隧道色温可调照明节能控制系统设计与应用

陈大华

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

据交通运输部统计，截至2020年年末，我国公路隧道共有21 316处、2 199.93万余m，其中特长隧道1 394处、623.55万余m，长隧道5 541处、963.32万余m[1]。随着我国公路隧道数量的逐年增加，为了更好地实现隧道安全节能的照明目标，目前，大部分新建隧道均采用了亮度可调的LED灯具为隧道提供照明。LED灯相比于传统的钠灯已实现较大幅度的节能。在此基础上，引入LED照明节能控制系统，实现精准、按需照明，可以进一步减少耗能。近年来，随着人们对照明质量及舒适度的要求提高，开始逐步推广可变色温的LED灯具来提升隧道入口段照明质量。关于色温对人的影响，龚曲艺[2]研究表明：不同的色温对人体的生理功能、心理平衡、脑力活动及体力负荷等产生一定的影响，光源色温选择适当可使人的中枢神经和自主神经系统功能得到平衡。因此，在隧道入口处采用可变色温的灯具进行照明，对驾乘人员有较好的影响，有助于减少隧道安全事故，对保障隧道交通安全具有重要的意义。

目前，在大多数隧道照明中使用的LED灯色温都是固定的。左小磊[3]针对光源色温对隧道照明效果影响进行了相关研究，隧道外的色温是随着时间的变化而不断变化的，自然光在日出和日落的色温一般在2 000～3 000 K，而中午日光的色温一般>5 500 K，阴天的色温一般也较高，且不同季节色温也不一样。所以，在隧道外环境色温变化时隧道内照明灯具色温也应该随着变化，以便减少隧道内外色温的差异。关于色温可调LED灯具所采取的控制方式，陈锦安[4]提出了采用RS485总线对LED灯具进行亮度和色温的控制，但此方式在实际应用中存在单个灯具的RS485接口故障占用总线导致整个回路都失效的问题，且每组总线的带负载能力较弱，需要采用多个控制器。王阳等[5]提出了采用2组PWM信号分别控制LED灯具的色温和亮度，实现亮度和色温动态调节的控制方式，该方式需要增加一倍的控制线缆，且存在接线复杂、维护难度大等问题。本文设计采用PWM信号的占空比变化来控制灯具亮度、信号频率变化，从而控制灯具色温，此方法还在工程实施中减少了线缆的使用，保证了系统的稳定性，降低了系统复杂度和施工成本。

1 隧道色温可调照明节能控制系统

1.1 系统整体构架

根据隧道照明节能标准的要求，本文综合考虑了隧道入口车辆情况、隧道内车辆行驶情况、洞外环境的亮度及色温等信息，设计了一套隧道色温可调照明节能控制系统。在确保隧道安全运营的前提下，实现了色温的动态调节，满足了人们出行对照明舒适度的要求。

本文设计的隧道色温可调照明节能控制系统主要由两大部分组成，如下页图1所示，分别为隧道智能调光控制子系统和用户管理应用子系统。隧道智能调光控制子系统主要由以下几部分组成：(1)视频车辆检测器，布设在离隧道口一个停车视距约150 m处，采用视觉的方式对车辆进行识别，作为隧道“车来灯开”的触发信号；(2)视频洞外亮度仪，与视频车辆检测器共杆布设，用于采集隧道洞口亮度；(3)色温检测仪，与视频车辆检测器共杆布设，用于采集隧道口环境色温值；(4)隧道声音有无车检测系统，主要由声音采集前端及声音信号处理主机构成，其中声音采集前端在隧道内间隔200 m布设，声音信号处理主机布设在隧道机房内，隧道声音有无车检测系统采用供电和通信二合一总线将整个隧道的声音采集前端并联后接入声音信号处理主机，实现了对隧道内车辆的准确定位，为隧道尤其是长隧道分段照明节能控制提供有力支撑。

图1 系统整体架构图

当隧道外的视频车辆检测器识别到车辆后，智能调光控制器根据采集到的洞外亮度值、色温值、车流量、车速并结合隧道的参数计算出各回路当前的亮度值和入口加强照明的色温值，通过各回路输出端口输出脉冲宽度调制(PWM)信号，分别对入口加强段、基本段、应急段、出口加强段的照明回路的亮度及入口段色温进行调节，实现隧道“车来灯亮”。车辆进入隧道后，通过声音有无车检测系统识别车辆的具体位置，在车辆通过加强段后加强照明灭灯，车辆通过隧道后，出口加强段灭灯，基本应急照明调暗至保证隧道内其他设备工作所需要的约1 cd/m2的亮度，实现“车走灯灭”。特别是对于基本段和应急段采用多个照明回路进行分段控制的特长隧道，可以实现分段调节控制，实现“车过灯暗”的效果。各个隧道的智能控制系统通过公路的自建通信网络将数据传输到路段中心管理服务器，通过服务器的智能调光控制软件系统实现路段中心级的管理，用户通过管理终端，可以在路段中心实现系统的实时管控及信息获取。

1.2 系统特点

1.2.1 隧道声音有无车检测系统

为了精确感知隧道内车辆的实际行驶情况，本设计采用的声音有无车检测系统在隧道内间隔200 m布设双麦克风，采集终端对隧道内车辆信息进行采集，通过对隧道内声音的采集、提取、转化而形成有效的车辆信息，用来识别车辆的具体位置，实现隧道内车辆位置的全覆盖准确识别，为调光控制器执行节能操作提供了可靠安全的依据，提升了隧道的节能效果。

1.2.2 PWM信号双参数控制

对于隧道入口加强段的双色温LED灯具，本文采用PWM脉冲宽度调制信号的两个参数对灯具的亮度和色温进行实时调节。通过控制分时发送两组不同频率的PWM信号来控制色温灯具中的高低色温的两组灯珠阵列，通过两组信号中各自PWM信号占空的变化实现两组阵列灯珠亮度的不同比例混合，在保证总亮度一定的条件下，实现LED灯具的色温调节。本设计采用一个信号的两个参数来控制灯具的两个不同变量，在不增加控制线缆的前提下实现了对双色温LED灯具的控制，降低了施工难度和成本，同时也保证了系统的稳定性。

1.2.3 色温动态调节控制

本文设计的色温控制系统通过在隧道入口停车视距处约150 m处布设一个色温检测仪，实现了对洞口外环境色温的实时采集。调光控制器根据色温采集仪采集洞外色温并进行处理和转换后的结果，在相应控制回路输出PWM控制信号调节隧道加强段的照明灯具的色温，减少不同时段隧道洞外与洞内的色温差异，提高照明的舒适度，缓解驾乘人员的驾驶疲劳，保证行车安全。

1.3 控制流程图

本文设计的隧道色温可调照明节能控制系统，通过对各种情况的流程控制实现了系统高效安全的运行。该系统具有手动、时间和自动三种控制模式，具备故障告警及各种预案自动切换执行的功能。具体的控制流程如图2所示。

图2 系统控制流程图

系统主要流程包括：系统各参数初始化→系统和外设自检及故障识别→故障类型对应执行相应处理预案→系统控制模式选择→依据外部设备采集的车流、车速、亮度、色温等信息生产可执行的灯具回路控制信息→执行各回路灯具的控制→结束控制流程。系统运行后整个控制流程循环执行，发生未知异常后，主动释放灯具控制权，保证灯具处于全亮的状态，避免在系统发生未知故障时因照明不足而导致交通安全事故。

2 实际应用效果

本文设计的隧道色温可调照明节能控制系统已在广西都安至巴马高速公路隧道进行推广应用，根据隧道车流、亮度、色温、车速等信息实现隧道照明综合节能控制，实现了“车来灯亮”“车走灯灭”的实际控制效果。同时，实现了根据隧道外不同色温环境进行自动调节达到洞内外色温相适应的照明效果。为该工程项目提供了一整套照明控制方案，实现了安全、节能、舒适、可靠的隧道照明。

3 结语

本文根据实际应用场景设计的隧道色温可调照明节能控制系统，采用视频车辆检测器作为系统的触发信号，结合洞外亮度仪、车流量、车速、色温检测仪等相关影响因素，动态调节隧道照明各控制回路的亮度及入口加强回路的色温，实现了“车来灯开，车走灯灭”的节能效果。采用的色温采集仪实现了洞内色温根据洞外色温动态调节，给驾乘人员提供了更加舒适的照明体验。采用的隧道声音有无车检测系统实现了隧道内无死角的车辆位置感知，保证了在隧道内无车状态下对灯具的准确调节。设计的PWM信号双参数对亮度和色温的控制方式，减少了线缆的使用，降低了项目投入成本、施工难度及维护成本，提高了系统稳定性。本文所设计的系统在工程实践中具有实用价值，在一定程度上提高了整个高速公路隧道照明的智能化水平，在隧道照明控制领域具有一定的参考价值。