路 楊 黎碧波 張春化 馬榮貴

（1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安710075；2.長安大學(xué)，陜西 西安710064）

0 引言

隧道是一種特殊的管狀構(gòu)造物，車輛進(jìn)入隧道的過程是一個(gè)明暗交替的過程，往往會(huì)產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，容易發(fā)生交通事故。隧道照明控制就是在確保行車安全的前提下，盡可能節(jié)約照明電能，降低運(yùn)行成本。目前公路隧道照明使用最多的是高壓納燈，這種光源啟動(dòng)時(shí)間長，節(jié)能采用多回路控制。LED即發(fā)光二極管，是第4代照明光源，即21世紀(jì)綠色節(jié)能光源，具有無污染、光效高、耗電量小、壽命長（理論壽命達(dá)10萬h）等優(yōu)點(diǎn)。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED隧道照明發(fā)展迅猛，我國的個(gè)別高速公路隧道實(shí)施LED節(jié)能照明示范工程。目前，LED隧道照明控制大多與高壓鈉燈照明一樣，沒有采用按需照明、智能控制。LED燈響應(yīng)迅速，其啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間為納秒量級(jí)，每次點(diǎn)亮只是瞬間過程，因此完全可以針對(duì)使用環(huán)境變化對(duì)其亮滅明暗實(shí)現(xiàn)智能控制，以充分節(jié)省電能，延長隧道燈壽命，使隧道燈照明系統(tǒng)更趨合理。

1 LED照明燈開發(fā)

1.1 LED照明燈無級(jí)亮度調(diào)節(jié)

LED無級(jí)調(diào)光解決方案及規(guī)范一直在不斷變化中，現(xiàn)在市場(chǎng)上存在模擬、可控硅（TRAIC）和脈寬調(diào)制（PWM）3種調(diào)光方案。PWM調(diào)光是一種利用簡單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開關(guān)白光LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù)。它以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率（通常高于100 MHz）在零電流和最大LED電流之間進(jìn)行切換，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。該占空比改變了有效平均電流，從而可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3 000∶1的調(diào)光范圍（僅受限于最小占空比）。由于LED電流要么處于最大值，要么被關(guān)斷，所以該方法還具有能夠避免在電流變化時(shí)發(fā)生LED色偏的優(yōu)點(diǎn)，而在采用模擬調(diào)光時(shí)這種LED色偏現(xiàn)象是很常見的。

1.2 LED照明燈電源控制器

每個(gè)LED照明燈的亮度可調(diào)，是智能節(jié)能控制的基礎(chǔ)，而現(xiàn)有的LED照明燈沒有這樣的功能。為了對(duì)LED照明燈亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，就必須研制電流可調(diào)的電源控制器，設(shè)計(jì)采用恒壓電源結(jié)合低壓恒流模塊結(jié)合的方案。恒流模塊采用NS公司生產(chǎn)的L M3409 HV芯片，該芯片輸入電壓范圍12～70 V，輸出電壓范圍12～60 V，輸出恒流，而且有PWM電流控制端，適合系統(tǒng)應(yīng)用。一種電源控制器可以適應(yīng)系列LED燈，比如1個(gè)75 W／54 V恒壓電源結(jié)合1個(gè)恒流模塊，可以適應(yīng)40 W、50 W、60 W、70 W系列隧道燈；1個(gè)150 W／54 V恒壓源配2個(gè)恒流模塊，可以適應(yīng)100 W、140 W等規(guī)格的隧道燈。PWM控制恒流模塊原理如圖1所示，包括直流電源、防反接電路、PWM控制電路及續(xù)流電路、大功率LED光源。直流電源通過防反接電路連接PWM控制電路和續(xù)流電路，續(xù)流電路連接PWM控制電路，大功率LED光源與PWM控制電路相連。直流電源經(jīng)防反接電路給PWM控制電路供電，PWM控制電路和續(xù)流電路為大功率LED光源提供穩(wěn)定的設(shè)定的電流。

圖1 PWM控制恒流模塊原理圖

2 高速公路隧道LED照明智能控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)傳感信號(hào)和控制信號(hào)通過光纖在遠(yuǎn)程控制中心和隧道間傳輸，現(xiàn)場(chǎng)控制器和LED照明燈之間的信號(hào)用無線方式傳輸。

圖2 高速公路隧道LED照明智能控制系統(tǒng)組成圖

2.2 控制模式

（1）自動(dòng)模式（遠(yuǎn)程控制）。按需照明，依據(jù)洞內(nèi)外亮度、車流量和車速自動(dòng)調(diào)整照明燈亮度。洞內(nèi)局部因煙或霧能見度降低時(shí)，照明亮度自動(dòng)增加，保證安全；洞外亮度強(qiáng)時(shí)，照明亮度自動(dòng)增加。當(dāng)沒有車輛時(shí)，系統(tǒng)將使洞內(nèi)維持最低亮度；當(dāng)有車輛到來時(shí)，系統(tǒng)很快將洞內(nèi)增至需要的亮度，從而避免隧道長時(shí)間無車照明。車速越高，照明燈亮度越強(qiáng)。（2）時(shí)序模式（遠(yuǎn)程控制）。按季節(jié)、時(shí)段和天氣自動(dòng)調(diào)整照明燈亮度。在自動(dòng)控制信號(hào)出現(xiàn)故障等情況下，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為該模式。時(shí)間自動(dòng)讀取計(jì)算機(jī)時(shí)鐘。每天拂曉和傍晚亮度變化劇烈的時(shí)段，每15～30 min自動(dòng)調(diào)整亮度一次；其他時(shí)段每1～2 h自動(dòng)調(diào)整亮度一次。天氣狀況分為晴、多云、陰和重陰，人工輸入。（3）手動(dòng)模式（遠(yuǎn)程控制或現(xiàn)場(chǎng)控制）。人工手動(dòng)控制照明燈的開、關(guān)和改變照明燈亮度，用于檢修等情況?？刂栖浖鹘缑嫒鐖D3所示。

圖3 控制軟件主界面

3 示范工程實(shí)施效果

黃沙嶺隧道和嶺底隧道是LED照明示范工程，實(shí)施按需照明智能控制。黃沙嶺隧道和嶺底隧道雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100 k m／h，照明燈具采用左右兩側(cè)雙排布設(shè)。黃沙嶺隧道左線ZK103＋930～ZK107＋909，長3 979 m；右線 K103＋934～K107＋951，長4 017 m。嶺底隧道左線ZK103＋041～ZK103＋826，長785 m；右線K103＋285～K103＋820，長735 m。

3.1 照度均勻性

為了對(duì)比平面光源LED燈和高壓鈉燈照度均勻性，分別測(cè)量了黃沙嶺隧道LED照明中間段照度和小黃川隧道高壓鈉燈照明中間段照度。黃沙嶺隧道中間段和小黃川隧道中間段布燈方式均為雙側(cè)對(duì)稱布置，間隔為8 m。測(cè)量時(shí)在路面橫向和縱向每間隔0.8 m畫出記號(hào)，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的照度。

左車道的左側(cè)和右車道的右側(cè)均靠近電纜溝，照度測(cè)量值受電纜溝側(cè)面涂的黃色或黑色油漆影響，波動(dòng)太大，因此去掉最靠邊列的照度數(shù)據(jù)。黃沙嶺隧道LED照明中間段照度測(cè)量結(jié)果如圖4所示，小黃川隧道高壓鈉燈照明中間段照度測(cè)量結(jié)果如圖5所示。LED燈照度最大值63.4 lux、最小值46.3 lux，二者之差為17.1 lux；高壓鈉燈照度最大值63.2 lux、最小值45.5 lux，二者之差為17.7 lux。和高壓鈉燈相比，平面光源LED照度值起伏較小、相鄰點(diǎn)變化小。

按照J(rèn)TJ026.1—1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，路面總亮度均勻性為最小亮度與平均亮度之比。以下用最小照度與平均照度之比表示路面總照度均勻性。LED燈整個(gè)區(qū)域的最小值為46.3 lux、平均值為48.85 lux，均勻性為0.95；高壓鈉燈整個(gè)區(qū)域的最小值為45.4 lux、平均值為48.2 lux，均勻性為0.94。二者均超過要求的0.4。

3.2 照明耗電

對(duì)小黃川隧道高壓鈉燈的功率和照度進(jìn)行了測(cè)量。2個(gè)隧道中間段照明均為8 m間隔，雙側(cè)布燈，每8 m的平均功率和照度對(duì)比如表1所示。黃沙嶺隧道中間段LED單燈設(shè)計(jì)功率為50 W，亮度設(shè)置為90%時(shí)的平均照度為48.85 lux，2盞燈的實(shí)測(cè)平均功率為88 W；小黃川隧道中間段高壓鈉燈單燈設(shè)計(jì)功率為70 W，平均照度為48.20 lux，2盞燈的實(shí)測(cè)平均功率為161 W。在照度不低于高壓鈉燈的條件下，LED燈的電功率降低45.3%。

圖4 黃沙嶺隧道LED照明中間段照度

圖5 小黃川隧道高壓鈉燈照明中間段照度

表1 黃沙嶺LED燈照明和小黃川隧道高壓鈉燈照明的功率和照度對(duì)比

4 結(jié)論

通過以上分析可知，和高壓鈉燈相比，平面光源LED照度值起伏較小、相鄰點(diǎn)變化小。在照度不低于高壓鈉燈的條件下，LED燈的電功率降低45.3%。

［1］江西省交通運(yùn)輸廳信息中心.交通運(yùn)輸行業(yè)第二批節(jié)能減排示范項(xiàng)目推廣材料之十——隧道LED節(jié)能照明在江西景鷹高速公路高傍下隧道的應(yīng)用，2009

［2］朱磊.公路隧道LED照明節(jié)能控制研究.長安大學(xué)，2011

［3］JTJ026.l—1999 公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范