公路隧道LED照明模拟控制系统设计

郑　军　简　婧

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

公路隧道LED照明模拟控制系统设计

郑军简婧

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要为更有效地设计隧道照明，针对隧道LED照明模拟设计欠缺的现状，基于Zigbee无线通信研发了隧道LED照明模拟控制系统，提出并设计了车载照度采集装置，实现对隧道内亮度的连续检测。实验分析表明：车载照度采集装置误差在-5.69%～3.06%之间，隧道模型设计亮度误差在-4.49%～5.57%之间，具有较高的可靠性。最后，研究成果已应用到隧道照明改造的模拟设计中，改造后节能百分比达53.6%。

关键词隧道照明 LED模拟控制Zigbee无线通信

目前，我国大多高速公路隧道仍然采用高压钠灯照明，而高压钠灯显色指数低，寿命短，用电量大，不能进行按需照明，造成了大量的能源浪费与经济损失[1-2]。如何在隧道照明施工前对隧道照明进行有效的模拟设计，在保证隧道安全照明亮度的情况下节约电能，国内外学者针对隧道照明模拟控制系统设计与节能开展了深入研究。D.Gacio[3]设计了隧道LED模拟照明智能控制系统，该系统可实现对隧道内各照明段亮度的实时检测与控制。潘海龙等[4]为缓解驾驶者在穿越隧道时的眩光效应和节约电能，设计了大功率LED隧道照明控制系统，手动控制时系统的调光范围在0%～100%之间。崔丰曦[5]以无极灯为照明灯具开发了隧道照明控制模型，可实时检测隧道模型各照明段的亮度，并分时段控制隧道内亮度，节能效果较好。Leitao等[6]在获得隧道模型各照明段灯具分布的基础上，自动控制隧道模型中不同位置灯具的发光强度，达到最优照明效果。

目前国内外的模拟照明控制系统仅对隧道模型与照明调光控制进行了详细设计，而亮度检测仍局限于单照明段的检测，未实现隧道内亮度的连续与任意点检测，不能有效地对隧道照明进行无极调光控制。针对上述问题，笔者基于《公路隧道照明设计细则》[7]与Zigbee无线通信技术开展隧道LED照明模拟控制系统研发，以实现隧道模型连续点亮度的检测与隧道照明的自动控制，为隧道LED照明的模拟设计提供支持。

1隧道LED照明模拟控制系统原理

在隧道LED照明控制中，通过实时输入隧道外亮度、隧道内车流量与车速等数据模拟隧道中实时采集的数据，应用隧道LED照明智能调光算法分析，在满足《公路隧道照明设计细则》需求亮度时，计算得到各照明段的调光数据，并将其传送到隧道LED调光控制器，调光控制器将调光信息分配到各照明段LED驱动单元调节灯具的亮度，以实现对隧道照明的自动控制。图1为隧道LED照明模拟控制系统原理。

图1　隧道LED照明模拟控制系统原理

2隧道LED照明模拟控制系统

隧道LED照明模拟控制系统包括隧道实验环境模型、隧道硬件控制系统与隧道LED照明智能管理系统3大功能模块，其中硬件控制系统包括车载照度采集装置与LED调光控制系统2部分。根据控制系统网络结构可分为应用管理层、无线通信层与物理层。如图2为隧道LED照明模拟控制系统的3层结构。

图2　隧道LED照明模拟控制系统结构

2.1隧道实验环境模型

在隧道照明设计时，为使隧道模型更适合模拟比选各照明方案，基于《公路隧道设计规范》[8]的规定，等比例20倍缩小隧道尺寸，得到隧道模型的设计尺寸如表1，隧道模型中灯具的安装高度为28cm。

表1　隧道模型尺寸

在《公路隧道照明设计细则》中，隧道分入口段、过渡段、中间段与出口段照明，入口段包括入口段1与入口段2照明，过渡段包括过渡段1、过渡段2与过渡段3照明，出口包括出口段1与出口段2照明。在照明设计中，由于过渡段3亮度比中间段亮度低，不利于隧道照明安全，此处去掉《公路隧道照明设计细则》中过渡段3照明。为了使隧道模型的适用性更广，此处设计车速为100 km/h，车流量为1 200 veh/(h·ln)，洞外亮度为4 000 cd/m2。计算得到隧道模型基本参数见表2，搭建的隧道实验环境模型见图3。

图3　隧道实验环境模型

2.2隧道硬件系统

2.2.1车载照度采集装置

隧道亮度采集是数据采集的基础部分，是数据的集中体现。由于隧道模型较小，人工无法进入测量。为了实现对隧道模型亮度的连续与任意点测量，选用GY-30传感器用于照度采集，低功耗、高速的ATmega16L芯片作为核心主控单元[9]，DRF1605单元为Zigbee无线通信媒介，设计了车载照度采集装置。为确保照明控制的实时性，车载照度采集装置以5s为一个周期采集亮度数据，定时向隧道LED照明管理系统上传亮度数据，确保隧道照明控制的实时性。图4为安装在遥控小车上的车载照度采集装置。

图4　车载照度采集装置

2.2.2LED调光控制系统设计

为了对隧道各照明段进行调光控制，设计了隧道LED照明调光控制系统。由于隧道分7个照明段，需同时输出7路占空比信号调节灯具亮度，此处选用ATmega128芯片作为调光控制的核心，同时输出调光所需的7路占空比信号；LEDDRIVE-SW12模块为LED灯具的驱动单元，DRF1605为Zigbee无线通信媒介，研发了隧道LED照明模拟调光控制系统。系统运行时，ATmega128控制器通过Zigbee无线接收管理系统发送的隧道调光指令，将其转变为占空比调光信号输入LED驱动单元实现对隧道内各照明段亮度的实时控制。图5为调光控制系统的设计原理。

图5　LED调光控制设计原理

2.3隧道LED照明智能管理系统

为实现对隧道照明的远程监控与管理，基于C#.NET开发了隧道LED照明智能管理系统，并对隧道设定了智能控制、手动控制与应急控制3种管理模式。图6为隧道LED照明智能管理系统的运行界面。

图6　隧道LED照明智能管理系统运行界面

在不同模式下，管理系统能够根据实时的隧道外亮度、隧道内车流量与车速数据计算隧道各照明段所需的调光占空比变量，通过无线通信将调光信号发送到LED调光控制系统，以实现对隧道模型中各照明段亮度的控制。管理系统还能实时监测隧道各照明的亮度情况，对紧急情况报警。

3隧道LED照明模拟控制系统误差分析

3.1车载照度采集装置误差分析

为了验证设计的车载照度采集装置能否准确检测隧道内亮度，将同一亮度水平线上车载照度采集装置与照度计采集到的值进行对比，分析车载照度采集装置的误差。将采集到的数据应用MATLAB[10]绘图进行分析，图7为车载照度采集装置与照度计在隧道模型内同一亮度点采集的数据对比曲线。分析可知，车载照度采集装置与照度计测量的值相差较小，其相对误差稳定在-5.69%～3.06%之间，满足测量隧道模型内亮度的误差要求。

图7　车载照度采集装置与照度计数据对比曲线

3.2隧道模型设计亮度误差分析

为了验证设计的隧道模型亮度误差能否满足隧道LED照明模拟设计的需求，应用LED调光控制系统控制接收管理系统发送的06:00～18:00调光占空比信息，并输出对应时刻的调光数据至LED驱动单元。通过车载照度采集装置采集照度值并将其转换为亮度值，与理论计算值对比。图8为隧道模型亮度测试的设计值与实测值对比曲线，分析可知，隧道模型设计亮度值与实测值误差较小，其相对误差稳定在-4.49%～5.57%之间。

图8　隧道模型亮度设计值与实测值对比曲线

4隧道LED照明模拟控制系统应用

目前，系统已在河南高速邵原隧道的照明系统改造项目中得到应用。邵原隧道长520m，原设计使用高压钠灯照明，入口段设计亮度Lth=140cd/m2，过渡段1亮度Ltr1=42cd/m2，过渡段2亮度Ltr2=14cd/m2，基本段亮度Lin=4.5cd/m2，出口段亮度LE=22.5 cd/m2。

改造后隧道的入口段1亮度Lth1=140cd/m2，入口段2亮度Lth2=70cd/m2，过渡段1亮度Ltr1亮度=21cd/m2，过渡段2亮度Ltr2=7cd/m2，基本段亮度Lin=4.5cd/m2，出口段1亮度Lex1=13.5cd/m2,出口段2亮度Lex2=22.5cd/m2。

通过使用隧道LED照明模拟控制系统对改造隧道进行模拟设计分析，项目改造后用电量明显降低，节能百分比达到53.6%，具有良好的节能效果与经济效益。

5结语

通过分析国内外隧道LED照明模拟控制系统的设计现状，基于《公路隧道照明设计细则》的需求研发了隧道LED照明模拟控制系统。创新性地提出并设计了车载照度采集装置，弥补了连续检测隧道内亮度欠缺的现状；并设计了隧道实验环境模型、隧道LED调光控制系统与隧道LED照明管理系统，实现了对隧道照明的自动控制。实验分析了隧道模型设计亮度与车载照度采集装置的误差，其中车载照度采集装置误差稳定在-5.69%～3.06%之间，隧道模型亮度设计误差稳定在-4.49%～5.57%之间。通过隧道改造项目的模拟设计，验证了研究成果可应用到隧道照明设计的模拟设计与节能方案设计中。

参考文献

[1]陈仲林.高速公路隧道照明节能研究[J].灯与照明，2008，32(3)：6-15.

[2]贺一鸣，王崇贵，刘进宇.公路隧道照明存在的问题及节能技术研究[J].交通标准化，2010(11)：32-36.

[3]GACIOD,ALONSOJM,GARCIAJ,etal.HighfrequencyPWMdimmingtechniqueforhighpowerfactorconvertersinLEDlighting[C]//Proceedingsofthe25thInternationalConferenceonAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,2010.

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

[5]崔丰曦.基于模糊神经网络的隧道照明控制系统研究与设计[D].长沙：湖南大学，2008.

[6]LEITAO,SERGIOL,PIRES,etal.Roadtunnelslightingusinggeneticalgorithms[C]//Proceedingsofthe15thInternationalConferenceonIntelligentSystemApplicationstoPowerSystems,2009.

[7]JTG/TD70/2-01-2014公路隧道照明设计细则[S].北京：人民交通出版社，2014.

[8]JTGD70-2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[9]刘建清，孙宝书，李凤伟,等.轻松玩转AVR单片机C语言[M].北京：北京航天航空大学出版社，2011.

[10]鄢喜爱，杨金民，田华.Matlab在数据处理和绘图中的应用[J].科学技术与工程,2006(22)：3631-3633.

收稿日期：2014-09-30

LEDLightingSimulationControlSystemDesignofHighwayTunnel

Zheng Jun, Jian Jing

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：In order to effectively design the tunnel lighting, and compensate the situation of lacking tunnel LED lighting simulation design system, the LED simulation control system of tunnel lighting is studied and developed based on Zigbee wireless communication technology, and the device for collecting illumination in vehicle is proposed and designed to collect luminance successive inside tunnel. The experimental results shows that the error of device for collecting illumination in vehicle is within-5.69%～3.06% and the error of design luminance of tunnel model is within -4.49%～5.57%, and it has a high reliability. Finally, the research results has been applied in simulation design of tunnel lighting reconstruction, and the energy saving percentage reached 53.6% after reconstructing.

Key words:tunnel lighting; LED; simulation control; zigbee wireless communication

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.042