“低碳经济”下高速公路隧道照明控制系统研究

丁 磊 李 震 田海东 王 帅 郑 伟 李良荣

(贵州大学理学院电子科学系，贵州贵阳 550025)

1 引言

随着经济规模的不断扩大，能源的使用造成的环境问题及后果正制约着人类社会的可持续发展。走生态文明发展道路正被国际社会所认同和重视，2013年全国“两会”的《政府工作报告》中提出:要坚持节约资源和保护环境的基本国策，着力推进绿色发展、循环发展、低碳发展。《国家节能减排十二五规划》中指出:突出抓好工业、建筑、交通、公共机构等重点领域和重点用能单位节能，大幅提高能源利用效率，有效减少主要污染物排放总量。

在当前“低碳经济”的发展背景之下，高速公路作为交通和公共服务设施理应做好相应的节能减排任务。目前我国高速公路隧道照明能源消耗巨大，如陕西西 (安)汉 (中)高速公路隧道全年照明电费接近2300万元［1］。据GLII(高工LED产业研究所)数据统计，截至2009年底中国公路隧道总数已达1782座，总长度704公里，是世界上公路隧道最多的国家。近两年仍以每年200公里左右的速度增长。可见隧道照明节能照明控制系统的研究具有很强的实际应用价值。本文针对目前高速公路隧道照明系统中存在的问题，提出了一种新的隧道节能照明控制方案，在保证隧道通行安全性的基础上，达到降低照明能耗的目的。

2 高速公路隧道照明存在的问题

我国2000年颁布了《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.101999)［2］(以下简称 《规范》)。《规范》在照明系统构成、洞外亮度和减光、隧道各照明段的长度与亮度、亮度总均匀度与纵向均匀度、调光分级、光源分级、灯具及布置、照度与亮度计算推荐方法等方面做出了详细的规范说明，对隧道照明技术研究起到了有力的推动作用［3］。就目前国内隧道照明发展现状来说，照明方式还可以改进，理由如下:

(1)无效照明浪费能源

目前，绝大多数高速公路隧道采用常明灯模式，无效照明和过度照明现象严重。尤其是在一些山区高速公路，车流量少 (夜间更少)，这种照明方式浪费了大量的能源。同时由于长时间处于点亮状态，照明灯具负荷运行，会造成使用寿命缩短，这又增大了隧道照明的成本。

(2)照明控制方式需要改变

目前的隧道照明控制系统的控制方式有3种:手动控制方式、分时段进行的时序控制方式和有级控制方式［4］。三种方式都无法做到依据隧道内的照明亮度与外界自然光的亮度智能调光。

虽然目前有一些隧道照明能实现3～6级照明等级控制，按时序和补偿方式对照明灯具进行不同的排列组合，但洞外亮度，车流量，车速等参数只是在设计阶段以最大值考虑，最终各段照明亮度也处于最大亮度状态，无效照明和过度照明的现象仍然较多［5，8］。

(3)隧道交通紧急状况的处理应该考虑

隧道交通具有半封闭、环境复杂的特点，是交通事故的多发路段［6］。因此对于隧道内紧急状况作出判断和处理，对于提高隧道通行安全性、减少交通事故发生率是十分必要的。然而目前的隧道照明控制系统普遍没有此功能。

3 隧道节能照明控制系统设计

3.1 节能照明控制系统结构

隧道照明节能智能控制系统采用大功率LED光源代替传统高压钠灯光源。通过对交通流量的实时监控，实现对隧道灯的选择性开关控制，做到“车近灯亮，车过灯灭”，从而改变了传统隧道照明常明灯的照明方式;通过对隧道内外环境亮度的检测，采用PWM控制实现对隧道照明多级调光功能，解决了传统有限级调光造成的隧道照明亮度变化不均，照明层次化明显的的问题;通过对隧道内交通情况的检测，对一些紧急情况作出判断和预处理 (如发出声、光报警或封锁相应事故车道等)，提高隧道通行的安全性。

为了实现上述功能，设计采用如图1所示的系统控制结构［7～8］。

图1 系统控制结构框图Fig.1 System control block diagram

控制系统中采用双处理器结构，中央控制器1用于实现对照明段的照明亮度进行调节，使之符合隧道照明《规范》要求，同时实现对紧急状态的处理。中央处理器2用于实现照明灯具的选择性开关控制，实现“车近灯亮，车过灯灭”控制。自然光传感器用于采集隧道外光亮度值，为中央处理器1提供调控参考信号。照度传感器安装于隧道灯具控制器上，用于采集隧道灯照明亮度的修正信号，弥补由于隧道内烟雾等干扰造成的光亮度衰减。灯具控制器用于接收中央处理器信息，并按照要求对隧道灯照明亮度和开关进行控制。应急状态控制器用于执行中央控制器对紧急事件做出的反应。

3.2 节能照明控制系统控制策略及计算模型

为了实现控制系统功能，必须采用现代控制理论，并且是多种控制模式相结合的方法。本设计系统采用逻辑控制与时序控制相结合的方式来实现隧道照明的相关控制。

3.2.1 隧道照明亮度计算模型

隧道照明系统的亮度依据《规范》计算，将整个隧道照明区域划分为五个照明段，即入口引导段、入口过渡段、隧道中段、出口过渡段、出口段。具体各照明段亮度要求如图2所示。

图2 各照明段亮度与长度Fig.2 Luminance and length in various lighting section

a.入口段:入口段亮度用Lth表示。我国现行的隧道设计规范对于入口段亮度设定为:

式中 Lth——入口段亮度 (cd m2);

k——入口段亮度折减系数;

L20(S)——洞外亮度 (cd m2)。

b.过渡段:过渡段亮度用Ltr表示。过渡段划分为TR1、TR2、TR3三个照明段，与之对应的亮度可按表1取值。

表1 过渡段亮度Table 1 Luminance in the transition section

表2 中间段亮度Table 2 Luminance in the middle section

d.出口段:出口段亮度用Lex表示，照明亮度取中段亮度的5倍。

在隧道各段照明中，以入口段亮度的最大值作为照明控制函数的最大输出亮度值，从而隧道各段亮度值可唯一确定。由于洞外亮度最大值为6000 cd m2，折减系数K最大值为0.045，考虑一定的余量，取亮度值为 300cd m2，对应的占空比为 0;0cd m2对应占空比为1。用L表示亮度值，d表示占空比变量，则可得出照明控制函数:

函数图像如图3所示。

图3 照明控制函数曲线Fig.3 Lighting control function curve

根据式 (1)得:

根据式 (2)，每输入一个亮度值就可以得到一个确定的占空比d。由此可以实现对LED灯照明亮度的线性分级［9］。

通过以上方法可以实现对于入口段和过渡段的照明亮度调节。中间段和出口段亮度调节通过“查表法”实现，实现方法如下:

由表2可知，中间段照明亮度受车流量和车速的影响并不是严格的线性关系，为实现该控制，采用“查表法”。系统将检测数据存入系统数据库，然后对历史样本数据均化处理并进行等级划分，由时序判断当前车流量所处等级和参考流量N，让N与表2中N0比较，通过“查表法”快速获得中间段照明亮度数值，同时也就确定了出口段的亮度值，通过公式 (2)获得与亮度适合的占空比d，从而实现中间段和出口段照明亮度调节。

3.2.2 隧道灯选择性开关控制算法

在保证隧道通行安全的基础上，隧道内无车通行时系统会暂时关闭照明灯，等待有车辆接近时再点亮以实现照明。这样的控制可以减少夜间隧道车流量较少情况下照明能源的消耗，尤其是在山区地带节约能源的效果将更加明显。为此，系统将在隧道中设置通行传感器 (包括电磁感应传感器、超声波传感器等)用于实时监测隧道内车流量。

为实现上述控制，对每一个通行传感器都赋予其一套照明方案，若隧道内同时有N辆车行驶，则系统会收到M(MN)套照明方案，设第j套方案对第i灯具的控制为，=0代表第j套方案控制的第i盏灯不亮;=1代表第j套方案控制的第i盏灯亮。那么=0→Di=0，表示对于任意一套方案都没有要求第i盏灯亮，则第i盏灯不亮;否则，=1→Di=1，表示存在一套方案要求第i盏灯亮，则第i盏灯亮，也就是对m个指令进行“或”运算，见表 3 所示［10］。

表3 控制方案Table 3 Control scheme

如此将实现隧道照明灯选择性亮灭 (车近灯亮，车过灯灭)控制，达到节约能源，进一步减少无效照明和过度照明。

4 隧道节能照明系统实现应解决的关键问题

现代隧道照明节能控制系统的主要研究在于如何实现照明系统的自动化、智能化，为此必须解决几个关键问题:

(1)系统控制的数据处理 (算法)

对于如何高效的计算传感器感知的信息量并产生准确的控制指令，是研究的关键问题之一;而如何准确地响应控制指令，并依据相应传感器感知的实时亮度信息计算产生有效的LED隧道灯控制脉冲，是研究的另一个关键问题。隧道外自然光照强度信号与隧道内照明灯光照强度信号的综合、运算，控制信号输出等，都是复杂的问题，它直接影响调整效率 (让照明灯具亮度在极短时间内达到设计照明标准)。涉及的主要问题有:

①LED隧道灯亮度调节控制数据的算法;

②隧道照明段亮度控制数据的算法;

③子控制器向主控制器报告工作状态数据的算法。

(2)控制系统的信息指令集编码方式

节能照明控制系统的控制信息主要包括两部分，一部分是中央控制器发出的各路段照明状态控制指令，另一部分是各照明路段向中央控制器发送的路段状态反馈指令。由于隧道照明实行分段照明，大量使用传感器实现实时控制，系统传递的信息量很大，如果处理不好会引起控制系统崩溃，严重影响系统稳定性。因此对于系统指令编码方式必须给予足够重视，认真加以研究。

(3)控制系统信息的通信机制

控制系统内有大量的数据信息传输，且有些隧道较长 (甚至是特长)，选用何种通信协议 (TCP、UDP等)进行信息交换，判断数据报可靠性的方法等非常重要，其直接影响信息通讯的效率 (本系统要求及时、准确)。因此，对通信机制进行研究是隧道照明控制系统开发所必须要做的工作。

以上几个问题关系到隧道照明节能控制系统的安全性和稳定性必须加以认真研究。

5 系统能耗分析

本文以亚洲最长市政隧道——贵州省贵阳市黔灵山公路隧道 (隧道全长1580m，设计时速60km，使用高压钠灯照明)为例，以说明本设计方案的节能优势。

基于隧道的基本情况为了便于计算，以高压钠灯间距10m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、维护系数以及隧道限界净宽、限界净高、灯具额定光通量等，LED灯具设计调整范围为80～130W，依据《规范》以及隧道实测的亮度数据实际使用时“平均取值90W”计算。不改变灯的布局，对高压钠灯和LED灯具做长明灯的年能耗比较，如表4所示。

从表4中可以看出，用LED灯具24小时照明可降低40%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“车近灯亮、车过灯灭”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。

表4 高压钠灯与LED灯具能耗比较Table 4 Energy consumption comparison of HPS and LED

6 结束语

新型隧道照明节能控制系统，从系统结构和系统功能方面进行了优化和创新，在保证隧道安全通行的基础上，最大限度节省了照明能源消耗。

据相关统计数据统计，我国照明耗电占全国发电总量的12%，而公共照明占照明总耗电的30%［11］。在“低碳经济”背景下，要建设资源节约型、环境友好型社会，公共交通的节能降耗也是节能减排工作的重要内容。就照明灯具来说，LED灯取代传统灯具作为道路照明无疑是未来的发展方向。随着现代控制理论的不断发展，隧道照明节能控制系统必将朝着功能更加多样化、控制智能化、管理人性化的方向发展。公路隧道照明节能控制系统开发与应用对高速公路管理部门具有良好的经济效益，对国家节能减排战略有积极作用。

［2］JTJ026.1—1999.公路隧道通风照明设计规范 ［S］.北京:人民交通出版社，2000年.

［3］王少飞，涂耘.我国公路隧道照明技术的发展与创新［J］.隧道建设，2010，30(Sup.1):199 ～205.

［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

［5］王少飞，邓欣，吴小丽.公路隧道照明控制技术综述［J］.公路交通技术，2010(2):132～138，146.

［6］张生瑞，马壮林，石强.高速公路隧道群交通事故分布特点及预防对策［J］.长安大学学报:自然科学版，2007，27(1):63～66.

［7］李良荣，潘鸣.公路隧道的智能照明装置［P］.中华人民共和国知识产权局，专利号:ZL201120012059.4，2011年8月31日.

［8］潘鸣，李良荣.基于LED的隧道智能照明技术方案研究 ［J］.电子设计工程，2011，19(22):157～159.

［9］潘海龙，周雒维，罗全明，刘丽莎.LED隧道照明智能控制系统［J］.测控技术，2011，30(8):49～52.

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［1］涂耘，王少飞，张琦等.西汉高速公路隧道照明系统评估研究 ［J］.照明工程学报，2010，21(5):15～21，36.