模拟与数字调光在公路隧道照明中的应用

摘要： 本文对在公路隧道照明系统中采用的模拟与数字调光的构成、功能、特性进行分析，可以为其他类似工程在选择调光技术方案时提供借鉴和参考。

关键词： 隧道照明；模拟；数字；调光

中图分类号：U459.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）04-0085-03

0 引言

随着工程建设中对节能减排的要求和意识不断提高，对隧道照明系统进行采取调光的技术已有部分项目开始运用。以前，我国公路隧道照明大部分都是采用高压钠灯作为光源，但是高压钠灯在辐射形式、显色性、视觉敏感特性、功率规格、亮度控制等方面均存在许多不足，特别是在隧道照明中，隧道内部实际的照明需求会随着洞外亮度的变化而变化，当洞外亮度较高时（如晴天、云天），隧道入口段、过渡段、出口段的照明要求很高，用于照明的电力消耗也就很高；而洞外亮度较低时（如阴天、晚上），隧道入口段、过渡段、出口段的照明要求相对较低，用于照明的电力消耗随之降低，因此洞外亮度对隧道照明的成本有着至关重要的影响。

虽然高压钠灯的电子镇流器可以设计成调光镇流器，通过各种传感器，调节输入到电子镇流器控制工作频率的直流电平，改变工作频率，调整输出功率，达到调光目的，但这种方式的调光的调节范围、实际节能效率都有很大的局限，同时对灯管寿命也有较大的影响，因此从实用上说是不大可能的。

而现在的新建工程项目中的隧道照明大多都采用LED灯具，LED隧道照明灯具以其优异的性能，克服了高压钠灯的诸多不足，完全能够实现各种要求的调光功能。隧道灯具的发光强度可以根据洞外亮度的变化而逐渐提高或降低，尤其是基本照明灯具的功率在夜晚可同步降低功率，避免了以往单侧关灯所产生的斑马效应。所以，采用LED调光控制系统能完全避免过度照明情况的出现，可真正意义上的实现按需照明的节能设计理念。2013年11月底通车的贵州省思南至剑河高速公路，其隧道照明在该省范围内第一次运用了照明调光技术，并将模拟调光与数字调光分别运用在该项目的不同隧道。现以该项目为例，介绍这两种公路隧道中常见的调光技术。

1 模拟调光

模拟调光就是控制器输出模拟信号，智能灯具接收到模拟信号，将其转换成PWM信号控制LED灯具的亮，模拟信号，只能控制灯具的亮度，不能检测灯具的工作状态。此调光模式在贵州省思南至剑河高速公路中的龙井隧道、龙塘坪隧道、银孔桥隧道等隧道照明系统得出广泛的应用。

1.1 系统构成 LED隧道灯DC0-5V模拟调光照明控制系统由LED亮度智能无级控制装置、亮度可控型LED隧道灯、通讯系统和上位机监控管理软件等几大主要部分组成，如图1。此系统可扩展洞外亮度自动采集信号功能，并可处理4～20mA标准信号传送至LED亮度智能无级控制装置上，再由其后转为DC0～5V的直流模拟信号输出，去控制LED灯上的电压控制电流源。

1.2 系统及功能描述 ①调光系统具有远程控制、本地控制，远程控制模式即是通过总控制室PC对灯具进行调光等级控制；本地控制模式可以通过调光系统控制柜对灯具实行调光等级控制；调光级数分为0-255级控制。本系统调光控制台只能在一个模式下使用。②远程控制具有自动及手动调光模式，自动调光模式是按照预置方式对隧道内的灯具进行控制调光；手动调光模式是根据当前需求对隧道内的灯具进行调光控制。③系统能够接受4～20mA的标准信号。4～20mA接口既可为3线制，亦可为2线制，即DC24/12V输出、电流信号输入和地线。④具有掉电检测功能。系统电源来自EPS，掉电检测信号来自市电。当电源掉电后，系统基本照明将自动输出4V左右电压。该电压可用电位器调整。⑤当开启加强照明灯具时，由于加强照明灯具数量众多，不宜同时开启，采用分段陆续开启。四路继电器吸合时间间隔一般在3-5S。关灯时可同步关闭。继电器设有常开和常闭触点，可接AC220V或AC380V，低压侧为5V。⑥系统具有实时时钟并配有备用电源，在系统掉电或更换电源情况下依旧能够长时间地工作，使时钟不至于丢失。⑦每个调光控制柜输出设有四个0-5V模拟调光接口，分别控制隧道内的四个方向的灯具。⑧控制台采用嵌入式的方案，可以实现网络监控，进行设置和查询参数，用户只要通过以太网即可接入，方便明了。⑨调光控制平台配备网线接口，可实现远程控制、驻地控制、当前工作状况显示、车检指示、故障报警指示、操作提示信息，以及串口配置、授时、基本照明参数读取与设置、加强照明参数读取与设置、工作记录查询、日志查询、故障处理、解除故障和退出等功能。整套控制系统操作简捷、灵活，只需外接一台PC机就能实现调光控制功能，在PC机上的操作界面能实时显示各灯具工作情况，并提供时间控制选择、调光级数选择。

1.3 系统特性 ①调光系统简捷、灵活，便于操作，维护简便。②单个LED灯具具备可调光功能，采用预留0-5V模拟调光控制方式控制灯具输出电流来实现灯具的亮度级别变化，能及时响应外部控制系统信号指令并做出相应的动作。③可实现0～255级无级调光功能，并可任意设置控制时间和调光级数，可满足任何不同照明场合的调光控制需求。④系统启动时间短，隧道电源切换时，灯具再启动时间及系统响应时间≤0.1s。⑤具有记忆功能，系统电源断电恢复时能自动进入断电前的调光设置状态。⑥具备时间控制、集中远控及就地控制功能，可根据客户自己的需求设置控制时间，每天内可设定多个不同的控制时间及不同的调光级数。

2 数字调光

数字调光就是控制器输出数字信号，智能灯具接收数字信号，并将其转换成PWM控制LED灯具的亮度。数字调光具有信号抗干扰能力强，可以控制灯具的亮度，也可以检测灯具的工作状态，是真正的智能灯具。在贵州省思南至剑河高速公路的帽子坡隧道、平新场隧道等隧道照明系统中就是采用DALI数字调光系统。

2.1 系统构成 系统主要由控制软件、控制主机、控制器、接收器构成。控制器配备以太网接口，可以直接接入隧道现场工业以太网环网。控制主机安装于变电所照明配电柜，控制器安装于隧道现场照明配电箱内，接收器安装于LED隧道灯具上。控制主机接入通信系统与隧道管理救援站照明工作站建立连接，控制主机与控制器之间通讯采用MODBUS-TCP协议。控制器与接收器之间通讯接口符合DALI隧道数字可寻址照明接口标准，接收器与灯具之间调光接口采用PWM接口。

通过Dali主机控制各自区域内LED隧道灯的亮度调节；调光控制软件安装在管理中心控制室的综合监控系统工作站上，作为调光控制系统总控台，实现对全部调光控制箱及LED隧道灯的调光控制功能。调光控制软件可与监控系统软件集成。

2.2 系统及功能描述 ①根据隧道的特殊性，每个Dali主机输出设有四个Dali调光通信接口，分别控制四个方向的灯具.Dali控制总线使用专用信号线缆，每条线缆最多可以控制64盏灯，调光信号线需单独穿管铺设，注意与强电分离。②调光系统采用两级网络控制架构，隧道沿线分布n+1台由Dali主机组成的调光控制箱，n的数量由受控灯的数量来确定。控制箱之间采用光纤环冗余以太网互联；每台Dali主机提供4路Dali控制总线，分别连接控制箱的左、右、对面车道的左及右共4路，本区段内的基本照明和应急照明灯具全部置于其中，即实现对整条隧道灯具的调光控制功能。总线设备通信采用主从协议，Dali主机为主站，每个灯具为从站。③控制台采用可编程式的方案，可以实现网络监控，进行设置和查询参数，用户只要通过调光控制器的网口接入即可，方便明了。④调光控制平台与外界调光指令发射设备间采用DALI接口，通信协议为开放的DALI-T协议，可实现远程控制、驻地控制。整套控制系统操作简捷、灵活。⑤控制主机采用工业级无风扇工业计算机，固态硬盘。采用冗余电源。⑥控制器与控制软件通信接口应采用开放接口，支持开放式协议，推荐采用标准开放式通讯协议：MODBUS-RTU/MODBUS-TCP。控制器与接收器通讯接口符合DALI-T隧道数字可寻址照明接口标准。DALI-T隧道数字可寻址照明控制器应具有至少2-4条DALI总线，总计支持l28～256盏灯具。⑦控制器设置于隧道内照明配电箱，接入隧道以太环网与照明调光控软件通信。控制器内部具有时钟，与控制软件通讯中断后能自动接管控制权，按照预置好的时序控制或全亮状态。控制器具备自动搜索并分配灯具地址功能，控制界面简易，支持现场手动控制。支持软件远程升级功能，支持广播全体调光、分组调光、单灯调光。具有操作界面及应急操作开关，方便进行现场调试与应急控制。能适应隧道恶劣的运行环境，具有防潮、抗腐蚀等功能。能承受电源额定电压土20%的波动。⑧接收器输出调光信号为PWM调光信号，PWM频率为1KHZ。接收器与控制器通讯中断时，接收器控制LED隧道灯进入全亮状态。接收器PWM调光接口悬空时LED隧道灯为全亮状态。接收器应能检测LED隧道灯具电流、温度、故障状态等数据。DALI-T总线通信接口应用无极性接口，具备防误接功能。DALI-T总线通信接口采用无极性接口，具备防误接功能。DALI-T总线控制口隔离电压≥3000VDC。具备过压（300VAC）保护功能。

2.3 系统特性 ①控制系统控制软件一般采用开放式软件构建，便于升级维护以及与第三方软件系统融合。系统预留接口可与综合监控系统连接，并接受其控制。②系统具备多级控制冗余机制：当任意一级控制装置失效时，下一级控制装置能自动接管控制权，并且系统能够自动给出相应的报警信息。③系统可根据时间，亮度设定的多种模式进行调试和控制，内置时控和光控模式参数配置可以由具有操作权限的操作员重新设置，应以数据、图形、图像等方式显示隧道内LED照明系统的运行情况、控制模式等。④可自动或手动的方式执行命令，自动方式包括全自动、时序两种。手动方式包括现场手动、远程手动、预案三种方式。⑤可自动地完成数据备份、文档存储（含操作数据及故障数据）。⑥能方便地进行查询、统计和形成报表，同时设置权限管理。⑦根据控制器指令实时控制LED灯亮度，各灯组的状态查询等。⑧可预置照明工况预案、照明策略，可以通过控制软件远程调用照明工况、照明策略。⑨可在控制系统内建数据系统，实时采集并记录照明控制信息及相关数据。设置有数据查询界面，方便数据的查询调用，允许远程数据访问。

3 总结

从以上的具体案例中，我们可以看出模拟调光与数字调光在系统组成中具有大同小异，但是模拟调光实现的调光只能是单纯灯具线性亮度调整，无法实现数字调光对灯具的电流、温度、故障等状态捕捉以及数字调光的高可靠性；所以在目前的智能化隧道照明调光系统中，更加广泛地使用数字调光系统，目前国际知名的上海长江隧道、青岛胶洲湾隧道的智能化系统都是使用数字调光模式，故当今社会的发展下，高度智能化更加能适用于市场的发展。

参考文献：

[1]郭兰英，梁波，张生瑞.一种新的隧道照明系统控制策略[J].西北大学学报（自然科学版），2009（04）.

[2]郭兰英，梁波.公路隧道照明控制系统研究与实现[J].微计算机信息，2009（07）.

[3]张立波，郝海杰.浅析影响公路隧道照明设计的因素[J].北方交通，2007（03）.