高速公路隧道照明智能控制技術

李云龍

（中國鐵建昆侖投資集團有限公司云南高速公路運營管理總部，云南昆明 650100）

0 引言

在進入隧道時，司機會在視覺上遇到一些問題：在白天隧道外面的光線要比隧道內好很多，司機突然駛入一條長長的隧道時會發現前面一片黑暗，這是因為從明亮的環境進入昏暗的環境時眼睛要先適應一段時間才能看到里面的景象，這段適應時間會對行車安全形成很大的威脅。為了讓司機更好地適應隧道內的環境，必須在隧道中設置燈光照明、完善隧道中道路的照明條件，以確保隧道內的交通暢通和安全[1]。

1 隧道照明智能控制系統體系結構

目前，時序控制系統是一種廣泛應用于隧道工程照明系統中的方法，它主要是通過不同線路的增減來實現隧道內部照明設備工作的數量。該方法具有簡單易行、安全可靠的特點，但由于沒有充分考慮到車速對照度、車流量等外在因素對于隧道內部光照條件變換的影響，而且由于天氣條件不斷變換，對隧道內的照明系統也會產生不利影響。它不能充分滿足隧道的燈光需求，而且能源消耗較大。隨著半導體照明技術的迅速發展，LED（Light Emitting Diode，發光二極管）光源因其節能高效的優點在隧道內的應用日益廣泛。LED 照明具有壽命長、可靠性高、低功耗等優勢，符合綠色節能環保的特點。

隧道照明智能化控制系統包括監控中心主控計算機、LED隧道照明智能化控制器、數據通信接口等。該系統采用場地傳感器對隧道內外部照度值、車速以及車流量等進行實時監測，并把資料傳輸到監測中心。主控計算機則根據所設置的光線調控邏輯，計算出每個隧道、不同區段目前的亮度參數，并將其通過通信網絡發送到各個隧道的LED 照明控制器，發布光線調節指令。

隧道照明控制器根據預定的照明控制策略，采集汽車探測器和光電探測器的檢測信號，實現隧道內全部的燈光控制。該系統的控制策略是，在平常沒有車輛進入的情況下，只在隧道內部開啟相應的基本照明，這取決于探測到的洞室和外部的光強差值；在檢測到有汽車進入通道的時候，打開隧道入口的增強燈；當探測到車輛駛入隧道后，在車輛前方一定范圍內增加燈光；如果發現后方沒有其他車輛跟隨，就會關掉后方的增強燈，并且降低基礎燈光的亮度。同時，通過測量到的光強度，可以判斷出白天、夜晚以及晴天、陰天等時間段的數值，使對應的燈光亮起或熄滅[2]。

隧道的照明設備控制系統會根據不同隧道的屬性進行控制點的設置，首先是隧道入口處的控制，然后是隧道過渡區域的照明控制，最后是出口區域的照明控制。隧道照明控制器基于接收到的亮度調節指令，通過PWM 模式的占空比自動調節照明設備輸出電流，來改變發光二極管的亮度和運行狀況。主控電腦采用照度傳感器，實時監控當前的隧道照度，判斷當前的照度是否達到了要求，如果達不到要求，則對隧道內的照明進行新的控制，從而達到控制隧道內部亮度的目的。

為了確保行車的安全，在調整隧道的照明時，調光系統該方法通過逐步漸進的漸變亮度控制方式，使物體的亮度逐漸降低，從而有效地防止了因亮度變化引起的不安全問題。該系統可以實現單一的單光源或局部光的群控，而且還能根據現場的實際情況，對其進行調整，從而節省大量的電力，并能有效地減少運行費用。

2 系統通信網絡結構設計

該系統采用總線結構，通信方式可以選擇Zigbee 無線方式、RS-485 總線或CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）總線等多種通信方式，與LED 光源智能接收控制器的接口形式相適應。圖1 為LED 隧道照明的智能化控制系統的拓撲結構。

圖1 系統網絡拓撲結構

利用RS-485 或CAN 總線技術進行數據傳送，必須特別注重線路敷設施工工藝，在LED 燈的供電線路和數據傳輸總線平行布置時，會產生高電壓的脈沖耦合。而Zigbee 則是一種以IEEE802.15.4 為基礎的新型短程無線通信技術，它可以很好地解決上述問題，特別適用于對數據傳輸速率要求不高的、分散的多個測量節點。該系統采用配置Zigbee 模塊的隧道照明智能控制器，實現Zigbee 組網（圖2）。

圖2 Zigbee無線網絡照明控制示意

與舞臺燈光要求的快速變換相比，隧道燈光的亮度變化比較慢。在選擇通信協議時，采用DALI 數字可尋址照明接口協議最為適合。

（1）DALI 是一種用于照明控制裝置間數據通信的接口，其最大特征是可以獨立地定位和控制系統中的LED 燈，雖然它們在強電流方面屬于相同或不同的回路，但是它們與強電線路沒有直接的關系。這使控制系統具有很大的靈活性，可以按要求設計出符合規定的燈光方案，即使在安裝完畢后也可以在不改變線路的情況下調整控制參數。

（2）DALI 系統的結構十分簡單，具有較少的功能模塊，還具有易于安裝、易于調試等特點，能夠完成很多由回路控制的智能照明控制系統所不具備的功能。

（3）DALI 技術是一種雙向通信技術，既能發出控制命令又能實時地反映LED 燈控制器和光源的運行狀況和故障情況，為交通運輸的日常運行、維修、統一管理提供方便。

（4）DALI 協議是基于DALI 數字照明的控制技術，具有明顯的優越性，包括精確的控制效果、技術的規范化和優秀的開放性等，使DALI 在照明控制方面得到快速的發展和進步。現階段隧道照明系統中的硬件及軟件均由DALI 協議發展而來[3]。

3 LED 隧道燈智能控制單元

隧道照明系統中的核心設備是LED 燈源設施，而控制LED燈源的控制系統是核心系統的大腦，他通過各種傳感器元件和電子系統對LED 燈源進行精準的控制，進而進行燈光調節。例如，一塊晶片的額定電流是350 mA，通過對流經LED 的電流進行控制，可以控制它的發光強度。可以使用下列兩種方式來控制電流：

（1）在0～350 mA 的范圍內，通過斬波調相可以實現持續的調整，但是這種方法需要對開關電源進行再設計，在LED 生產廠商電源眾多的情況下，其具有非常查的適用性，很難實現廣泛的應用。

（2）以各個生產廠商的LED 照明電源的額定輸出電流為參考，利用PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）對電源的平均輸出電流進行控制，達到了調光的目的。該系統的LED 調光控制器采用PWM 調制，強度可在0～256 級范圍內連續調節，并可在光源電源與LED 模塊間進行連接，不依賴于光源本身的供電，可按需控制多達6 個LED 模塊。由于不需要更換原光源的電源結構，由此可見其具有較強的適應性，在各種環境下均能穩定發揮作用。

LED 燈生產企業應針對其自身的特點，采取串并聯的方式，將LED 燈組裝為一個或多個組件，在各個組件內部采用串聯結構，組件之間并聯。LED 燈智能控制器根據所收到的控制指令，對各模塊進行PWM 調制，從而達到聯合調光或分組調光的目的。

在選用PWM 調制頻率時，要注意LED 燈具與其他光源之間存在的差異。隧道中一般除了LED 燈還會加裝熒光燈或高壓鈉燈等，如果調制頻率過低則會在不同頻率下出現明顯的頻閃現象，情況嚴重時會給隧道內的通行帶來很大危害；但如果PWM 調制頻率太高，則會增加開關的損耗，使功率變得更高，減少能源使用。大量的實驗表明，PWM 調制信號的頻率在2～10 kHz比較適宜，而本文所選用的調制頻率是6 kHz。

LED 智能控制系統的關鍵部件為高功率的開關元件，其中包括IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）、晶閘管、大功率MOS 管、可控硅等。IGBT 及晶閘管主要應用在大電流環境中，可控硅操控簡易，有豐富成熟的技術，但工作頻率較低，不適合應用于PWM 調制的工作，因此可選用大功率MOS 管作為部件。

通過分析大功率MOS 器件的故障類型，發現超過90%以上的MOS 設備都是斷開的，為保證照明控制系統的安全可靠，該開關設備可以采取旁路的方法，使大部分的故障發生時LED 燈仍然能夠處于完全發光狀態，以確保隧道中的行車安全[4]。MOS為Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 的縮寫，即金氧半場效晶體管。

4 結束語

綜上所述，隨著科技的飛速進步，LED 照明系統和控制技術以其優越的性能，將越來越多地應用于隧道照明領域。本文詳細探討了高速公路隧道照明智能控制技術，為改善隧道運行效果、減少運營費用、保證行車安全、推動高速公路行業的長期發展提供了科學依據。