基于單燈智能控制的高速公路隧道照明管理系統(tǒng)研究

安徽省交通控股集團(tuán)蕪湖高速公路管理中心 阮 穎 李 晨 陶 冶 高正龍

丹東三安技術(shù)發(fā)展有限公司 馬國勇

單燈（單元組合）智能控制技術(shù)是一種新型節(jié)能控制技術(shù)，其工作原理是系統(tǒng)里的每盞照明燈具均有唯一的編碼地址，并通過該地址實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)任意分組及開燈、關(guān)燈、調(diào)光等，使得系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可視化、信息化管理。把照明管理和節(jié)能控制推入精細(xì)化、可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益。本文以G50滬渝高速的峨山隧道為研究載體，在調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開展基于單燈（單元組合）控制的隧道智能照明系統(tǒng)研究，力求形成最科學(xué)的照明控制策略，解決隧道的照明難題。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

高速公路隧道照明單燈智能控制管理系統(tǒng)是在隧道燈啟亮區(qū)間，依據(jù)不同時(shí)段隧道環(huán)境與道路照明使用情況的變化，對(duì)于LED隧道燈進(jìn)行降功率調(diào)光節(jié)能控制以及遠(yuǎn)程控制管理。調(diào)光節(jié)能控制的核心技術(shù)是LED電源調(diào)控與檢測技術(shù)，遠(yuǎn)程管理是綜合利用PLC電力線載波技術(shù)、4G/GPRS/CDMA公用網(wǎng)通訊技術(shù)、系統(tǒng)平臺(tái)軟件技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。本課題所研究的高速公路隧道照明單燈智能控制管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)LED隧道照明單燈的開關(guān)控制、亮度調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)近距離實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)及設(shè)置、燈具巡檢、單燈計(jì)量、安全預(yù)警等功能，其系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

高速公路隧道照明單燈智能控制管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)采用“客戶端（上位機(jī)）管理操作軟件 + 系統(tǒng)管理平臺(tái)+集中控制器（物聯(lián)數(shù)據(jù)集中器）+單燈控制器（終端控制器）”。客戶端（上位機(jī)）管理操作軟件在遠(yuǎn)程任意位置（譬如手機(jī)微信、瀏覽器、客戶端軟件等）運(yùn)行；系統(tǒng)管理平臺(tái)安裝在系統(tǒng)主站（監(jiān)控中心）的服務(wù)器上運(yùn)行，用來管理集中控制器（物聯(lián)數(shù)據(jù)集中器）的鏈接、處理系統(tǒng)的通訊、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、提供數(shù)據(jù)查詢等服務(wù)；集中控制器（物聯(lián)數(shù)據(jù)集中器）安裝在LED隧道燈監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的控制柜或箱變內(nèi)，向下是與該節(jié)點(diǎn)管理下的單燈控制器（終端控制器）組建通訊網(wǎng)絡(luò)，向上是利用4G寬帶/CDMA/GPRS公用網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)主站（監(jiān)控中心）的服務(wù)器，集中控制器（物聯(lián)數(shù)據(jù)集中器）接收、執(zhí)行、轉(zhuǎn)發(fā)客戶端（上位機(jī)）管理操作軟件的指令，利用PLC電力載波通訊技術(shù)與單燈控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞與交換，從而對(duì)每個(gè)單燈控制器（終端控制器）進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一盞LED隧道燈亮滅控制以及調(diào)光控制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。此外，集中控制器（物聯(lián)數(shù)據(jù)集中器）通過內(nèi)置輸出端口在控制柜（或箱變）內(nèi)能夠?qū)ED隧道燈的整條回路進(jìn)行控制；單燈控制器（終端控制器）安裝于LED隧道燈的接線盒內(nèi)，它是高速公路隧道照明單燈智能控制管理系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件。

2.單燈控制器的設(shè)計(jì)

單燈控制器的設(shè)計(jì)采用Atmega16系列單片機(jī)作為主控制器，該芯片具有工作效率比較高、功耗比較低、RISC處理功能比較強(qiáng)、內(nèi)存容量比較大、相對(duì)而言其性價(jià)比很高等優(yōu)點(diǎn)。該芯片配有32個(gè)可編程I/O接口，配有1kB的SRAM以及8路10位的ADC，能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。光電傳感器采用EL7900光照度傳感器，把光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后，利用A/D轉(zhuǎn)換器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，主控單元根據(jù)檢測的光照度以及系統(tǒng)指令計(jì)算控制量，進(jìn)行隧道燈亮度控制。圖2為單燈控制器原理圖。

圖2 單燈控制器原理圖

該單燈控制器具備調(diào)光、電參量采集、故障診斷、通訊、控制等功能。可對(duì)LED隧道燈遠(yuǎn)程開關(guān)、調(diào)光操作，支持0‐10V方式的無極調(diào)光；能采集LED隧道燈的電壓、電流、功率因素、電能量等數(shù)據(jù)；具備電能量存儲(chǔ)功能，并實(shí)現(xiàn)掉電保存；可以根據(jù)采集信息判斷LED隧道燈是否發(fā)生異常，當(dāng)LED隧道燈發(fā)生故障時(shí)，能夠主動(dòng)上報(bào)故障信息；可以與控制終端實(shí)現(xiàn)半雙工電力線載波通訊，對(duì)主站下發(fā)的控制命令及策略及時(shí)響應(yīng)。

該單燈控制器的電氣間隙≥1.9 mm、爬電距離≥3.2 mm、對(duì)地漏電流≤3.5 MA、絕緣電阻≥5 MΩ、溫度適應(yīng)性-40±3℃～85±2℃、濕度適應(yīng)性5～90%、額定工作電壓AC 180～250V、工作功耗0.5～1.5W、組網(wǎng)通訊頻率330KHz、外殼防護(hù)等級(jí)IP65、電壓電流采集精度≤1%、安全接觸電流≤0.75mA。

3.集中控制器的選配

高速公路隧道照明單燈智能控制管理系統(tǒng)中的集中控制器選用丹東三安技術(shù)發(fā)展有限公司自主研發(fā)的IDGS-1路燈物聯(lián)數(shù)據(jù)集中器。IDGS-1路燈物聯(lián)數(shù)據(jù)集中器采用220V供電，終端內(nèi)置電池。可以完成照明配電柜運(yùn)行參數(shù)采集。采用公網(wǎng)GPRS通信方式，兼容有線寬帶、CDMA等通信方式。監(jiān)控終端帶有通用接口，可以實(shí)現(xiàn)與配電、節(jié)能和防盜設(shè)備的連接，做到四位一體。監(jiān)控終端自帶中文LCD現(xiàn)場顯示屏和按鍵可以在現(xiàn)場手動(dòng)操作功能，實(shí)現(xiàn)終端的管理、維護(hù)，以及照明控制柜的運(yùn)行參數(shù)抄讀和控制。具備自動(dòng)報(bào)警、設(shè)置與查看、抄讀、終端管理與維護(hù)功能初始化、實(shí)時(shí)控制、校時(shí)等功能。

4.控制方式與策略

高速公路隧道照明基礎(chǔ)照明LED燈24小時(shí)工作，為避免過度照明導(dǎo)致的電能浪費(fèi)，也為了減小LED隧道燈光衰同時(shí)考慮電源壽命問題，在項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施過程中可利用車輛檢測儀來統(tǒng)計(jì)分時(shí)段的車流量大小，根據(jù)分時(shí)段車流量大小來自動(dòng)調(diào)節(jié)基礎(chǔ)照明亮度[1]。

高速公路隧道加強(qiáng)照明LED燈的開閉時(shí)間、亮度調(diào)節(jié)都是由單燈控制器來完成的。控制系統(tǒng)根據(jù)洞內(nèi)外亮度檢測數(shù)據(jù)和車流量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算和分析后來自動(dòng)的調(diào)節(jié)LED隧道燈的亮度百分比，以達(dá)到最優(yōu)照明效果，以此來消除高速公路隧道“黑洞效應(yīng)”。

高速公路隧道應(yīng)急照明由基本照明燈實(shí)現(xiàn)。當(dāng)城市供電突然中斷時(shí)，無級(jí)調(diào)光控制器瞬間將基本照明燈功率同步調(diào)整到50%左右，使應(yīng)急照明配光特性與原基本照明一致，消除了“斑馬效應(yīng)”產(chǎn)生的可能，有效的避免了高速公路隧道交通意外的發(fā)生[2]。

5.結(jié)語

基于單燈智能控制的高速公路隧道照明管理系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)G50滬渝高速的峨山隧道照明智能節(jié)電控制為目標(biāo)，綜合運(yùn)用無線通信、傳感器信息處理、電力線載波等技術(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路隧道LED燈的無極調(diào)光控制，對(duì)高速公路隧道照明智能控制應(yīng)用與推廣具有重要意義。