基于城市隧道照明與通風系統聯動節能控制的研究

李海文

摘 要：針對城市隧道數量不斷增加，隧道照明與通風能耗較大，運營成本較高的現象，討論了城市隧道照明與通風之間的關系，提出了照明系統與通風系統聯動節能控制的思想，闡述了照明與通風聯動控制系統的構成以及系統的控制原理與控制方式。

關鍵詞：城市隧道；照明；通風；節能控制

1 概述

近幾年，隨著國內城鎮化進程不斷加快，城市人口越來越多，城市規模越來越大，交通阻塞現象日益嚴重，為滿足各種出行需求，城市隧道的數量急劇增加，以某隧橋管理公司為例，僅2013至2014年，不到兩年的時間，該公司養護隧道就增加了11座。隨著隧道數量的增加，城市道路養護費用大幅攀升，其中隧道照明及通風占據了較大的部分。

目前，有很多專家學者對城市隧道的控制方式進行了研究，控制方式多種多樣，但通常將照明與通風系統分別進行控制。

照明系統最常見的控制方式分為時序控制與手動控制兩種[2]。時序控制是指根據季節的不同，通過時間控制器，按照預先設定好的時間開啟或關閉各回路的燈具，盡可能滿足隧道內車輛安全通行的最低亮度需求，手動控制是指通過人的感官，進行手動開啟或關閉各回路燈具。

通風系統控制方式通常分為兩種[3]：一種是正常情況下的通風控制方案，即在隧道內交通量數據、環境參數的數值正常時，為正常隧道換氣開啟風機；另一種是在火災情況下，根據采集到的CO、NO2濃度、能見度（VI）等數據控制風機的開啟和關閉。

隧道的結構相對封閉，車輛通行引起的揚塵及尾氣不易擴散，使得煙塵濃度較高，這對隧道內照明會有一定影響[4]。1987年，在布魯塞爾舉行的第十八屆國際道路會議PIARC上，隧道委員會的《技術報告》中說明了煙塵濃度和亮度要求之間的關系，見表1。

如表1所示，隨著停車視距的增大，煙塵濃度對亮度要求的影響也隨之增大，當停車視距為100m時，如果煙塵濃度從5×10-3m-1增加到9×10-3m-1，那么亮度是原來的3倍才能滿足要求。

隧道通風與照明系統分別進行控制，為保證照度，通常情況下隧道照明系統方案的設計會以煙塵濃度較高的點作為參照，使得隧道內有些路段或時段照度過高，不但降低了隧道內的行車舒適度，而且造成能源的浪費，不利于環保。因此，文章提出隧道通風與照明系統聯動控制的思想[5]，在保證照度與空氣質量的前提下，改善原來粗放型的控制方式，適應時代的需求，節約能源，減少浪費，為綠色交通助力。

2 系統原理

如前所述，隧道是一個相對封閉的空間，汽車尾氣及行駛揚塵導致空氣相對污濁，對隧道照明產生一定的影響，同時降低行車舒適度。當隧道內空氣中顆粒物逐漸增多時，隧道中能見度將不斷下降，為使車輛安全舒適行駛，需要增加照明功率或提高光通量。增加照明功率不但引起能耗的增加，而且當煙霧濃度達到一定值時，增加照明功率并不能滿足安全行車的能見度要求；如果保持風機開啟來降低煙霧濃度，增加光通量，同樣會增加電能消耗。為協調照明與通風的相互關系，下面將介紹通透率τ與能耗比ρ的概念[6]。

2.1 通透率

中央控制室計算機將實時計算出來的通透率的值τ與預先設定好的閾值τ0作比較，根據結果判斷風機的開啟與關閉及風機的轉動頻率。

2.2 能耗比

能耗比是在CO、NO2濃度低于閾值，且能見度高于閾值，為節省能耗，在保證照度的前提下提出的。如果調整照明功率，風機保持運行狀態不變所需的電能為W1；如果開啟風機或增大風機轉速，保持照明功率不變所需的電能為W2。

當時，控制計算機發出命令調整隧道照明燈具功率；當時，控制計算機發出命令開啟風機，并通過使能耗比盡可能小的方式，調節風機的轉速。

本系統中風機采用變頻調節的方法，該方法與機械節流方式相比，效率較高，節約能源。風機的變頻調節是利用變頻器改變定子的供電頻率，從而控制轉子的轉動速度，進而調節風機的轉速[7]。

LED燈的無級控制是以0～5V的直流模擬信號形式輸出控制命令至電壓控制電流源，控制端電壓隨命令發生變化，引起輸出電流發生變化，又引起LED亮度的變化，從而控制隧道內的照度[8]。

3 系統構成

照明與通風聯動控制系統由七個子系統構成，其具體功能如圖1所示。

通風子系統：該系統中風機采用可變頻的軸流風機，風機一般可通過改變安裝角度、調整轉速來調節性能，與其他風機相比，軸流風機調節簡單、經濟、調節幅度大。

照明子系統：本系統中的照明采用LED燈，與其他光源相比，相同功率下亮度較高，使用壽命較長，同時其工作電流在一定范圍內可以進行調整，實現亮度無級控制[9]。

檢測子系統采用各種功能的檢測器，采集隧道內能見度、CO與NO2濃度等數據，通過車輛檢測器判斷是否有車輛通過，并采集隧道入口的光強度。

信息傳輸子系統：本系統的信息傳輸采用光纖環網，其傳輸速率較高，傳輸距離較遠，采用環網結構，可靠性相對較好[10]。該系統除將經過區域控制器預處理后的各種檢測器的數據向中心控制計算機傳輸外，還要完成中央控制計算機發出控制命令向區域控制器的傳輸。

數據處理子系統：中央控制計算機接收并處理區域控制器傳來的數據，根據預先設定好的程序做出分析判斷，得出控制命令。區域控制若收到中央控制計算機發出的命令，則執行該命令，若沒有，則同樣按預先設定好的程序，對采集到的數據進行判斷，以控制照明燈具和風機。

區域控制子系統：隧道內的區域控制器除了要完成CO、NO2和能見度等檢測器設備采集到數據的預處理，對風機及燈具進行控制，還要接收中心控制計算機的控制命令并執行，中心控制計算機的命令優先級高于區域控制器自身處理數據得到的命令。

中心控制系統：該系統的核心部分是中心控制計算機，它要接收和存儲區域控制器傳輸的數據，并對數據進行處理分析，發出控制命令。

4 控制方式

照明與通風聯動控制系統為二級系統，中央控制計算機的命令優先級高于區域控制器的命令。中央控制計算機通過處理區域控制器傳來的檢測數據，并進行分析，得出控制命令，反饋給區域控制器，區域控制器接收該命令，并優先執行，若區域控制器未收到中央控制計算機的命令，則根據自身內部預先設定好的程序對能見度檢測器、CO檢測器、NO2檢測器等采集到的數據進行處理，并做出相應判斷，來控制區域內的風機與燈具。聯動控制系統原理如圖2所示。

4.1 中央控制計算機控制

中央控制計算機接收各區域控制器發出的數據，并進行一系列的分析判斷，其過程如下：

（1）根據車輛檢測器的數據判斷是否有車輛經過，如果沒有車輛經過，則降低隧道內照度到預定的值，并在保證隧道基本通風換氣的條件下，控制風機運行；如果有車輛經過，則進行下一步判斷。

（2）通過對光敏電阻數據的分析得到光敏電阻所在區域當前通透率，與設定好的閾值τ0進行比較，如果通透率低于閾值，則開啟風機或增大風機的轉速，否則結束。

（3）當接收到區域控制器傳來的新數據，則循環執行上述過程。

4.2 區域控制器控制

當區域控制器未接收到中央控制計算機的控制命令時，會根據自身內部程序，對檢測器檢測到的數據進行處理分析，按照一定頻率進行判斷并得出控制命令，其控制流程如下：

（1）判斷區域控制器所控制的區域內CO、NO2的濃度是否高于閾值，如果高于閾值則發出開啟風機的命令，否則進行下一步判斷。

（2）判斷區域控制器所控制的區域內能見度是否低于閾值，如果低于閾值則開啟風機或提高燈具亮度，否則進行下一步判斷。

（3）判斷CO、NO2的濃度是否低于閾值，且能見度高于閾值，如果不能滿足該條件，則保持風機及照明燈具的工作狀態，否則進行下一步判斷。

（4）將能耗比ρ與1進行比較，如果，則調整燈具的亮度；如果，則開啟風機或調整風機轉速。

5 結束語

伴隨我國城鎮化發展的推進，交通需求逐漸加大，城市隧道運營管養費用大幅攀升。城市隧道照明與通風系統的聯動控制，將大幅降低隧道運營管理的能耗，延長燈具及電源的使用壽命，為實現隧道運營節能環保開辟了新的途徑。

參考文獻

[1]交通部部頒標準.JTG/TD70/2-01-2014.公路隧道通風照明設計規范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]張飛.城市公路隧道照明節能系統研究[D].武漢：武漢理工大學，2014.

[3]廖慶華.高速公路隧道聯動控制方案討論[J].中國交通信息產業，2006（2）.

[4]閆桂梅.公路隧道通風照明與行車安全關系研究[D].重慶：重慶交通大學，2008.

[5]楊治攀.公路特長隧道安全運營節能與智能聯動研究[D].重慶：重慶交通大學，2014.

[6]吳桂林，楊治攀，潘國兵，等.公路隧道通風照明聯動綜合節能技術的探討[J].公路隧道，2013（4）.

[7]黃東杰.大功率變頻恒壓供風控制系統設計[D].北京：北京工業大學，2006.

[8]韓直.LED公路隧道照明燈應用與技術條件研究[J].中國交通信息產業，2007（11）.

[9]王霞，周健.LED照明亮度智能無級控制系統在城市隧道中的應用[J].交通科技，2009（1）.

[10]顧畹儀.光纖通信（第二版）[M].北京：人民郵電出版社，2011.