基于交通量和洞内外亮度的调光控制系统应用——以楚大高速公路九顶山特长隧道为例

鲍学俊， 吕晓峰， 夏　倩， 史玲娜

(1.云南省交通规划设计研究院, 云南 昆明　650011； 2.合肥源辉光电子有限公司,

安徽 合肥　230041； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司交通工程与节能分院, 重庆　400067)



基于交通量和洞内外亮度的调光控制系统应用
——以楚大高速公路九顶山特长隧道为例

鲍学俊1， 吕晓峰2,*， 夏倩2， 史玲娜3

(1.云南省交通规划设计研究院, 云南 昆明650011； 2.合肥源辉光电子有限公司,

安徽 合肥230041； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司交通工程与节能分院, 重庆400067)

摘要：为将交通量和洞内外亮度参数纳入无级调光照明算法中，针对楚大高速公路九顶山特长隧道交通量较大且不均匀的特点，介绍九顶山隧道在照明系统节能改造过程中的理论依据，提出公路隧道无级调光的数学模型，建立无级调光照明控制系统的架构。通过对传统调光照明和无级调光照明的用电量实际测量值进行对比分析，得出无级调光系统照明较传统调光方式的LED灯照明系统节能32.6%。

关键词：特长公路隧道； 照明系统； 无级调光系统； 交通量变化； 洞外亮度变化

0引言

21世纪以来，国内高速公路里程越来越大，其公路隧道的总里程也越来越大，因而隧道照明的能耗也越来越高。对此，国内外隧道照明领域的研究人员做了大量的研究工作，这些研究多集中在洞外亮度L20(S)的取值和提升灯具光效上。在相关研究中，周正兵[1]提出了公路隧道照明的理想形式——按需照明；吕晓峰[2]研究了采用回路自动多级调光照明系统对交流接触器造成的损害，并对公路隧道调光过程中存在的低于标准值的现象做了分析，提出在公路隧道调光照明中，应尽可能避免利用开闭电源回路进行调光。在自动状态下，分回路调光即使采用可瞬间点亮的LED灯，也会因通电瞬间产生的冲击电流使交流接触器触点加速损坏，甚至引发电气火灾；王少飞等[3]针对公路隧道LED灯无级调光控制系统，建立了公路隧道LED灯无级调光控制系统架构,认为采用DC 0～5 V模拟电压信号控制LED灯输出电流，完全能够实现长大公路隧道照明无级调光控制需求。目前国内有关无级调光的文章虽然较多，但多数是基于洞外亮度变化条件下如何使洞内亮度跟随洞外亮度变化的研究。这些研究大多只是介绍调光照明系统的架构和方案，并采用远程调光方式，由上位机进行远程的调光操作，较少提及基于车流量和洞内亮度的无级调光方法。2014年颁布的行业标准[4]已明确要求公路隧道照明应能根据车流量进行调光；但现有文献只是从理论上进行了特定条件下的分析[5]，而在实际运营过程中，在较大车流量情况下无级调光与分级调光照明系统的节能效果尚无实测数据。

本文以九顶山特长公路隧道节能改造项目为背景，针对洞外亮度、交通量、洞内亮度参数的同时作用，分析公路隧道无级调光的数学模型和洞外亮度变化的随机性，提出基于车流量和洞内外亮度的具有实时性和精细化调光能力的系统架构。

1公路隧道照明调光的理论依据

《公路隧道照明设计细则》[4]中规定隧道入口段1的路面亮度

Lth1=k·L20(S)。

(1)

式中：Lth1为入口段TH1的亮度；k为入口段亮度折减系数；L20(S)为洞外亮度。

洞外亮度在设计时是按夏天晴天中午的洞外亮度来取值的，它是一年当中的最大值，即L20(S)；但在运营时，一年当中洞外亮度仅有很少的时间接近或达到L20(S)，大部分时间为L20(S)的10%～80%。图1是理想晴天条件下的洞外亮度随时间的变化曲线，夏至曲线最顶端的亮度值即是L20(S)。在LED隧道灯出现之前，由于灯具无法调光，因而在当时的行业标准中要求利用开闭不同的电源回路来进行调光。随着无级调光灯具及隧道智能照明系统控制器的出现，改变了传统分回路调光的模式，使公路隧道实现按需照明成为可能。

图1　理想晴天条件下的洞外亮度随时间的变化曲线

Fig. 1Variations of luminance outside tunnel vs. time under ideal conditions

2加强照明调光的数学模型

白天的洞外亮度每时每刻都在变化，因此，洞外亮度实际是一个随时间变化的变量，而非一个恒定值，即夏天晴天中午的最大值L20(S)。既然是一个随时间变化的变量，洞外亮度实际可表示为L20(t)，即是时间t的函数，L20(t)max=L20(S)。因而式(1)可表示为

Lth1(t)=k·L20(t)。

(2)

式(2)就是根据洞外亮度进行无级调光的智能化照明的雏形，是早期无级调光的数学表达式。依据式(2)，《LED照明灯亮度控制装置》[6]中阐述了调光控制系统的构成，并在厦蓉高速公路贵州格龙隧道中进行了应用实践。图1是理想晴天条件下的L20(t)随时间的变化曲线，而实际的洞外亮度变化曲线与此相差很大。图2为厦蓉高速公路贵州格龙隧道无级调光照明系统记录下的某一天的L20(t)实际变化曲线。从图2可以看出，洞外亮度的变化是完全随机的。洞外亮度不仅会随着云系以及日出日落的变化而变化,还与隧道朝向及洞门形式关系密切；因此,用式(2)来表征洞外亮度变化,能够较好地体现洞外亮度变化的实际情况,若用式(1)来表征,则差距很大。

图2　格龙隧道某一天的洞外亮度实际变化曲线

式(2)虽然能够较好地表征公路隧道洞外亮度变化情况，但在公路隧道入口照明中，其路面亮度不仅与洞外亮度有关，而且还与其交通量密切相关。交通量越大，洞外亮度折减系数k越大；交通量越小，则亮度折减系数也相应地减小。《公路隧道照明设计细则》[4]要求隧道入口加强照明不仅能根据洞外亮度调光，还要求根据交通量调光。图3是设计时速为80 km的公路隧道的洞外亮度折减系数随交通量变化的曲线图。从图3可以看出： 交通量N≤350 veh/(h·ln)时，亮度折减系数k=0.025；交通量N≥1 200 veh/(h·ln)时，亮度折减系数k=0.035；交通量在350～1 200 veh/(h·ln)时，亮度折减系数k为一线性递增的斜线。这表明洞外亮度折减系数是交通量N的函数，即有

[k(N)-0.025]/(N-350)=(0.035-0.025)/(1 200-350)。

整理得

k(N)=1.18×10-5N-4.12×10-3。

(3)

将式(3)中的k(N)值代入式(2)中，得

Lth1(t)=k(N)·L20(t)。

(4)

式(4)是现代公路隧道无级调光的数学模型之一，即入口段路面亮度的数学表达式。

图3　洞外亮度折减系数随交通量变化曲线

Fig. 3Variation of reduction factor of luminance outside tunnel vs. vehicle amount

3基本照明调光的数学模型

在《公路隧道照明设计细则》[4]中，基本照明亮度按表1取值。虽然交通量为350 veh/(h·ln)

表1　中间段Lin亮度表

注： 1)当设计速度为100 km/h时，中间段亮度可按80 km/h时对应的亮度取值； 2)当设计速度为120 km/h时，中间段亮度可按100 km/h时对应的亮度取值。

图4　洞内基本照明亮度随交通量变化曲线

Fig. 4Variation of basic lighting luminance inside tunnel vs. vehicle amount

根据表1和图4，可以列出Lin(N)随N变化的函数关系式为

[Lin(N)-1]/(N-350)=(1.75-1)/(1 200-350)。

整理得

Lin(N)=8.82×10-4N+0.69。

(5)

式(5)是现代公路隧道无级调光数学模型之一，即基本照明路面亮度的数学表达式。

4无级调光照明系统

4.1行业标准推动智能化精细调光照明系统的应用

在《公路隧道LED照明灯具》第1、2部分[7-8]和《公路隧道照明设计细则》[4]中，对公路隧道的照明设计及灯具的生产均提出了调光的具体要求。前者要求公路隧道照明系统应依据车流量和洞外亮度进行调光；后者要求公路隧道LED照明灯具应设置控制信号接收端，可随控制信号的变化而调节发光亮度，其灯具宜采用无级调光，当采用有级调光时，不宜低于24级。这就意味着公路隧道将不再使用传统的恒定亮度的LED灯。在《公路隧道LED照明灯具： 第5部分： 照明控制器》[9]中对公路隧道照明专用控制器的技术要求、试验方法、检验规则等做了具体规定，为公路隧道照明系统加速采用新技术进行节能减排提供了标准依据。

4.2云南楚大高速九顶山特长隧道无级调光照明系统

云南楚大高速公路九顶山特长隧道全长3 200 m，双洞双车道单向交通。2014年下半年对隧道的照明系统进行了节能改造。项目要求调光系统依据行业标准[4]进行设计，加强照明能够根据车流量和洞外亮度进行调光；基本照明能够根据车流量及时间段进行调光，同时还要求能够对洞内亮度进行检测，并根据检测结果自动修正洞内亮度。

图5为九顶山隧道智能化精细调光照明系统原理图。系统由洞外亮度检测仪、车流量检测仪、洞内亮度检测仪、LED亮度智能无级控制装置(隧道智能照明系统控制器，下同)、亮度可控型LED隧道灯、通讯系统、上位机及隧道照明监控管理软件等组成。为了使调光系统具有较好的实时性，系统的亮度仪输出采用4～20 mA的标准模拟信号。在采用何种信号传输调光控制指令方面，国内学者已做了大量的研究工作。周健等[10]针对公路隧道照明的特点以及安全需求，分析了采用DC 0～5 V模拟信号、数字信号、电力载波以及微波方式传输控制信号的优劣，认为采用DC 0～5 V的直流模拟电压信号控制灯具亮度的方式优于其他信号控制模式；杨天冲等[11]针对近年来逐渐进入公路隧道照明系统的LED灯各种调光控制的调光范围、调光分级、电源效率、信号传输性能等影响因素进行了对比分析，并提出了采用DC 0～5 V模拟电压信号传输调光控制指令的调光方式，具有调光范围广、电源效率高、信号传输性能好等特点。课题组在对有关项目进行考察论证的基础上，选定了具有实时性和精细化调光能力的DC 0～5 V模拟调光控制系统。该系统在洞外亮度变化时，洞内不会产生亮度跳变，其洞内亮度能够很好地跟随洞外亮度实时变化。与此同时，课题组对数字调光和模拟调光的优缺点做了对比，表2即是2种调光方式的技术性能对比。根据表2的对比分析，结合云南省的气候条件，为了能让公路隧道在确保行车安全的前提下节能，决定将DC 0～5 V模拟信号调光控制系统应用于九顶山公路特长隧道。

图5　九顶山隧道智能化精细调光照明系统原理图

Fig. 5Principle diagram of intelligent and fine dimming and illumination system used in Jiudingshan tunnel

表2　数字调光与模拟调光的技术性能对比

4.3系统工作原理

根据前述调光的数学模型和洞外亮度变化的随机性特点： 首先需要在洞外设置亮度传感器，用于实时监测洞外亮度的变化，并将其转换为4～20 mA标准信号传送至LED亮度智能无级控制装置上；其次需要在隧道外距洞口3～10 km处设置交通量检测装置，用于检测即将驶入隧道的车辆数并计算出交通量。由于交通量检测装置距隧道变电站约数km，如将信息通过光缆传输，施工费用相对较高，因此，现场采用GPRS移动通讯网络将信号传送至LED亮度智能无级控制装置上。LED亮度智能无级控制装置根据检测数据和时间段等信息，分别按式(2)和式(5)进行计算，然后输出2路DC 0～5 V的直流模拟信号，分别控制基本照明灯具和入口侧加强照明灯具，从而实现控制隧道洞内亮度的目的。

系统的核心部分——隧道智能照明系统控制器设于隧道洞口外的变电站内，它内置功能强大的微处理器，可根据检测数据和标准要求，自行完成各种复杂的识别、判断、计算、输出和通讯等日常工作。在行业标准[9]中规定了隧道照明控制器应具备远程控制和本地控制2种工作方式，隧道照明控制器即使与上位机通讯中断也不能影响其正常调光。由于调光设备设于现场，从而确保了公路隧道照明调光的精细化和实时性，也使得调光更有意义。

图6是九顶山隧道最终实施的控制系统原理图，也是基于车流量和洞内外亮度的具有实时性和精细化调光能力的系统架构。

图6　九顶山隧道最终实施的控制系统原理图

Fig. 6Principle diagram of dimming system used in Jiudingshan tunnel

4.4无级调光控制工作流程

图7为无级调光控制工作流程图。系统首先对洞外亮度和车流量信息进行采集，然后进行数据处理并根据时序信息和各项参数进行计算后输出DC 0～5 V的模拟信号去控制LED隧道灯亮度。设于洞内入口段和中间段的亮度仪分别采集相应位置的路面亮度信息，经数据处理后与标准值进行比较，如符合标准要求，则程序继续运行；如不符合标准要求，则重新调节后输出。与此同时，各测量数据和调光数据每隔20 s向中控室上传一次，中控室可随时向下位机下发指令，修改参数。

4.5上位机监控管理软件

国内目前应用的隧道照明控制软件几乎都是基于传统的分回路调光，而基于LED无级调光照明方面的研究，国内还比较少。吕晓峰[12]提出了适用于智能照明系统的上位机监控管理软件界面，在此基础上，课题组还参照了《公路LED照明灯具： 第5部分： 照明控制器》[9]对上位机监控管理软件的要求，并根据山区的特殊地理、气象条件以及运营管理的需要，对监控管理软件提出了以下要求： 1)自动化程度高；2)操作简单，非特殊情况无须人工操作；3)调光数据具有透明性和可追溯性。

图7　无级调光控制工作流程图

基于上述原则，课题组设计出如图8所示的监控管理软件。虽然软件界面内容较多，但在运营阶段无须人工操作，只有在故障状态下才需要人工点击“故障处理”按键并使照明系统满功率工作。故障排除后，再点击“故障解除”，即可恢复正常的调光方式。所谓故障，即隧道运营故障，包括交通事故，火灾事故，其他事故，检修、养护等需要良好照明条件的工况，将这些工况统一归类为一种工况，目的在于减少紧急情况下确认所属工况的时间和在屏幕上寻找工况对应位置的时间。

在调光数据的透明性和可追溯性方面，界面能将调光曲线和洞内外亮度曲线显示在主界面上，以方便观察、校验和设备运行状态显示；同时还将各类数据存储在电脑硬盘上，其存储时间可长达半年以上，只要有需要，就可以随时调阅。

上位机通常设于中控室内，通过光缆与现场的隧道智能照明系统控制器实现通讯，上位机利用无级调光监控管理软件，实现相关参数的设定，下达指令，实时数据读取、显示与储存，并可进行紧急故障处理操作。

图8　上位机监控软件主界面

52种照明方式能耗对比

九顶山隧道节能改造项目已于2014年11月全部完成，有关单位对隧道采用不同调光方式的照明能耗进行了实测。为了使2种照明方式的实测数据具有可比性，洞内调光亮度是在满足标准要求的前提下进行测试。在开灯时间的确定上，加强照明灯具每日均开灯10 h，基本照明及应急照明灯具每日按白天亮度开灯18 h、下半夜亮度开灯6 h，其照明能耗见表3。每种调光方式各通过2个周期的运行(48 h),得出上行线无级调光较分级调光节能36.7%，下行线无级调光较分级调光节能28.4%。下行线节能幅度较低的主要原因是路面为沥青路面，要求照度较高。测试是在晴天条件下进行的,如遇阴天或多云天气，节能幅度还将进一步提高。吕晓峰[12]详细研究了公路隧道照明中由于车流量不足而造成的电能浪费，其加强照明电能浪费最高可达30%，而基本照明电能浪费最高可达55%。由于楚大高速公路交通量大，由交通量变化所产生的节能效益并不显著。如果系统应用于车流量较小的公路隧道，将会产生更大的节能效果。

6结论与讨论

1)在车流量较大的条件下，无级调光照明系统比LED分级调光照明系统节能32.6%。

表3九顶山隧道LED无级调光与LED分级调光照明节能对比

Table 3Comparison and contrast between LED stepless dimming system and LED stepped dimming system used in Jiudingshan tunnel in terms of energy conservation

隧道名称调光模式照明总能耗/kWh节能率/%九顶山上行线无级调光572分级调光90436.7九顶山下行线无级调光648分级调光90528.4

注： 隧道上行线和下行线平均节能率为32.6%。

2)本文介绍的调光系统是具有实时性的精细化调光系统，它的照明控制器设于现场，解决了远程调光的亮度等级低和实时性差的问题。

3)论述了公路隧道洞内入口段和中间段亮度的数学表达式，它将为云南乃至全国未来的公路隧道照明系统设计提供有益的借鉴。

4)本系统如应用于交通量较小的公路隧道，理论上其节能幅度将还将有进一步提升，但提升幅度有待继续研究。

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Application of Dimming System Based on Vehicle Amount and Luminance Inside/Outside Tunnel: A Case Study on Jiudingshan Extra-long Tunnel on Chuxiong-Dali Expressway

BAO Xuejun1, LYU Xiaofeng2,*, XIA Qian2, SHI Lingna3

(1.YunnanBroadvisionEngineeringConsultants,Kunming650011,Yunnan,China; 2.HefeiYuanhuiOptoelectronicCo.,Ltd.,Hefei230041,Anhui,China; 3.TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchants

ChongqingCommunicationsTechnologyResearch&DesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing400067,China)

Abstract:The traffic characteristics of Jiudingshan Tunnel on Chuxiong-Dali Expressway are described; the theoretical reference of the adjustment of energy conservation of lighting system of the tunnel is presented. The mathematical model with stepless dimming system of the expressway tunnel is proposed; and then the structure of the stepless dimming system is established. Comparison and contrast is made between conventional dimming system and stepless dimming system in terms of power supply. The results show that by using stepless dimming system, 32.6% energy can be saved compared to the conventional dimming system.

Keywords:extra-long expressway tunnel; lighting system; stepless dimming system; vehicle amount variation; luminance variation outside tunnel

中图分类号：U 453.7

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)02-0143-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.004

作者简介：第一 鲍学俊(1973—)，男，云南香格里拉人，1996年毕业于西安公路交通大学，工业电气自动化专业，本科，高级工程师，现从事高速公路机电工程设计与研究工作。E-mail: 743392965@qq.com。*通讯作者: 吕晓峰, E-mail: hefeiyh@126.com。

收稿日期：2015-08-17; 修回日期: 2015-11-02