高速公路隧道項目LED照明智能控制系統(tǒng)及應(yīng)用探討

馬海力

摘要 我國山區(qū)面積廣，高速公路隧道數(shù)量多，隧道照明電費在隧道運營總成本中的占比較高，當(dāng)前國家正大力推行“雙碳”政策，研究并應(yīng)用公路隧道LED照明節(jié)能技術(shù)，已成為響應(yīng)該政策的重大舉措?；诖?，文章以某公路隧道機電工程為案例，論述了公路隧道照明出現(xiàn)的問題，分析了LED照明無極調(diào)光技術(shù)，設(shè)計了LED調(diào)光控制系統(tǒng)，根據(jù)隧道外的光線亮度，動態(tài)調(diào)整隧道內(nèi)的亮度值，確保各區(qū)域亮度平穩(wěn)過渡。通過應(yīng)用該照明系統(tǒng)，結(jié)果顯示，一方面能滿足公路隧道內(nèi)照明需求，確保行車安全，另一方面還可降低電能消耗，具有極大的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 高速公路隧道項目；隧道照明；LED照明智能控制系統(tǒng)；節(jié)能系統(tǒng)

中圖分類號 U453.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0024-03

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，高速公路建設(shè)總里程快速增加，受山區(qū)地形影響，所建公路隧道已有兩萬多條。20世紀中期，歐美國家研制出了隧道照明智能調(diào)光控制技術(shù)，并得到了廣泛應(yīng)用，這是隧道照明技術(shù)的重大進步。相比之下，我國在該領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)落后，且標準較低。為此，制定隧道燈具布置方案，加大相關(guān)理論的研究力度，確保隧道內(nèi)行車安全，而且還能降低照明能耗具有極大的現(xiàn)實意義。該文運用機電工程領(lǐng)域的專業(yè)理論知識，設(shè)計出了高速公路隧道LED照明智能控制系統(tǒng)，取得了良好的應(yīng)用效果[1]。

1 高速公路隧道照明調(diào)光控制

1.1 調(diào)光控制的傳統(tǒng)方式及存在問題

公路隧道照明分為5個階段，分別是入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、過渡段、中間段、出口段。調(diào)光控制系統(tǒng)主要分為基本回路2個、加強回路4個、應(yīng)急回路1個。照明回路控制系統(tǒng)共分為6檔，分別應(yīng)對不同天氣條件而進行回路的開關(guān)控制，從而合理調(diào)節(jié)公路隧道亮度。該控制方式是通過控制上述6級預(yù)設(shè)開關(guān)的燈具組，確保各天氣條件下，隧道內(nèi)亮度滿足安全行車的需求，并降低電能消耗。

以上調(diào)光控制方式的不足主要表現(xiàn)為以下三方面：

（1）由于光源亮度會不斷衰減，且光效存在差異，因此設(shè)定照明燈功率時，需要設(shè)計維護系數(shù)，并有設(shè)計冗余，這就導(dǎo)致存在過度照明的問題，回路控制并不能有效解決問題。

（2）為減少電能消耗，會關(guān)閉部分回路，使得隧道內(nèi)光照不均勻，由此導(dǎo)致駕駛?cè)藛T產(chǎn)生視覺疲勞，嚴重影響行車安全。

（3）由于照明回路效能存在差異，導(dǎo)致燈具的照明時長各不相同，隧道內(nèi)燈具通常要求全天開啟，白天需開啟陰天照明燈具，隧道外較亮?xí)r開啟晴天照明燈具，各燈具使用時長存在差異，長時間開啟基本照明燈具，必然會減少其使用年限，且推高維保費用?，F(xiàn)場了解后發(fā)現(xiàn)，隧道運營方向隧道照明系統(tǒng)供電時，會開啟白天照明燈具，晚間則開啟基本照明燈具，致使白天隧道內(nèi)亮度不夠，夜間過度照明，造成電能浪費[2-4]。

1.2 LED隧道燈調(diào)光控制方措施

LED照明調(diào)光控制方式有無極調(diào)光、燈群組以及燈管列陣3種。后2種方式屬于分級控制方式，亮度分級調(diào)節(jié)數(shù)量會受到一定的限制。由于分級調(diào)節(jié)具有較高難度，隧道內(nèi)各區(qū)域亮度不容易實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，易產(chǎn)生暗區(qū)，由此導(dǎo)致出現(xiàn)斑馬效應(yīng)。相比之下，第一種控制方式能進行256級調(diào)光，經(jīng)實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)光級數(shù)增多時，可實現(xiàn)更廣范圍的燈光調(diào)節(jié)，并且更加匹配洞外光線亮度，與亮度曲線更加吻合，可充分滿足駕駛?cè)藛T眼睛對光線的需求，隧道內(nèi)照明亮度更加均勻，調(diào)光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，更容易實現(xiàn)精準控制。通過對比分析隧道燈不同的調(diào)光控制方式，該文采用了第一種控制方式，即無極調(diào)光控制方式[5]。

2 LED照明無極調(diào)光技術(shù)研究

2.1 LED燈具控制器調(diào)光技術(shù)分析

燈具亮度控制方式主要分為電壓控制電流源（CVCCS）亮度控制、電阻和晶體管限流亮度控制以及脈沖寬度調(diào)制亮度控制等3種。通過對3種控制方式進行比較可知，脈沖寬度調(diào)光具有較高的準確度，色譜不會發(fā)生偏移，因此選用第三種控制方式，即PWM模式。采用PWM控制燈光亮度，就是通過直流電壓，輸出穩(wěn)定的電壓，當(dāng)電阻被限流后，使用PWM控制晶體管的導(dǎo)通時間，從而實現(xiàn)對電源電流、燈光亮度的控制（如圖1所示）。限流電阻、晶體管、變壓器等都會消耗部分電能，采用這種調(diào)光控制方式，能有效地降低正向?qū)娏髟谡麄€電源系統(tǒng)中的比重，還可根據(jù)實際需要不斷進行轉(zhuǎn)換，由此實現(xiàn)LED燈具亮度的最佳控制效果[6-7]。

2.2 控制信號傳輸方式

為有效控制信號傳輸，該文選用的是PWM脈沖調(diào)光控制方式，PWM脈沖在傳輸過程中不易受到外部因素的干擾，傳輸線路較為簡單，能長距離控制信號，控制器具有較大的負載量。設(shè)計PWM調(diào)光控制器，為增強PWM頻率，需加大其輸出電流，并保證能穩(wěn)定輸出信號，從而實現(xiàn)PWM數(shù)字信號的長距離傳輸。通過現(xiàn)場實測可知，該信號傳輸方式，可將信號最遠傳輸2 km，若要求超過該距離，則應(yīng)配合信號放大器的使用?，F(xiàn)階段，高速公路隧道燈具的亮度控制多為PWM調(diào)光方式，一般可控制1.5 km內(nèi)的亮度。相比之下，使用PWM數(shù)字傳輸控制信號，對于燈具編址并未有特殊要求，能同時控制不同類型燈具的調(diào)光[8]。

3 LED照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LED照明無極調(diào)光控制系統(tǒng)主要由亮度檢測器、主控制器、調(diào)光控制器、燈具控制器、照明燈具和控制總線等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)工作原理分析

亮度采集器收集隧道外的亮度值，并將其傳輸至系統(tǒng)主控制器。后者根據(jù)實際數(shù)值，算得LED隧道燈的亮度值。各個位置的亮度值存在一定的差異，隧道內(nèi)外的亮度值具有較大差異，采用該控制系統(tǒng)，有利于隧道內(nèi)外亮度的平穩(wěn)過渡，保證汽車駕駛?cè)藛T的視覺效果良好，提高隧道內(nèi)行車的安全性。通過主控制器算出的亮度值，產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)光指令，并控制縱向到調(diào)控器，由此完成任何功率大小的無極調(diào)光。

4 LED照明無極調(diào)光控制系統(tǒng)方案及應(yīng)用

利用亮度檢測裝置對隧道內(nèi)外的亮度值實施檢測，所得數(shù)據(jù)經(jīng)控制總線傳輸至主控制器，后者結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)的控制列表，采取具體的控制措施，亮度信號經(jīng)調(diào)光控制器處理后，形成PWM數(shù)字信號，并被發(fā)送至燈具控制器中。燈具的電流受控于系統(tǒng)控制器，輸出的電流值會出現(xiàn)一定的變化，LED燈具受其影響，其光流量輸出值發(fā)生相應(yīng)改變，由此實現(xiàn)對隧道內(nèi)亮度的調(diào)控[9]。經(jīng)綜合分析該高速公路隧道機電工程的實際情況，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)了潛在問題，并提出相應(yīng)的解決措施，以達到提升控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

（1）控制系統(tǒng)存在電壓損耗問題，由此會影響信號強度，為有效控制傳輸信號，實現(xiàn)遠距離傳輸，采用PWM數(shù)字控制信號，完成部分距離傳輸后，檢測電壓下降情況，可根據(jù)實際需要，安裝使用信號放大器。該文工程案例中，其隧道長度為2.7 km，在其內(nèi)部設(shè)置控制器，由中間向兩端控制信號，從而提升傳輸效率，圖3為調(diào)光控制器布設(shè)圖。

（2）當(dāng)照明系統(tǒng)出現(xiàn)斷電，或電源發(fā)生故障時，不能向燈具輸入信號，導(dǎo)致無法輸出信號，此時控制系統(tǒng)的電壓等于零，隧道內(nèi)燈具不亮，或者實際照明達不到應(yīng)急照明的標準，從而嚴重降低隧道行車安全性，可能會引發(fā)交通事故。為此，設(shè)計調(diào)光控制系統(tǒng)時，若系統(tǒng)無輸入電壓，應(yīng)確保隧道內(nèi)燈光亮度為最大，其最小亮度至少為額定值的10%[10]。只有這樣，在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，應(yīng)急電源立即開啟，從而確保隧道內(nèi)亮度滿足行車需求，以防止發(fā)生交通事故。

5 結(jié)語

綜上所述，該文設(shè)計了LED照明無極調(diào)光控制系統(tǒng)，提出了相應(yīng)的調(diào)光控制方案，并將其應(yīng)用于某高速隧道機電工程中，取得了良好的控制效果。在高速公路隧道照明控制中應(yīng)用該系統(tǒng)，可節(jié)約照明用電40%～60%，并有利于提升隧道內(nèi)行車安全性。由此可知，該系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟價值與社會效益，可進行廣泛的推廣應(yīng)用。

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