高速公路隧道LED照明调光技术应用

摘要：本文探讨了高速公路隧道LED照明的调光技术的应用。

关键词：隧道照明调光技术

中图分类号：TD625 文献标识码：A

交通运输业是国家确定的节能减排重点行业之一，加快建设以低碳排放为特征的交通运输体系，发展资源节约型、环境友好型交通，改进隧道照明，使隧道照明节约化、智能化是一种趋势。为响应国家节能降耗政策，促进低碳环保的“两型”高速公路建设，实现高速公路建设、管理效益的最大化，目前，全国部分高速公路隧道已采用了LED隧道照明灯具，并通过调光智能控制系统，实现“安全行车与高效节能的完美结合”，以解决节能环保与安全行车的矛盾。本文通过实际案例对高速公路隧道照明调光技术作一浅探。

一、隧道照明系统现状

目前，作为光源，LED以其节能、环保和寿命长的的特点，在高速公路隧道照明领域得到了广泛的应用，在隧道照明设计时，除在隧道入口段和出口段的加强照明采用高压钠灯外，基本段的照明大量采用了LED灯具。LED不依靠灯丝发热来发光，能量转换效率非常高，因此，研究如何在基于交通流量、行车速度、可视度、驾驶员视觉特性的情况下，实现对LED灯具合理的智能照明无级控制，达到提高隧道照明质量，降低能耗与隧道运营成本，营造安全舒适的隧道行车环境，具有重要的现实意义。但在隧道照明的节能方面，所采取的主要措施是采用高功率因数的照明灯具(配高效电子镇流器)、隧道内两侧铺反射率高的装修材料、集中调光控制、应用节能光源、采用合理的布灯方式、照明系统的手动控制、时序控制和自动控制等方法，还存在以下需要改进的地方：

1、目前大部分高速公路隧道照明采用分时段控制法，虽然控制简单、可靠，考虑了环境因素对隧道照明的影响，但未考虑不同交通量、车速对照度的要求，因而造成不必要的浪费。

2、控制方式智能化水平低，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。

3、未定量研究安全和节能之间的矛盾，隧道照明最突出的矛盾就是安全和节能之间的矛盾，所有的节能措施都必须在保证隧道运营安全的基础上实施。

4、未定量考虑隧道照明的全寿命周期成本，目前，在对隧道照明方案进行经济计算时，大多数只关注初期的投入，而忽视了后期的运营电费和维护费用。

目前正在建设和已运营的高速公路隧道照明还是存在着电能的浪费现象，照明系统效率低，以及营运过程中产生的与行车安全和隧道监控之间的矛盾等问题，不能适应当今节能型社会的发展需求。

二、常用的隧道照明控制方式

隧道照明分白天、夜晚。调光控制分晴天、云天、阴天、重阴天、深夜，其控制在变配电间内根据室外亮度传感器信号按回路由PLC控制开启。

该种控制模式由于是直接输出电平信号，通过程序简单判断，达到阈值即进行控制。存在的问题是面对复杂环境的应变能力较差，不能做到随机应变，有可能还会因为频繁开关而造成线路及设备的损坏，多数情况下，会通过人工来控制，增加了人力成本。效果上由于是按回路开关控制，直接反应在路面上就是光栅效应，如果驾驶员长期在这种环境下驾车，容易引发身体不适，造成交通事故。

从照明设计的角度来看，在隧道照明设计初始计算时，设计院一般都会考虑灯具的光衰与维护系数，因此在实际应用中，隧道在初始投入时，洞内的照度实际上是超过设计要求的，如此一来，在灯具光衰至设计照度的这段时间内，其中的电能、光能都是浪费的，而且洞内照度会越来越低，因此，基于LED隧道照明的无级调光控制技术应运而生。

1、LED调光的主要控制方式

（1）电压控制电流源（VCCS）亮度控制方式

该方式为模拟信号控制电流平均值模式，就是利用直流信号电压来控制输出电流平均值变化的一种输出电流可控电源（如下图所示）。它直接将电流信号取样后经隔离放大控制电源初级开关管的占空系数，隔离变压器将不同占空系数的电能隔离后转换为直流脉冲电流，经低通滤波器滤波后转换为大小随控制信号变化的直流电流，从而控制电源的输出电流。

（2）脉冲宽度调制（PWM）亮度控制方式（PWM模式）

PWM模式的LED亮度控制方式是利用直流稳压电源先输出恒定电压，然后经过限流电阻或电感限流后，再通过PWM方式控制晶体管在单位周期内的导通时间来控制流过LED的电流，从而达到控制LED亮度的目的。与前一种相比，电源效率较低。

（3）采用电阻和晶体管限流亮度控制方式（限流模式）

采用限流模式的LED亮度控制方式是利用直流稳压电源先输出恒定电压，然后经过限流电阻限流后，再通过工作于放大区的晶体管来控制流过LED的电流，从而达到控制LED亮度的目的。这一亮度控制方式电源能耗损失较大，多用于对能耗要求不高的灯饰亮化场所，且更多地用于小功率LED的亮度控制。

因此，采用DC 0～5V模拟电压信号传输的模拟信号控制电流平均值模式的亮度控制方式优于其它亮度控制方式。模拟信号控制电流平均值模式的亮度控制方式是LED隧道照明的理想控制模式。

三、隧道照明智能调光控制系统优化方案

隧道照明智能调光控制系统主要是由计算机服务器、控制端及隧道中的自动控制模块、各种信号传感设备等组成，其工作原理如下：

数据采集层的车辆检测器、洞内外光照度传感器、CO/VI检测器（可选）、风向风速检测器（可选）准确地探测洞内和洞外的光照度及洞内的其它环境参数，并输出到数据处理层，数据处理层将采集到的数据经系统分析处理，并将各种数据上传到机房控制端服务器，控制端服务器通过设定的程序及控制人员的命令，输出正确的控制信号到各个设备端，完成对各照明设备的自动控制。

系统在正常情况下分自动、手动控制，并可进行远程监控，在应急情况下会跳过控制系统直接让照明灯具全亮，保证隧道行车安全。

隧道照明智能调光控制系统图

调光控制的前提是必须满足《公路隧道通风照明设计规范》有关隧道照度的要求。在本工程照明系统优化方案中，基本照明灯具采用无级调光LED灯具，配合采用智能控制系统进行调光控制，现说明如下：

基本段照明按设定照度工作。控制器接收车辆检测器信号，得到车辆检测器提供的车流量等数据。控制器在设定的采集车检器信号时间段内没有车辆经过，控制器输出灯具调光10%的信号，全段灯具以最低功耗工作，系统进入休眠状态；控制器在设定的采集车检器信号时间段内（或历史数据）有车辆经过，但流量很小，控制器输出较低的灯具调光信号，约30%--50%（不小于2cd/㎡）；控制器在设定的采集车检器信号时间段内（或历史数据）有车辆经过，流量较小，则控制器输出较高的灯具调光信号，约50%--70%（3 cd/㎡）；当达到项目设计或超过车流量时，控制器输出较高的灯具调光信号，约70%--90%(4cd/㎡)。具体的参数设定可由运营情况手动更改而定。

进入夜间照明模式时，为避免明洞效应，系统将基本段整体功率全部降至15-20%，保证基本照明需求（1cd/㎡）及洞内外视觉亮度差异的最低值。

该调光控制系统是根据实时环境来进行自动控制的智能化系统，可以做到无人值守，按需照明，并且在兼容性、安全性上都做了相应的考虑，是一套完整的自适应智能控制系统。

四、结语

采用优化后的隧道照明调光控制方案后，延长了灯具寿命，节约了电费，减少了管理人员的工作负荷，达到了降低运营成本的目的，希望对其它高速公路隧道机电工程有一定借鉴意义。

参考文献：《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1-1999）

《公路隧道LED灯照明系统无级调光控制技术研究》