隧道照明智能調光方法分析

陳榮

基于隧道照明的特點與燈具設置的要求，文章介紹了現行隧道照明智能控制系統方案，并分析了不同的隧道照明智能調光應用方法。

隧道照明;智能控制;照明系統;調光

0?引言

在公路隧道的運營中，照明屬于連續性負荷。為保證隧道的安全運營，需全天候進行供電，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行節能改造，隧道照明設計也不斷地創新和優化，所以通過選用節能燈具以及結合運用現代信息化手段，探究開發智能照明調光系統很有必要，這不僅能保證隧道的運營安全，而且能達到理想的節能效果。

1?隧道照明特點及要求

隧道是高速公路的特殊結構物，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，對隧道照明進行智能化控制，不僅能獲得良好的照明體驗，還能達到良好的節能效果。由于隧道的特殊環境及特殊要求，也對隧道照明設計提出了較高的要求。設置普通照明和加強照明來統一進行開關控制，難以滿足隧道運行過程中不同狀況下對照度的需求，需要根據隧道的特點進行優化設計和智能化控制。

1.1?隧道照明的特性

隧道多位于山區或丘陵等地形復雜的地帶，常見的隧道結構多為全封閉型，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、設備投入和管理成本，因此對其進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，設計智能控制系統，實現對隧道燈具的集中控制，實時監測燈具的照明狀態，及時發現故障燈具并迅速維護和檢修，避免因燈具照明原因導致通行事故。

1.2?燈具設置的原則

根據《公路隧道照明設計細則》，規定了隧道照明設置的具體要求，隧道照明不同段區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置。

同時隧道燈具安裝受隧道結構及其運行特性的影響，每一個隧道燈具的設備也不盡相同，或單一鈉燈，或單一LED燈，或兩種進行相結合。

1.2.1?入口段照明

隧道入口段是連接洞外道路的區段。為了防止車輛由自然光照下駛入隧道時不至于有太大的光照對比，此段有著較高的照度要求，應防止車輛駛入隧道時因為光照太弱出現“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域。這部分路段應有一個光照的逐漸降低趨勢，幫助駕駛員快速適應隧道內的照明環境，使眼睛有一個較好的視覺狀態。可設置適量的燈具來調節光照度，適當減少到中間段這一區域的燈具照明數量。

1.2.3?中間段照明

這是隧道內的主要照明路段，完全依靠燈具照明來實現，沒有對自然光和燈具調光適應的要求，通常根據車流量、眩光、通風等情況進行設計和調整照度。

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增大，防止因車輛駛出隧道時產生“白洞”效果，導致意外事故發生。

2?隧道照明智能化控制分析

隧道照明具有燈具數量多、管理區域長、維護難度大的特點。隧道照明與行車安全及隧道防災救援等密切相關，需要較高的可靠性和穩定性，集中控制中心管理人員必須及時掌握燈具狀態。在信息化、智能化迅速發展的今天，采用照明智能控制系統進行實時監測，會大大增加隧道安全運營的可靠性。現行照明智能控制系統主要包括回路控制方案和調光控制方案，下面依次進行介紹。

2.1?隧道照明設計及智能控制系統

隧道照明智能控制系統綜合考慮隧道內的車流量、天氣、行車速度以及隧道長度等多種因素，實現智能的光源調控，不僅能滿足任何情境下行車對照度的需求，還能達到較好的節能效果。智能照明控制系統能實現對照度的連續調光，不再僅僅依靠時間控制和光敏開關來調節照度，而是通過光度計對洞外照度的采集來實時監測洞外實際照度變化，從而實現對照明燈具的實時調節，滿足不同天氣、不同車流、不同車速、不同隧道路況等狀態下的照明要求，實現隧道內照度與隧道外照度的和諧統一，防止在隧道出入口出現“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主要依靠主控制器、工控機、顯示器、遠程數據集中器等來對隧道照明系統進行分組控制，實現實時的狀態監控、時控和遙控。回路控制型智能照明控制系統依靠總線或通信接口形式，通過開關控制器對燈具回路進行啟停控制，達到亮度和節能要求。該系統借助分時段控制和數模轉換器能進行照明自主控制，但不能實現無極調光，也不能滿足隧道調光需求。但其集成化、模塊化的控制模式較為便捷，而且連接設備監控系統，投資成本不太高。

2.3?調光控制方案

LED燈、無極燈等新型高效節能燈具在隧道照明應用中的普及和推廣，為照明智能控制系統實現無極調光創造了條件，不同類型的調光控制方案可以根據工程實際情況進行科學的選擇。當前應用較多的方案包括脈沖寬度調制方案、0～10 V/1～10 V方案、數字式可尋址方案、CAN總線方案、RS-485接口方案、DMX512方案等。其中脈沖寬度調制方案和0～10 V/1～10 V方案在隧道智能照明控制系統中使用頻率較高。脈沖寬度調制方案對于隧道條件差、控制點數多的環境較易適用，與0～10 V/1～10 V方案相比更便于遠距離傳輸。

2.3.1?脈沖寬度調制方案

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

2.3.2?0～10 V/1～10 V方案

該調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調光的目的，只是使用的調光器不同，不具備燈具關閉功能，但具有模擬量調光、線性調光、直觀控制的特點，在特低電壓狀態下也能確保其安全。但傳輸距離較遠時要加裝中繼模塊。

上述兩種調光方案調試便捷，成本不高，能根據需要進行亮度調節，更好地滿足隧道照明大范圍、遠距離和統一調光的需求。

3?照明智能控制應用方法分析

3.1?PWM調光控制

PWM調光控制是通過專用接口驅動器根據占空比對輸出電流進行調節以實現對亮度進行控制的照明智能控制方法。這種方法不僅成本較低，而且能實現回路調光、單燈調光和無級調光。其缺點是：如在一個長隧道中采取單燈控制則需要數量很大的區域控制器，安裝位置選擇受限，而且有較大的線路鋪設任務，使前期施工和投入運營后的維護難度都大大增加，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指令從而做出調光、回傳參數等相關反應。因為一個DALI控制器能控制60多套燈具，不僅大大降低了DALI控制器數量，而且增大了調光范圍，實現了無極調光。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的任務也很大，因此，建設成本也大大提高，同樣也對后期的維護成本造成影響。

3.3?RS485總線

采用RS485總線傳輸信號，通過燈具上的電源驅動接收的指令，作出調光、回傳參數等相關反應，該技術已經較為成熟。如隧道供配電中的開關柜，利用電力監控主機和485總線進行控制，但也僅是控制隧道的燈具回路，并沒有自動調節功能。RS485單根總線通信距離能達到1 km，還可以利用中繼器最多能達到10 km的距離，具有較高的通信速率。如在長隧道中設置RS485總線進行調光控制，配合環境檢測等儀器組合，可以實時調節，滿足不同天氣、不同車流、不同車速、不同隧道路況等狀態下的照明要求。不足之處是還需要研究開發對接RS485信號的燈具，而且現場總線鋪設任務較重。

3.4?電力載波（PLC）

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

3.5?組合控制系統

當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用。如DALI燈具系統+RS485總線組合、PWM調光+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約電力能源損耗。如上分析，DALI燈具系統現在還沒有普及且價格較貴，與其組合的建設成本較高，不建議在現階段使用，可待技術成熟后再進行優化組合。在山區隧道中，如崇左至靖西高速公路這樣橋隧比例較高的公路，隧道照明設計的要求也相對比較高。雖然現在提倡用LED燈具進行設計，但由于山區霧氣大，可利用鈉燈穿透性強的特點，在一些長隧道中設置鈉燈與LED燈相結合的燈具設計方式。如果設計智能調光照明系統，應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，隧道照明系統設計為鈉燈+LED燈的組合模式，現在的調光模式為線圈+照明智能主控器（PWM）+無極燈具+加強回路控制，即從有車進入隧道到開出，照明智能主控器（PWM）控制無極燈具自動調亮到設置的亮度;無車在隧道內時，隧道保持暗亮狀態，以此達到行車安全和節能的目的，加強燈不進行控制。此調光系統的缺點是不能實時根據環境的變化而自動對隧道燈具回路進行控制。如在此系統的基礎上與隧道外光強儀器組合起來，再與電力監控主控制器進行回路控制，就可以根據實時的環境光度進行隧道照明控制。所以利用線圈（或微波）+照明智能主控器（PWM調光控制）+無極燈具+加強回路控制+電力監控+環境光檢測儀器的組合模式，在現階段內，可以說是非常合適的。環境光檢測儀器采集環境光數據發送到加強回路控制與電力監控系統，進行回路控制，優化入口加強燈的光照強度，達到自然過渡的模式。采用線圈（或微波）檢測車輛存在數據，發送到明智能主控器（PWM調光控制）進行無極調光，達到節能的目的。

4?結語

隧道照明直接影響著行車安全、成本投入和電力能耗，照明控制系統的優劣也直接影響隧道的照明和節能效果。相關人員需要不斷地研究創新來優化智能化控制系統，以最先進的控制技術和設備來控制隧道照明系統，增強隧道照明的功能和節能效果，為交通運輸行業創造更大的價值。

[1]馬緒榮，陳公增.公路隧道中LED照明技術的應用[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能技術應用探討[J].中國交通信息化，2018（2）：132-135.

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