隧道色溫可調照明節能控制系統設計與應用

陳大華

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

據交通運輸部統計，截至2020年年末，我國公路隧道共有21 316處、2 199.93萬余m，其中特長隧道1 394處、623.55萬余m，長隧道5 541處、963.32萬余m[1]。隨著我國公路隧道數量的逐年增加，為了更好地實現隧道安全節能的照明目標，目前，大部分新建隧道均采用了亮度可調的LED燈具為隧道提供照明。LED燈相比于傳統的鈉燈已實現較大幅度的節能。在此基礎上，引入LED照明節能控制系統，實現精準、按需照明，可以進一步減少耗能。近年來，隨著人們對照明質量及舒適度的要求提高，開始逐步推廣可變色溫的LED燈具來提升隧道入口段照明質量。關于色溫對人的影響，龔曲藝[2]研究表明：不同的色溫對人體的生理功能、心理平衡、腦力活動及體力負荷等產生一定的影響，光源色溫選擇適當可使人的中樞神經和自主神經系統功能得到平衡。因此，在隧道入口處采用可變色溫的燈具進行照明，對駕乘人員有較好的影響，有助于減少隧道安全事故，對保障隧道交通安全具有重要的意義。

目前，在大多數隧道照明中使用的LED燈色溫都是固定的。左小磊[3]針對光源色溫對隧道照明效果影響進行了相關研究，隧道外的色溫是隨著時間的變化而不斷變化的，自然光在日出和日落的色溫一般在2 000～3 000 K，而中午日光的色溫一般>5 500 K，陰天的色溫一般也較高，且不同季節色溫也不一樣。所以，在隧道外環境色溫變化時隧道內照明燈具色溫也應該隨著變化，以便減少隧道內外色溫的差異。關于色溫可調LED燈具所采取的控制方式，陳錦安[4]提出了采用RS485總線對LED燈具進行亮度和色溫的控制，但此方式在實際應用中存在單個燈具的RS485接口故障占用總線導致整個回路都失效的問題，且每組總線的帶負載能力較弱，需要采用多個控制器。王陽等[5]提出了采用2組PWM信號分別控制LED燈具的色溫和亮度，實現亮度和色溫動態調節的控制方式，該方式需要增加一倍的控制線纜，且存在接線復雜、維護難度大等問題。本文設計采用PWM信號的占空比變化來控制燈具亮度、信號頻率變化，從而控制燈具色溫，此方法還在工程實施中減少了線纜的使用，保證了系統的穩定性，降低了系統復雜度和施工成本。

1 隧道色溫可調照明節能控制系統

1.1 系統整體構架

根據隧道照明節能標準的要求，本文綜合考慮了隧道入口車輛情況、隧道內車輛行駛情況、洞外環境的亮度及色溫等信息，設計了一套隧道色溫可調照明節能控制系統。在確保隧道安全運營的前提下，實現了色溫的動態調節，滿足了人們出行對照明舒適度的要求。

本文設計的隧道色溫可調照明節能控制系統主要由兩大部分組成，如下頁圖1所示，分別為隧道智能調光控制子系統和用戶管理應用子系統。隧道智能調光控制子系統主要由以下幾部分組成：(1)視頻車輛檢測器，布設在離隧道口一個停車視距約150 m處，采用視覺的方式對車輛進行識別，作為隧道“車來燈開”的觸發信號；(2)視頻洞外亮度儀，與視頻車輛檢測器共桿布設，用于采集隧道洞口亮度；(3)色溫檢測儀，與視頻車輛檢測器共桿布設，用于采集隧道口環境色溫值；(4)隧道聲音有無車檢測系統，主要由聲音采集前端及聲音信號處理主機構成，其中聲音采集前端在隧道內間隔200 m布設，聲音信號處理主機布設在隧道機房內，隧道聲音有無車檢測系統采用供電和通信二合一總線將整個隧道的聲音采集前端并聯后接入聲音信號處理主機，實現了對隧道內車輛的準確定位，為隧道尤其是長隧道分段照明節能控制提供有力支撐。

圖1 系統整體架構圖

當隧道外的視頻車輛檢測器識別到車輛后，智能調光控制器根據采集到的洞外亮度值、色溫值、車流量、車速并結合隧道的參數計算出各回路當前的亮度值和入口加強照明的色溫值，通過各回路輸出端口輸出脈沖寬度調制(PWM)信號，分別對入口加強段、基本段、應急段、出口加強段的照明回路的亮度及入口段色溫進行調節，實現隧道“車來燈亮”。車輛進入隧道后，通過聲音有無車檢測系統識別車輛的具體位置，在車輛通過加強段后加強照明滅燈，車輛通過隧道后，出口加強段滅燈，基本應急照明調暗至保證隧道內其他設備工作所需要的約1 cd/m2的亮度，實現“車走燈滅”。特別是對于基本段和應急段采用多個照明回路進行分段控制的特長隧道，可以實現分段調節控制，實現“車過燈暗”的效果。各個隧道的智能控制系統通過公路的自建通信網絡將數據傳輸到路段中心管理服務器，通過服務器的智能調光控制軟件系統實現路段中心級的管理，用戶通過管理終端，可以在路段中心實現系統的實時管控及信息獲取。

1.2 系統特點

1.2.1 隧道聲音有無車檢測系統

為了精確感知隧道內車輛的實際行駛情況，本設計采用的聲音有無車檢測系統在隧道內間隔200 m布設雙麥克風，采集終端對隧道內車輛信息進行采集，通過對隧道內聲音的采集、提取、轉化而形成有效的車輛信息，用來識別車輛的具體位置，實現隧道內車輛位置的全覆蓋準確識別，為調光控制器執行節能操作提供了可靠安全的依據，提升了隧道的節能效果。

1.2.2 PWM信號雙參數控制

對于隧道入口加強段的雙色溫LED燈具，本文采用PWM脈沖寬度調制信號的兩個參數對燈具的亮度和色溫進行實時調節。通過控制分時發送兩組不同頻率的PWM信號來控制色溫燈具中的高低色溫的兩組燈珠陣列，通過兩組信號中各自PWM信號占空的變化實現兩組陣列燈珠亮度的不同比例混合，在保證總亮度一定的條件下，實現LED燈具的色溫調節。本設計采用一個信號的兩個參數來控制燈具的兩個不同變量，在不增加控制線纜的前提下實現了對雙色溫LED燈具的控制，降低了施工難度和成本，同時也保證了系統的穩定性。

1.2.3 色溫動態調節控制

本文設計的色溫控制系統通過在隧道入口停車視距處約150 m處布設一個色溫檢測儀，實現了對洞口外環境色溫的實時采集。調光控制器根據色溫采集儀采集洞外色溫并進行處理和轉換后的結果，在相應控制回路輸出PWM控制信號調節隧道加強段的照明燈具的色溫，減少不同時段隧道洞外與洞內的色溫差異，提高照明的舒適度，緩解駕乘人員的駕駛疲勞，保證行車安全。

1.3 控制流程圖

本文設計的隧道色溫可調照明節能控制系統，通過對各種情況的流程控制實現了系統高效安全的運行。該系統具有手動、時間和自動三種控制模式，具備故障告警及各種預案自動切換執行的功能。具體的控制流程如圖2所示。

圖2 系統控制流程圖

系統主要流程包括：系統各參數初始化→系統和外設自檢及故障識別→故障類型對應執行相應處理預案→系統控制模式選擇→依據外部設備采集的車流、車速、亮度、色溫等信息生產可執行的燈具回路控制信息→執行各回路燈具的控制→結束控制流程。系統運行后整個控制流程循環執行，發生未知異常后，主動釋放燈具控制權，保證燈具處于全亮的狀態，避免在系統發生未知故障時因照明不足而導致交通安全事故。

2 實際應用效果

本文設計的隧道色溫可調照明節能控制系統已在廣西都安至巴馬高速公路隧道進行推廣應用，根據隧道車流、亮度、色溫、車速等信息實現隧道照明綜合節能控制，實現了“車來燈亮”“車走燈滅”的實際控制效果。同時，實現了根據隧道外不同色溫環境進行自動調節達到洞內外色溫相適應的照明效果。為該工程項目提供了一整套照明控制方案，實現了安全、節能、舒適、可靠的隧道照明。

3 結語

本文根據實際應用場景設計的隧道色溫可調照明節能控制系統，采用視頻車輛檢測器作為系統的觸發信號，結合洞外亮度儀、車流量、車速、色溫檢測儀等相關影響因素，動態調節隧道照明各控制回路的亮度及入口加強回路的色溫，實現了“車來燈開，車走燈滅”的節能效果。采用的色溫采集儀實現了洞內色溫根據洞外色溫動態調節，給駕乘人員提供了更加舒適的照明體驗。采用的隧道聲音有無車檢測系統實現了隧道內無死角的車輛位置感知，保證了在隧道內無車狀態下對燈具的準確調節。設計的PWM信號雙參數對亮度和色溫的控制方式，減少了線纜的使用，降低了項目投入成本、施工難度及維護成本，提高了系統穩定性。本文所設計的系統在工程實踐中具有實用價值，在一定程度上提高了整個高速公路隧道照明的智能化水平，在隧道照明控制領域具有一定的參考價值。