

3.1?PWM調(diào)光控制

PWM調(diào)光控制是通過專用接口驅(qū)動器根據(jù)占空比對輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)以實現(xiàn)對亮度進(jìn)行控制的照明智能控制方法。這種方法不僅成本較低，而且能實現(xiàn)回路調(diào)光、單燈調(diào)光和無級調(diào)光。其缺點是：如在一個長隧道中采取單燈控制則需要數(shù)量很大的區(qū)域控制器，安裝位置選擇受限，而且有較大的線路鋪設(shè)任務(wù)，使前期施工和投入運營后的維護(hù)難度都大大增加，不利于后期運營的管理。

3.2?DALI總線

采用DALI總線控制，燈具的DALI電源地址會接收系統(tǒng)指令從而做出調(diào)光、回傳參數(shù)等相關(guān)反應(yīng)。因為一個DALI控制器能控制60多套燈具，不僅大大降低了DALI控制器數(shù)量，而且增大了調(diào)光范圍，實現(xiàn)了無極調(diào)光。但若在隧道照明中利用DALI總線控制，因為隧道中的燈具數(shù)量龐大，需要的控制器也相對較多，且DALI燈具和控制器價格有些昂貴，通信速度不快且線路鋪設(shè)的任務(wù)也很大，因此，建設(shè)成本也大大提高，同樣也對后期的維護(hù)成本造成影響。

3.3?RS485總線

采用RS485總線傳輸信號，通過燈具上的電源驅(qū)動接收的指令，作出調(diào)光、回傳參數(shù)等相關(guān)反應(yīng)，該技術(shù)已經(jīng)較為成熟。如隧道供配電中的開關(guān)柜，利用電力監(jiān)控主機和485總線進(jìn)行控制，但也僅是控制隧道的燈具回路，并沒有自動調(diào)節(jié)功能。RS485單根總線通信距離能達(dá)到1 km，還可以利用中繼器最多能達(dá)到10 km的距離，具有較高的通信速率。如在長隧道中設(shè)置RS485總線進(jìn)行調(diào)光控制，配合環(huán)境檢測等儀器組合，可以實時調(diào)節(jié)，滿足不同天氣、不同車流、不同車速、不同隧道路況等狀態(tài)下的照明要求。不足之處是還需要研究開發(fā)對接RS485信號的燈具，而且現(xiàn)場總線鋪設(shè)任務(wù)較重。

3.4?電力載波（PLC）

電力載波主要是通過電力電纜傳遞數(shù)字信號，通過燈具電源驅(qū)動地址接收的控制模塊命令，實現(xiàn)對燈具的調(diào)光和各類參數(shù)的回傳。這種方式不需要重新鋪設(shè)控制線路，可利用現(xiàn)有電纜實現(xiàn)對燈具的光照進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少了線路敷設(shè)成本。PLC的缺陷是通信速率不高，受電網(wǎng)噪聲和脈沖噪聲的干擾較大，對電網(wǎng)環(huán)境有著較高的要求。再加上PLC不能跨變壓器，要添加一些區(qū)域控制器，在每個隧道配電房內(nèi)設(shè)置分控制器才能進(jìn)行集中控制，使其應(yīng)用范圍受到一定限制。

3.5?組合控制系統(tǒng)

當(dāng)前除了上述智能控制方式外，一些更加成熟的組合方式不斷地開始應(yīng)用。如DALI燈具系統(tǒng)+RS485總線組合、PWM調(diào)光+PLC傳輸組合、照明智能主控器及其他配件組合等。通過有效的組合方式更好地實現(xiàn)了對隧道照明的智能化控制，這不僅能較好地滿足車輛通行的照明需求，也能最大程度地降低投資成本和節(jié)約電力能源損耗。如上分析，DALI燈具系統(tǒng)現(xiàn)在還沒有普及且價格較貴，與其組合的建設(shè)成本較高，不建議在現(xiàn)階段使用，可待技術(shù)成熟后再進(jìn)行優(yōu)化組合。在山區(qū)隧道中，如崇左至靖西高速公路這樣橋隧比例較高的公路，隧道照明設(shè)計的要求也相對比較高。雖然現(xiàn)在提倡用LED燈具進(jìn)行設(shè)計，但由于山區(qū)霧氣大，可利用鈉燈穿透性強的特點，在一些長隧道中設(shè)置鈉燈與LED燈相結(jié)合的燈具設(shè)計方式。如果設(shè)計智能調(diào)光照明系統(tǒng)，應(yīng)考慮到隧道出入口加強燈，并考慮到加強回路的控制方式。

崇靖高速公路上已運營的那嶺隧道長度為2 623 m，隧道照明系統(tǒng)設(shè)計為鈉燈+LED燈的組合模式，現(xiàn)在的調(diào)光模式為線圈+照明智能主控器（PWM）+無極燈具+加強回路控制，即從有車進(jìn)入隧道到開出，照明智能主控器（PWM）控制無極燈具自動調(diào)亮到設(shè)置的亮度;無車在隧道內(nèi)時，隧道保持暗亮狀態(tài)，以此達(dá)到行車安全和節(jié)能的目的，加強燈不進(jìn)行控制。此調(diào)光系統(tǒng)的缺點是不能實時根據(jù)環(huán)境的變化而自動對隧道燈具回路進(jìn)行控制。如在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上與隧道外光強儀器組合起來，再與電力監(jiān)控主控制器進(jìn)行回路控制，就可以根據(jù)實時的環(huán)境光度進(jìn)行隧道照明控制。所以利用線圈（或微波）+照明智能主控器（PWM調(diào)光控制）+無極燈具+加強回路控制+電力監(jiān)控+環(huán)境光檢測儀器的組合模式，在現(xiàn)階段內(nèi)，可以說是非常合適的。環(huán)境光檢測儀器采集環(huán)境光數(shù)據(jù)發(fā)送到加強回路控制與電力監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行回路控制，優(yōu)化入口加強燈的光照強度，達(dá)到自然過渡的模式。采用線圈（或微波）檢測車輛存在數(shù)據(jù)，發(fā)送到明智能主控器（PWM調(diào)光控制）進(jìn)行無極調(diào)光，達(dá)到節(jié)能的目的。

4?結(jié)語

隧道照明直接影響著行車安全、成本投入和電力能耗，照明控制系統(tǒng)的優(yōu)劣也直接影響隧道的照明和節(jié)能效果。相關(guān)人員需要不斷地研究創(chuàng)新來優(yōu)化智能化控制系統(tǒng)，以最先進(jìn)的控制技術(shù)和設(shè)備來控制隧道照明系統(tǒng)，增強隧道照明的功能和節(jié)能效果，為交通運輸行業(yè)創(chuàng)造更大的價值。

[1]馬緒榮，陳公增.公路隧道中LED照明技術(shù)的應(yīng)用[J].筑路機械與施工機械化，2018，35（9）：119-123，147.

[2]陳忠良.高速公路LED照明智能控制與綜合節(jié)能技術(shù)應(yīng)用探討[J].中國交通信息化，2018（2）：132-135.

[3]沈逸才.隧道照明智能調(diào)光控制方案的探討[J].現(xiàn)代建筑電氣，2017，8（3）：44-47.