隧道照明智能化系统浅析

姚克炯

（飞利浦灯具（上海）有限公司，上海市 200233）

隧道照明智能化系统浅析

姚克炯

（飞利浦灯具（上海）有限公司，上海市 200233）

随着照明技术的日益发展及对节能要求的日趋重视，道路照明中耗能巨大的隧道照明设计也发生了巨大的改变；通过选用节能效果明显的LED灯具替代传统灯具，并设置智能照明控制系统对隧道照明进行实时调控，可使隧道照明在不同环境情况下保证行车安全所需照度的同时达到最合理的节能效果。

LED；智能照明控制系统；照度；节能

1 隧道照明特点及要求

随着时代的发展，各种各样的智能化、数字化设备越来越普及，智慧城市等概念越来越深入人心，人们身边的一切都发生着翻天覆地的变化。在照明行业尤其如此，随着LED技术的不断发展成熟，各种以前无法想象的照明方式、控制管理方式正颠覆我们的照明世界。作为城市照明的重要组成部分，如今的道路照明也不再仅仅局限于传统的分回路控制、调压控制等照明方式。尤其是在隧道照明中，由于隧道的特殊性，俨然是道路照明中耗能最为巨大的部分，对节能有着更高的要求，同时在不同状况下对照度也有着特殊需求，而隧道照明智能化控制因为其更好的照明体验和更好的节能效果而备受关注。

现代的隧道照明设计中，通常会将隧道照明作为道路照明内的一部分进行设计，如在隧道内设置普通照明与加强照明，对加强照明进行一个统一的开关控制来调节不同的照度需求，但是由于隧道的特殊环境及特殊要求，这样的设置是无法满足要求的。我们常见的隧道一般都有着如下几个特性。

（1）半/全封闭的结构。常见的隧道均为全封闭型，除隧道出入口外均为封闭段，无任何自然光，行车所需要的照明几乎全部依赖于照明灯具；另外有部分隧道为半封闭型，在隧道段有间隔的空间与外界连通，可获得部分的自然光补充，常见于城市道路的下穿隧道。

（2）灯具数量大。由于隧道的封闭性，往往需要更多的灯具进行照明，以达到行车安全所需要的照度，尤其是高速公路段的隧道，由于隧道距离较长，往往需要装设大量的照明灯具，也意味着需要消耗巨大的能源。

（3）施工安装及维护不易。根据隧道的结构及运行特性，灯具安装不易；在建成后一旦投入运营，不易于维护，检修成本高。

（4）运行要求高。鉴于隧道内灯具对安全行车影响大，且检修的难度及成本高，因此要求灯具及控制系统运行稳定，尽可能减少故障情况发生。

（5）集中控制要求。国内很多高速隧道位于丘陵及山地区域，地形复杂，隧道数量较多，分开运营成本高且管理不便，因此要求对一个区域内的隧道照明能进行集中控制的需求越来越迫切，在减少运营成本的同时提高工作效率。

因此隧道照明设计时，不仅需要考虑照度的需求，还需要考虑如何设置控制系统，以便能进行集中控制并方便地查询照明灯具的状态，对灯具的故障进行及时检修，避免事故的发生。

根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014），长度大于100 m的隧道必须设置照明，而一般隧道分为以下几个区段：入口段、过渡段、中间段、出口段。

（1）入口段。隧道入口处道路，此部分路段作为连接洞外道路段，对照度要求较高，以保证车辆驶入隧道时不产生黑洞效果，避免由于眼睛无法适应突然改变的环境而发生意外。

（2）过渡段。介于入口段与中间段间的部分，此部分路段主要是作用是将照度由入口段的高照度逐渐降低至中间段照度，帮助驾驶员逐渐适应隧道内的照明环境，其照度与入口段照度息息相关，需要根据入口段照度进行调节，保证照度的均匀减少至中间段照明。

（3）中间段。隧道内主要路段，此部分路段照明为基本照明，且无自然光及照度适应要求，可不对调光做具体要求，照度一般根据车流量、眩光、通风等情况进行设计。

（4）出口段。隧道出口前一段照明，此部分路段照度要求类似入口段，避免车辆出隧道时出现白洞效果而发生意外。

2 传统隧道照明设计

在传统的路灯照明项目中，隧道照明灯具一般采用钠灯等传统灯具，在隧道内根据照度计算进行灯具布置，在入口段等路段加装灯具作为加强照明来满足更高的照度要求；但是由于采用的是钠灯等传统灯具，一般都依靠开关加强照明灯具进行调光，如通过时钟控制、光敏开关或者手动控制来开关加强照明灯具来调整照度，即使有些工程采用了调光控制，但也仅限于有限的几级调光控制，如变功率镇流器或者整体调压；这些调光控制方式不仅无法满足照度的调整控制要求（入口段等路段照度无法与外界实际照度相匹配），而且节能效果也无法满足需求，存在着大量的能源浪费。

3 LED灯隧道照明设计及智能控制系统

如今随着LED照明技术的异军突起，给照明、调光、控制等都提供了越来越多的可能性，相应地，隧道照明的控制系统也有了巨大的改变，不再局限于过去简单且低效的控制方式。

采用智能照明控制系统及LED灯具后，不仅可以对照度进行连续调光，而且在智能系统中，照明调节的输入条件不再是简单的时间及光敏开关，更多的是通过光度计采集洞外照度水平，实时监测洞外实际照度的变化并据此对照明灯具进行调节，从而保证隧道内照度与室外道路照度的完美连接，满足了不同天气情况下、不同道路状况下的照明要求，不至于在隧道出入口出现黑洞及白洞效果，保证行车安全的同时合理节约电能。

3.1 隧道灯具

随着LED灯具的不断发展，虽然仍有许多不足，但对比传统灯具，它的优势也越来越明显。

（1）寿命长。LED灯具的理论使用寿命一般在30 000～50 000 h甚至以上。

（2）点亮速度快。LED灯是半导体发光，通电即亮。

（3）节能且环保。相对于传统灯具，LED灯节能效果明显，能耗仅为白炽灯的1/10、节能灯的1/4；且光源不含铅、汞等有害物质。

（4）发光效率高。随着LED的发展，现在成熟的大功率LED灯具产品，其发光效率可达到110～150 lm/W，丝毫不逊色于传统灯具。

（5）易调光、调色控制。可实现无级调光，调光范围可从0%～100%；且色彩丰富，在计算机技术控制下具有256级灰度且可任意混合。

基于以上LED灯具的优点，在现代道路及隧道照明设计中，越来越多的情况采用了大功率LED灯取代此前广泛使用的高压钠灯等传统灯具。

3.2 照明智能控制方式

作为隧道照明智能控制系统的另外一个重要组成部分，各种各样的控制方式也层出不穷，最常见的调光控制及信息传输方式主要有以下几种。

3.2.1 PWM调光控制

PWM控制方案采用专用接口的驱动器，按照占空比调节输出电流达到调节亮度的目的。此方案的优点在于整体造价低，PWM接口电源驱动价格相比于其他控制方式的驱动更为经济，既可做回路调光也可做单灯调光，调光范围大，可实现无级调光；缺点在于PWM调光方式理论上是没有信息反馈功能，要实现此功能则需要对信号转换模块进行设计，在信号转换模块对数据进行测量并反馈，但也仅限于电流、电压等基本信息；一旦按单灯控制设计，区域控制器数量需求大，安装位置受到限制，线路铺设工作量大。但是由于其经济性，仍是国内主流的控制方式之一。

3.2.2 DALI总线

此方案中每个灯具上的DALI电源有独立的地址会对发给自己的命令做出调光、回传参数等响应。采用DALI控制方案的优点在于DALI协议成熟可靠并且是公开的，一个DALI控制器理论上可控制不大于64套灯具，有效减少了DALI控制器的数量，调光范围大，可实现无级调光。缺点是DALI灯具及控制器价格相对于其他控制方式更贵，通信速度较慢；线路铺设工作量大。

3.2.3 RS485总线

利用RS485总线进行信号的传输，每个灯具上的电源驱动有独立的地址对发给自己的命令做出调光、回传参数等动作。RS485总线通信技术已使用30年，有丰富、低价、成熟可靠、多种性能规格的接口芯片；单根总线通信距离长，可达到1 000 m，并可通过中继器延长距离，最多可达10 km；总线通信速率较高，一般为9.6～115.2 kbps。但是现阶段RS485总线的局限性也是相当大的，首先没有现成可对接RS485信号的灯具，需要重新开发；其次通信协议中没有单独用于照明调光的报文；最后也有大量的现场总线铺设工作。

3.2.4 电力载波（PLC）

利用电力电缆来传递数字信号，每个灯具的电源驱动设有独立的地址，根据控制模块的控制命令对灯具进行调光，并可回传实时灯具各类参数等。PLC控制方式的优点是不需要额外的铺设控制线，可利用现有的电力电缆来完成对灯具的调光，可以降低线路敷设的工作量及降低工程成本。但同时，相应的缺点也是显而易见的：目前市场上常用的窄带PLC通信速率较慢；电网噪声尤其是脉冲噪声对PLC干扰很大，因此PLC控制方式对电网环境要求较高；由于是利用电力载波进行通信，导致PLC不能跨变压器实现，因此区域控制器的数量增多且限制了应用范围。

由此可见，常见的这几种控制方式都有各自的优缺点，在实际工程中，为了能更多地利用到上述控制方式的优点并减少其缺点的影响，达到完善隧道的智能照明控制的目的，基于以上几种控制方式，又衍生出了各种组合控制系统。

3.2.5 DALI灯具系统+RS485总线相结合

考虑DALI协议的成熟可靠及公开性，能兼容的灯具范围广泛，且每套灯具都具有独立的地址、调光、信息反馈，能实时查询灯具状态并进行精确定位，因此采用DALI接口的灯具作为照明灯具，根据灯具数量配备相应的DALI控制器对灯具进行控制及信息传输；而主通信电缆即隧道智能照明主控器至DALI控制器间的通信电缆则可采用RS485总线进行信号传输，降低成本的同时兼顾信号的可靠传输，如图1所示。

图1 DALI灯具系统+RS485总线拓扑图

3.2.6 PWM调光+PLC传输

此方案灯具调光采用PWM控制，灯具采用配有PWM专用接口驱动器的LED灯具，总线信号传输则采用PLC方式；每套灯具或每个回路配备一套信号接收转换器（配置方式根据工程要求来选择），用于接受PLC信号并转换成PWM输出至灯具。此方案的优点则显而易见，造价相对经济，且PLC可利用原有的电力电缆进行传输，线路敷设等工作量也大大减少；缺点则是由于PWM调光方式理论上是没有信息反馈功能，要实现相应的功能则需要对信号转换接收器做特别设计，而且PLC传输是否能有效实现很大程度取决于照明系统所处的电力环境。基于此方案的经济性及易于实施性，且很多厂家已开发出用于信息反馈的信号转换接收器，电力环境能满足要求的情况下，此种调光控制方式成为主流控制方式之一，如图2所示。

图2 PWM调光+PLC传输示意图

3.3 照明智能主控器及其他配件

照明智能主控器是一个控制系统的心脏部分，起到了收集信息、分析信息、输出执行命令、上传信息等重要作用。外部测量器件采集到的信息需要通过它进行处理，然后在根据预先设置的程序输出控制命令至灯具，控制灯具进行调光来实现整个照明系统的智能调控；同时主控器还可以通过有线/无线的方式将信息上传至总控室，使主控室控制区域内的多个隧道连接成网，进行统一管理，减少运营的工作量及难度，降低人力及物力成本，提高管理效率。

外部测量器件即输入设备也是相当重要的组成部分，它们相当于一个控制系统中的感官设备。如光度计，用于实时测量并采集洞外照度，采用RS485总线方式与主控器相连，将采集的信息上传，主控器根据此测量值按预设的程序针对隧道外照度情况对隧道内灯具进行调光，达到最合理的照度，真正做到智能调光控制，使能源得到最合理的使用，减少无谓的浪费。当然，由于隧道照度的调节还受其他条件的影响，如车流量、车速、空气情况等，同样可以增设相应的信息采集元器件将采集到的信息输入到控制器内，通过相应的程序分析，输出合理的调光控制命令，使隧道内照明达到当前实际状况下最合理的照度。程序流程图大致如图3所示。

图3 智能控制系统程序流程示意图

一套完整的智能控制系统通过灯具、控制软件、控制器及输入设备等的有机结合，从而真正实现隧道照明的智能控制，在满足照明需求的前提下合理地节约能源并实现绿色照明。

4 结 语

隧道照明是隧道设计及道路照明设计中的一个重要组成部分，对安全行车及降低能耗有着至关重要的作用，而照明控制系统的好坏直接影响到隧道照明效果及节能效果。随着照明技术的不断发展，智能化控制系统及设备不停的更新换代，相信不久的将来会有更先进更完善的控制及照明方式出现，点亮我们的生活，让我们的世界更加璀璨。

[1]范士娟，李伟.高速公路隧道照明自动控制系统[J].华东交通大学学报，2011,28(5):9-13.

[2]JTG/T D70/2-01—2014，公路隧道照明设计细则[S].

[3]G/TJ 08-2033—2008，道路隧道设计规范[S].

U453.7

B

1009-7716（2017）03-0237-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.066

2016-12-22

姚克炯（1985-），男，上海人，电气工程师，从事配电及照明设计工作。