单灯控制系统在LED隧道照明智能化节能改造的应用

文/王艇

1 前言

本文在保证隧道照明满足行车标准要求下，结合福建省高速公路隧道照明管理实际，为了有效实现节能降耗的环保目标，采用隧道实时交通流量结合照度检测动态调光方式的单灯控制系统并将其引入沙厦高速公路（厦门段）的岩内隧道和凤溪隧道的LED 隧道照明的智能化节能改造中，不仅可以在确保实际的照明需求情况下，为隧道提供安全、可靠、合理、节能、舒适的照明环境，还能够减少供电部门和运营管理单位之间的能源需求分歧。

2 隧道智能照明监控系统的基本概述

2.1 隧道智能照明监控系统的原理

智能照明监控系统主要由隧道单灯控制器、照明集中控制器、照度传感器、智能照明监控平台服务器及智能照明平台软件五部分组成。每盏灯具运行状态控制可独立监控，也可以进行多个灯具分组策略控制，以提供更灵活的智能监控系统、最优的组合。

图1 系统结构图

单灯控制系统通过RS485 通讯协议能够为集中监控系统提供更为有效的数据传输内容。单灯控制器具备独立地址，能够独立的调节灯具亮度，可实现对应LED 照明灯具的开、关、调光、运行状态查询（实时或定时查询对应灯具电压、电流、功率因数、开关状态），在整个过程中，速地掌握每一个LED 的照明情况。

集中控制器是系统控制调光的中枢部件，安装在专用集中控制箱中；通信接口采用RS485 通信接口并具备以太网RJ45，通过RS485 总线传输控制命令，控制隧道就地单灯控制器调光节能，上行通讯连接远程监控服务器，下行实现隧道就地灯具智能调光控制[1]。

除此之外，单灯控制系统还能实现和第三方拓展设备的数据传输和各种接入功能，在实施过程中结合照度传感器、监控卡口摄像机采集的数据实现动态调光，以便于集中器具备额外的透传价值。单灯控制系统能够采用拓扑着色和组态相结合的方式，集中展示隧道内配电柜中接入平台的各类设备的参数、运行状态等，对回路数据进行实时动态化的监测，以便于发生故障之后对其进行有针对性的排除。

2.2 单灯控制系统的特点

本次智能化改造的单灯控制系统是采用0-10V 调光技术的485 单灯控制器，主要应用于隧道LED 灯的单灯的调光、状态采集，以485通讯的形式传递出更完整的数字化信息。通过带屏蔽的485 控制线传输方式，系统的抗干扰能力相对较强，能够确保信号稳定。

单灯控制系统在实际工作的过程中，依托智能算法还能够检测LED 路灯的工作状态。一旦发生故障，整个单灯系统会自动报告位置和故障的情况，减少维修和监管人员的工作难度。而依托控制体系和“三遥”监督体系，可以使现场的LED 隧道灯开关实现多样化、动态的联动，有效调节控制隧道灯的电压、电流以及工作功率等，在收集准确信号、判断路灯照明情况等方面也具有重要的应用价值[2]。

3 单灯控制系统在LED 隧道照明智能化节能改造的应用

3.1 明确初始照度

《公路隧道照明设计细则》有明确规定机动车交通道路的照明设计应该符合既定的要求，采用隧道100kM/h 时速隧道照明标准照度要求为初始照度为4.5Cd/m2。

《公路隧道照明设计细则》文件中有明确的规定节能标准[3]。当显色指数Ra≥65、色温介于3500～6500K 的LED 光源用于隧道基本照明时，亮度可按照表1 所列亮度标准的50%取值，但不应低于1Cd/m2。本次隧道照明智能化节能改造基于此，在设计过程中将现有的视频高清测速及流量交通卡口的技术，且把道路车流量、隧道内外实际亮度等各种因素考虑在内，对隧道LED 照度进行有针对性的调节,使其初始照度超过设计规范维护照度的数值，满足隧道亮度要求下，达到节能效果。

表1 灯具照明亮度值

3.2 功能的实现

隧道照明智能化节能改造采用隧道实时交通流量结合照度检测动态调光设计，动态调光策略可在定制智能照明监控平台上灵活设定，通过实施交通流量调节灯具亮度，可根据交通量变化、不同天气条件、不同时间段洞外的亮度等情况及时、有效地调整照明光源指标水平，实现照明系统的节能降耗目标。

3.2.1 隧道交通流量采用300 万高清测速及流量交通卡口对隧道实时交通流量统计，在交通流量视频平台服务器之间增设防火墙和网闸，保障高速公路两个网段内的数据传输的安全，并通过调取视频平台服务器上隧道内实际的车流数据来设置开关灯策略。例如，夜晚高速公路车辆少，如果夜晚时段的照度和白天相同，则会产生资源的浪费。在单灯控制系统的支持下，可以有效降低夜晚的灯具功率，这样不仅能够满足基本的照明需求，而且还提升了资源的利用效率；当高速隧道内发生事故造成堵车时，通过车流量数据分析，进行输出功率的调节增加亮度和开启照明，确保行车安全。

3.2.2 光照度感器采用RS485 接口，通信协议能兼容接入集中控制器，可计算周围环境照度平均值；通过平台可以监测隧道洞内洞外就地照度状态。

3.2.3 智能照明监控平台服务器是整个智能控制系统数据存储及控制管理设备的核心，可提供TCP/IP、GPRS 接入方式，在同一网络的PC 上对集中器和节点控制器进行实时监测和控制；同时，其还具有数据备份功能，可以存储设备详细信息和设备配置数据，平台系统软件采用B/S 架构来构建服务器和数据库。照明监控终端工作站无须安装客户端，可通过浏览器直接访问，并能实现权限管理分级，且应用设置相互之间不受影响，系统登录有无响应退出机制。

照明策略可按隧道入口段、过渡段、中间段、出口段进行分组独立控制，并预设不同场景，根据不同场景进行灯具亮度调节及开关控制。照明监控平台能够实现隧道内灯具亮度0～100%范围内调整以及无极调光，控制方式为以下3 种：

3.2.3.1 光感（洞外照度检测仪）：白天通过读取洞外光感数据来调节洞内灯具亮度、设置作用时间段。

3.2.3.2 车流量（车流量检测仪）：晚上通过车流量数据来调节洞内亮度，车流量还作用于自动应急（车流量数据判定为隧道内堵车时自动调节灯具全开）。

3.2.3.3 平台软件手动控制：当隧道内有突发事件需要人为干预灯光，可通过人为操作一键全开、全关、调光等功能。

白天以光照度及交通流量参数为照明控制依据，晚上以时间及交通流量为控制依据；短时间光照度的变化（如车队灯光、浮云遮日等）不作为照明控制参数（短时干扰时间可在平台灵活设定）；照明等级要求可根据管养单位运营需要分级调整。隧道内照明按5 级照明进行控制，具体动作如下：

晴天：基本照明+应急照明+加强一照明+加强二照明+加强三照明。

云天：基本照明+应急照明+加强二照明+加强三照明。

阴天：基本照明+应急照明+加强三照明。

重阴天（及傍晚）：基本照明+应急照明。

夜间：基本照明+应急照明。

最后是隧道灯状态的监测功能，可以有效解决运维成本高的问题。照明监控平台可实时查询并记录各灯具的电流、电压、功率因数等状态值，在灯具电压电流异常情况下，平台能自动提示报警信息并定位至故障灯具位置，及时准确对不亮的故障隧道灯进行维护，确保其照明效果。

4 结语

把隧道实时交通流量结合照度检测动态调光方式的单灯控制系统应用到LED 隧道照明智能化节能改造中，能够有效控制照明设施，以此不仅可以提高隧道运营安全水平，还实现了更高效、更人性化的节能减排。智能系统结合洞外的自然光亮度这一光源特性指标以及时间、车流量大小、设计速度等条件来实时自动调节隧道内的照明亮度，满足驾驶员的视觉需求。隧道照明调光的周期越短，调光的分级越多、越精细，则隧道内调光亮度越能接近理论需求亮度，隧道内行车的安全性也越高，隧道照明系统的节能幅度也就越大。