基于LED的隧道智能照明技术方案研究

潘 鸣，李良荣

（贵州大学理学院 电路与系统，贵州 贵阳 550025）

1 隧道照明设计要领

白天驾驶员驾驶车辆从隧道外接近、进入和通过隧道的过程中，如果隧道没有照明装置，由于隧道内外亮度差别极大，入口处将呈现一个“黑洞”，出口处则看到一个“亮洞”；夜间驾驶员行车进入和通过有照明系统的隧道，情况就又刚好相反，这些现象都会引发安全事故。为此，《公路隧道通风照明设计规范》制定了相关的规范[1]，对入口段、过渡段、中间段、出口段的亮度做了详细的规定，相关规定如下：

1）入口段亮度需求 Lth（cd/m2）

式中 k 为折减系数，L20（S）为洞外亮度（cd/m2）

2）过渡段亮度需求

照明段TR1的亮度Ltr1如下：

照明段TR2的亮度Ltr2如下：

照明段TR3的亮度Ltr3如下：

积雪在短时间内不同时相高分四号卫星近红外图像上均表现为稳定的强反射特征，而同一区域不同时相的云层受到成分、厚度、高度等因素影响，其反射值会出现波动.因此，在基于多时相全色图像得到的雪盖范围内，针对高分四号卫星近红外波段图像，进行多时相近红外图像的最小值合成.结合积雪在近红外波段的高反射特征，通过二值化分割，取亮度值不小于0.9倍动态范围值的像元为雪.由于这是在全色图像上提取积雪范围的基础上进行的再处理，因此，采用基于动态范围的相对阈值作为门限值，就可进一步消除变化云层因素的影响，计算方法如下：

3）中间段亮度 Lin，如表1所示。

表1 中间段亮度规范Tab.1 Specifications for design of the middle section

4）出口段亮度

亮度取中间段亮度的5倍。

夜间照明分两级控制[1]：交通量较大时，亮度与中间段亮度Lin相等；交通量较小时，亮度为0.5Lin但不小于1 cd/m2。

2 LED智能灯的设计方案

2.1 隧道中LED智能灯具照明与传统灯具照明的比较

1）传统的隧道照明方案

传统的隧道照明方案为了做到节能，通常采用4级照明，即晴天、云天、阴天和重阴天4种照明模式[2]，这种控制方式一般采用的都是控制亮灯的数量和位置来达到分级照明的目的。采用的灯也是传统的高压钠灯，由于高压钠灯光源的功率规格通用型只有100 W、150 W，250 W和400 W几种，而许多高速公路隧道基本照明灯具仅需40～120 W即可，但目前隧道的基本照明通常选用100 W、150 W或更高的高压钠灯[3]，普遍存在过度照明，或要人工控制的问题。

在设计灯具功率时，必须要考虑一定的维护系数，这样才能确保在实际的运营过程中当灯具光源亮度衰减和灯具受到污染而使亮度下降30%以上时，其照明的强度依然能够满足规范的要求。

在《公路隧道通风照明设计规范》中规定，维护系数取0.7，如某隧道实际需要80 W的灯具，那么设计的时候灯具功率最少要选115 W；同时还要考虑到灯具会随着时间的推移，自身会有损耗，为了确保灯具能符合设计规范，就必须有一定的冗余量，一般取1.7倍，那么设计的时候灯具功率[4]就要高于136 W，于是选用150 W的高压钠灯。

2）LED智能灯具照明方案

LED有发光效率高、寿命长、易控制等特点。如某隧道实际需要80 W的灯具，用LED智能灯就可以控制成80 W的规格，避免过度照明。根据隧道外的亮度智能化控制隧道内LED灯的照明亮度，特别是入口段、过渡段这两段的亮度调节，即根据隧道的设计行车速度来设计该路段需要多亮，照明灯具就控制多亮（LED智能灯也必须有一定的冗余量），以避免过度照明，这样可以节约电能，减少污染排放。

2.2 LED模拟灯具设计

如图1所示为用1 W台湾晶元正白光大功率灯珠制成的24 W模拟隧道灯；灯具控制系统中采用了达林顿控制电路，使实验中LED灯珠达到了最佳的亮度（110 lm）；模拟灯具标准光通量为2 500 lm（Tj=25℃），最大的光通量达到7 500 lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。

图1 模拟隧道灯Fig.1 Simulation LED lamp

3 系统方案设计

3.1 LED智能灯电路系统方案

本方案设计有两套控制电路，一套控制LED灯组的照明亮度，另一套控制灯具的照明亮度。课题组在模拟隧道外设置了一个亮度监控装置，将自然光强度转化为0～5 V的直流电压信号，再经ARM7（stm32f103vc，中央控制器）分析计算，控制LED灯的照明亮度使之符合国家规范 （段亮度控制指令）；同时在模拟隧道内也设置了亮度监控装置，对模拟隧道内相应路段的照明亮度进行信号采集、并分析计算，如果照明亮度不足，就自动调整提高相应LED灯的亮度，做到智能补光，以有效补偿因灯具损耗或受灰尘、尾气等因素产生的照明亮度减弱。

3.2 分段照明控制设计

来车检测传感器等间距设置如图2所示，D1为距离隧道口一段距离的感应带，当有车行到D1处时，D1采集的信号传到中央控制器处理后让D2→D3路段灯组点亮；当车行至D2时，D2采集的信号让D3→D4灯组点亮；当车行至D3处时，D4→D5段点亮，此时如果D1→D3段内无车经过，则熄灭D2→D3灯组；之后的灯组以同样的原理控制。此方案在车流量较少的高速公路隧道使用，节能效果更加明显。方案如能得到推广，将为国家节省下大量的电能，为我国的节能减排做出巨大贡献。

图2 分段控制传感器设置方法Fig.2 Design of segmented lighting control

3.3 耗能比较

文中以亚洲最长市政隧道——贵州省贵阳市黔灵山公路隧道为例，以说明本设计方案的节能优势，隧道全长1 580 m，设计时速60 km，使用高压钠灯照明。

入口段：长90 m，三盏灯一组，两侧间隔布置，每盏灯功率为150 W，灯组间距5 m。

过渡1段：长30 m，三盏灯一组与两盏灯一组间隔布置，两侧对称布置，每盏灯功率为150 W，灯组间距5 m。

过渡2段：长70 m，两盏灯一组，两侧间隔布置，每盏灯功率为150 W，灯组间距5 m。

基本1段：长610 m，一盏灯一组，两侧间隔布置，每盏灯功率为150 W，灯组间距10 m。

基本2段：长750 m，右侧一盏灯一组，灯组间距10 m，每盏灯功率为150 W；左侧一盏灯一组，间隔点亮，灯组间距10m，每盏灯功率为150 W。

出口段：长35 m，三盏灯一组，两侧间隔布置，每盏灯功率为150 W，灯组间距5 m。

基于隧道的基本情况，为了便于计算，以高压钠灯间距为10 m，两侧间隔布置来进行分析，那么单洞两侧总计至少有300盏灯。隧道高压钠灯功率采用150 W；为达到设计照明要求，需要考虑一定的冗余量、维护系数以及隧道建筑限界净宽、限界净高、灯具额定光通量等，LED智能灯设计调整范围为80～130 W，依据《公路隧道通风照明设计规范》以及隧道实测的亮度数据实际使用时 “平均取值90 W计算”，不改变灯的布局，对高压钠灯和LED智能灯做长明灯的年能耗比较，如表2所示。

表2 高压钠灯与LED智能灯能耗比较Tab.2 Compare of energy consumption between high pressure sodium lamps with LED Intelligent lamps

从表2中可以看出，用LED灯具24小时照明可降低60%的能耗，以0.30元/度的电价计算，仅是此段隧道每年将减少4.7万元照明电费开支。就目前通过该路段的车流量来算，如果实施“有车经过点亮、无车关闭”的照明方案，最少还可降低25%的能耗（1/4的时间关闭照明）。该方案如果推广全国高速公路隧道照明，对高速公路营运部门来说，有良好的经济效益；对国家节能降耗战略来说，社会效益显著。

4 结束语

本方案基于西部隧道照明的实际情况设计的灯具结合了嵌入式系统和LED灯，不仅使灯具照明智能化、数字化，而且性能稳定、工作可靠；同时使用分段控制技术取代传统的整段控制技术，在节能上有着明显的优势，为今后的隧道照明方案提供了一种新的参考。

[1]中华人民共和国行业标准，《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999）[M]. 北京：人民交通出版社.2000：44-46.

[2]杨晓光，吕晓峰.隧道LED亮度智能无级控制系统节能分析[J].交通世界，2008（10）：104-106.

YANG Xiao-guang， LV Xiao-feng.Theenergy saving analysis of intelligent wireless control system for brightness of tunnel LED[J].Traffic World，2008（10）：105.

[3]韩直，吕晓峰，尹林，等.公路隧道LED照明调光控制技术研究[J].中国交通信息产业，2009（10）：99-102.

HAN Zhi， LV Xiao-feng， YIN Lin， et al.The research of LED lighting dimming control technology on road tunnel[J].Transportation Information Industry，2009（10）：99-102.

[4]饶颂涛.浅谈LED照明灯具亮度智能化无级控制技术在公路隧道中的应用[J].科技信息，2009（13）：335-336，345.

RAO Song-tao.Introduction about the application of intelligent control technology On the brightness of LED lighting-class in highway tunnel[J].Science and Technology Information，2009（13）：335-336，345.

[5]张驰，王洵，徐沛娟.公路隧道LED节能照明及控制系统试验研究 [J].新技术新工艺·数字技术与机械加工工艺装备，2009（9）：68.

ZHANG Chi， WANG Xun， XU Pei-juan.The research of highway tunnel energy-saving LED lighting and control system[J].New technologies·digital processing equipment and machinery，2009（9）：68.

[6]李良荣.可编程时间控制器的设计[J].贵州大学学报：自然科学版，1999（3）：232.

LI Liang-rong.Design of programmable time controller[J].GuizhouUniversity Transaction：NaturalScience，1999（3）：232.

[7]郭俊凯.智能调控装置在九岭山隧道照明中的应用 [J].技术，2009（11）：108，117.

GUO Jun-kai.The application of intelligent control device in tunnel lighting of jiuling mountain[J].Technology， 2009（11）：108，117.