直流智能調光系統在城市隧道照明中的應用
——以重慶市某隧道為例

陳凱麟

廈門市市政工程設計院有限公司，福建 廈門 361000

0 引言

隨著LED照明技術的不斷成熟和發展，其性能和安全標準無論在國家層面、行業層面還是地方層面都得到了充分的認可，使其廣泛應用于室內外各類場所的照明。在社會大眾對照明高品質的追求下，隧道照明已呈現多樣化的功能性應用趨勢，如節能性、安全性、舒適性等[1]。傳統的隧道LED供電方式是在末端通過驅動電源將220 V的交流電轉化為燈具所需要的直流電，而隨著直流照明技術的不斷成熟，采用直流電直接供電，從而省去末端轉化的過程。從光環境質量的角度來看，通過集中處理直流供電照明能夠更好地避免燈具的頻閃，從而營造更為舒適健康的光環境；從控制的角度來看，直流供電具有更好的控制靈活性，在智能化技術應用方面具有明顯的優勢；從安全的角度來看，人體對直流電流的耐受極限值遠高于交流電流，其安全性明顯優于交流電[2-3]。文章以重慶沿山大道文峰山隧道為例，針對直流智能調光系統的設計進行分析。

1 項目概況

文峰山隧道為上下行分離的長隧道，隧道左線總長1 500 m，右線總長1 600 m。隧道南端洞口采用端墻式洞門，北端洞口采用削竹式洞門。隧道凈空為17.5 m×5.0 m。道路等級為城市主干道，雙向8車道，設計行車速度為60 km/h。該項目采用直流供電系統，直流柜具備交流輸入、防雷、整流、分路輸出、采樣、控制等功能。采用IT系統接線型式，在直流柜內部完成交流變直流，優選值DC 220 V，對每個LED燈具供電。

2 直流智能調光系統應用

2.1 調光方案

根據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）、《LED城市道路照明應用技術要求標準》（GB/T 31832—2015）的相關規定，將隧道照明區段分為入口Ⅰ段、入口Ⅱ段、過渡Ⅰ段、過渡Ⅱ段、中間段、出口Ⅰ段、出口Ⅱ段，洞外亮度取3 500 cd/m2，入口段亮度折減系數取0.022，各段亮度標準要求如下：入口Ⅰ段Lth1=77.0 cd/m2；入口Ⅱ段Lth2=38.5 cd/m2；過渡Ⅰ段Ltr1=23.1 cd/m2；過渡Ⅱ段Ltr2=7.7 cd/m2；中間段Lin=6.0 cd/m2；出口Ⅰ段Lex1=18.0 cd/m2；出口Ⅱ段Lex2=30.0 cd/m2。

設計階段采用晴天、云天、陰天、重陰（晚上）、深夜五種調整方案，運營期間可根據交通量變化、洞外亮度變化、不同季節等制訂適宜的調光及運營管理方案，以確保隧道照明系統在不同運營條件下的安全與節能運行，并實現科學管理。不同調光模式下各照明區段的亮度及調光比例如表1所示。

表1 不同調光模式下各照明區段的亮度及調光比例表

隧道LED照明采用無級調光方式，集中控制器應具有直流電力載波接口，采用曼徹斯特編碼協議，通過脈沖寬度調制（PWM）方式實現隧道LED照明的調光，亮度調節范圍為0～100%。總體控制策略如下：根據洞口亮度和夜間時段，對不同照明區段的燈具的調光比例進行設定后自動調光。洞外亮度越高，洞內照明亮度也越高，反之亦然。當洞口亮度監測儀采樣的亮度值在3 500 cd/m2（L20＞1 750 cd/m2）時，系統認定為晴天模式；在1 750 cd/m2（875＜L20≤1 750 cd/m2）時，系統認定為云天模式；在875 cd/m2（455＜L≤875 cd/m2）時，系統認定為陰天模式；在455 cd/m2（L≤455 cd/m2）或者進入夜間時，系統認定為重陰（晚上）模式；晚上12點之后，系統認定為深夜模式。

2.2 關鍵技術

（1）曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼又稱裂相碼、同步碼、相位編碼，是一種用電平跳變來表示“1”或“0”的編碼方式，其變化規則很簡單，即每個碼元（一個時鐘位）均用兩個不同相位的電平信號表示，也就是一個周期的方波，但“0”碼和“1”碼的相位正好相反。五種調光模式下的曼徹斯特編碼如圖1所示。

圖1 五種調光模式下的曼徹斯特編碼

直流智能調光系統采用曼徹斯特編碼進行開關及調光控制，設定如下：高電平為DC 220～290 V，低電平為高電平-10 V；系統處于正常工作狀態時，輸出電壓為高電平；一個時鐘位內輸出電壓由高電平轉為低電平時表示“1”，由低電平轉為高電平時表示“0”。

（2）直流電力載波通信（直流PLC）。電力線載波通信是以輸電線路作為載波信號的傳輸媒介的一種通信方式，最大的特點是不需要重新架設網絡，通過現有電力線傳輸控制信號，減少所需布線量，節省成本與部署時間。直流電力載波通信即將載有信息的信號調制到直流電上，利用現有線路實現數據通信。

（3）智能驅動電源。相對于傳統電力載波通信（PLC）智能照明控制系統，該系統采用單燈控制器與DC/DC驅動電源集成設計的方案，PLC通信模塊內置于驅動電源中，省去單燈控制器的投入，在驅動電源上增加部分成本，即可實現通信與調光功能，從而節省設備的成本投入。此外，相對于傳統方案，該方案省去單燈控制器的體積，燈具的體積也可變小，從而降低燈具的成本。傳統調光方案和智能驅動電源方案分別如圖2、圖3所示。

圖2 傳統調光方案

圖3 智能驅動電源方案

2.3 技術路線

直流智能調光系統主要由直流柜、集中控制器、直流LED燈具、智慧照明管理平臺組成，將智能化系統與直流照明相結合，利用直流PLC對隧道LED燈具進行智能控制，實現智慧照明。

集中控制器接收智慧照明管理平臺下發的指令，控制直流柜內整流模塊輸出電壓的波動，每一種波動組合代表一種調光策略，再通過直流電力載波傳輸到每個燈具，驅動電源接收并解析平臺發出的調光控制命令以調節燈具亮度，實現智能調光。同時，驅動電源將其狀態反饋至管理平臺，進行數據交互，從而對照明狀況進行監測和分析，為管理人員的決策提供支撐，系統拓撲結構如圖4所示。集中控制器設置于直流柜中，既可與隧道監控中心實現通信，當通信中斷時，也可獨立于監控中心自行調光工作。

3 結論

智能控制、實時監測、精細管理、高效節能和綠色環保已經成為現代城市隧道照明控制系統發展的必然趨勢。直流智能調光系統跟隨時代發展的潮流，采用直流懸浮供電，與大地隔離，提高了用電安全性；采用DC/DC智能驅動，集成化設計，節約燈具成本；采用直流電力載波通信，減少了通信線纜投入，從而實現照明的節能環保、智能調光、安全運行以及精準維護。