隧道照明精细调光系统在城市隧道中的应用分析

隧道照明精细调光系统在城市隧道中的应用分析

王霞

合肥市市政工程管理处安徽合肥230011

摘要：隧道入口加强段调光的精细化程度对行车安全与节能有着重要的影响。本文分析了利用精细化调光控制系统对城市隧道实行智能化控制管理，保障行车安全，利用隧道LED智能化精细调光照明系统，实现了洞内入口加强段亮度实时跟随洞外亮度变化，从而实现实时调光的目的。调光系统的输出间隔时间越短、亮度等级越高，越是能体现其调光的精细化程度，而精细化程度是体现系统保障行车安全能力的重要指标。

关键词：精细化调光；实时性；亮度等级；隧道智能照明系统控制器

按需照明——按需照明就是被照场所需要多亮，控制器就能通过照明灯具提供多亮的一种照明方式。按需照明所提供的照明强度是在确保满足各种照明设计规范的前提下避免过度照明，最大限度的节约电能。

过度照明——照度超过实际需要10%以上的照明称为过度照明。

1隧道精细化调光系统的整体控制方案

随着城市下穿隧道的不断增加，隧道的长度也越来越长，隧道内的照明节能和安全行车的矛盾越来越突出，因此，隧道精细化照明成为势在必行。

隧道精细调光系统主要由洞外光强仪、入口段光强仪、中间段光强仪、微波车辆检测器、智能照明系统控制器和可调光LED隧道灯、通讯系统以及上位机监控管理软件等组成，见图1。系统中洞外光强仪将洞外亮度信号转变为4～20mA的标准信号后传送至隧道智能照明系统控制器上；洞内光强仪将洞内入口段和中间段的亮度信号转换成4～20mA的标准信号，传送至隧道智能照明系统控制器上；微波车辆检测器将检测到的车流量信息通过光缆传送至隧道智能照明系统控制器上。控制器根据这些参数经计算后分别输出两路DC0～5V的直流模拟信号，去控制隧道内入口侧的加强照明灯具和全部基本及出口加强照明灯具的输出功率。控制器输出电压的变化，会使灯具中LED的驱动电流随之变化，其控制电压与灯具中LED的驱动电流呈一一对应的反向线性关系；灯具输出电流的变化会使灯具的输出功率和输出光通量随之变化，从而实现调光的目的。由于系统中的隧道智能照明系统控制器为现场专用的调光设备，独立完成现场的多种信号采集、复杂运算和调光输出，其调光亮度等级高达256级，实现了相邻调光操作的间隔时间不大于2S，这也使得实际与理论调光曲线基本一致，实现了洞内入口加强段亮度实时跟随洞外亮度变化的平缓过渡，较好地消除了黑洞效应、盲视效应以及频繁地亮度跳变。系统设有洞内入口段和中间段的路面亮度监测，当灯具出现光衰致使洞内亮度低于标准时，系统会自动调节洞内亮度，使之在全寿命期内路面亮度始终高于标准要求，提高了系统的自动化程度，降低了人为操作产生的误判。

图1LED照明亮度无级调光控制系统

2隧道传统照明与精细调光的比较

目前国内隧道的调光照明系统多采用分回路或分10级调光和远程调光等几种方式，前者的亮度等级较低，不能频繁调节；后者的实时性较差，亮度调节严重滞后；因而难以实现精细化和实时性调光。也有的隧道用中继器或PLC来替代现场的公路隧道照明专用的智能照明系统控制器，因而也难以实现精细化和实时性。这些问题是需要各方面努力去解决的。现有隧道照明调光一般是将最大亮度分为10个亮度等级，每级为20cd/㎡，这种调光方式在设计阶段对环境参数以最大值考虑，而没有考虑跟随环境参数的变化去变化，因此会导致洞内频繁出现亮度跳变，其每次跳变幅度高达20cd/㎡，在亮度较低时段，其瞬间的亮度降幅高达33%。亮度由亮至暗的跳变，会产生盲视效应；而亮度在隧道内频繁地跳变，会干扰驾驶人员的注意力；这些都会对隧道的行车安全产生不利影响。在传统的回路分级调光过程中，虽然也存在亮度跳变，但这种跳变频度极低[3]，每日也就几次，因此其所产生的危险性较大。从实际调光与理论调光的相关性来看，二者的相关性同样存在较大差异。这就是亮度等级过少所致。这类低亮度等级的调光方式不仅存在安全隐患，还存在一定的过度照明，使得节能效果下降。

为了改变传统照明的不足，现将亮度等级再细分至100级，可以得出实际调光曲线与理论调光曲线就非常接近了。虽然洞内仍旧存在频繁地亮度跳变，但幅度只有2cd/㎡，即使在低亮度时段，其瞬间降幅也只有3.7%。采用这种精细化的调光方式，亮度变化更接近连续变化，洞内不会有大幅亮度跳变之感觉，因而隧道行车也就更加安全了。

3精细化调光在实际工程中的运用

2014年颁布的行业标准[4、5]就提出了要求公路隧道照明宜采用无级调光，当采用有级调光时，不宜低于24级；而在照明控制器标准中，则同样要求其输出的调光等级不应低于24级[5]。这些要求都是为了应对洞外亮度随机变化所采取的必要措施。

在怎样实现实时的精细化调光方面，国内一些专家学者曾经提出过一些有益的方案。周健分析了多种可控型LED驱动电源的优缺点，提出了采用DC0～5V模拟电压进行调光控制的电源方案[6]。吕晓峰提出了公路隧道智能化照明的系统架构[7]。

下面以合肥市文忠路下穿少荃湖底隧道为例来具体说明，该隧道全长1090米，即K4+50—K15+40，该路为城市主干道，双向四车道路幅，设计车速60m/h，入口段1设计亮度为88/77cd/m2，入口段2设计亮度为44/38cd/m2；加强照明采用200W和60WLED灯具，普通照明采用35WLED灯具，间隔1米排列，入口段1长度35米。

该系统分别在洞外、入口段及中间段设置了亮度仪，用以检测亮度的变化并将数据传输到调光控制柜，经柜内智能照明系统控制器将信号传送到加强照明和普通照明回路中。

4精细化无极调光系统的监控管理功能的运用

隧道无级调光监控管理平台的主界面设于监控中心，现场的隧道智能照明系统控制器通过以太网交换机实现与监控中心上位机的通讯。监控管理平台可对现场的多项参数进行远程设定，并可下达各项指令，读取并储存调光数据。在紧急情况下，管理人员可通过该界面进行紧急操控，以使灯具满功率开启，方便各种事件处理和维修巡检。洞内加强照明输出功率百分比的变化与洞外亮度变化具有相关性，但变化的幅度会更大一些，这是由于加入了车流量调光所产生的。入口段亮度变化曲线与洞外亮度变化曲线是相关的，只是变化幅度更大；它不仅受洞外云系变化的影响，还受到车流量和驶过车辆车灯的影响。洞内基本照明输出功率百分比虽然与洞外亮度变化无关，但也存在一定的变化。这主要是受车流量的影响，车流量增加，则调光功率也相应地增加。而中间段路面亮度变化较大，这主要是因中间段照明标准较低，车灯的影响幅度相对更大，因而出现大幅波动的现象。洞内亮度检测数据的波动，使得数据处理难度极大；它需要设在现场的隧道智能照明系统控制器在深深的噪声中地解析出数据，并通过复杂计算，提炼出有效的数据，以判断其是否符合标准要求。

5结束语

1）隧道照明调光的精细化和实时性，是隧道内行车安全的必要保障，利用缩短调光间隔时间和提高调光精细化程度的照明新理念，调光间隔时间限定在2S以内，调光的亮度等级达到100级以上，则可较好地实现实时调光的目的，从而更好地保障隧道行车安全。

2）节能是隧道建设单位和管理单位的一项长期而重要的课题。本文利用隧道智能照明控制系统，缩短了调光间隔时间，提高了调光精细化程度，则可较好地消除“盲视效应”和“黑洞效应”，从而更好地保障隧道行车安全。

参考文献

[1]招商局重庆交通科研设计研究院有限公司.JTG/TD70/2-01—2014，公路隧道照明设计细则[S].中国：人民交通出版社，2014年7月：1—46

[2]InternationalCommissiononillumination.CIE88:2004,GuidefortheLightingofRoadTunnelsandUnderpasses[S].China：ChinaCommunicationsPress，2004-3,1-32)

[3]吕晓峰.公路隧道无级调光照明节能原理及投资分析（中）[J].交通建设与管理，2012（7）.92-93.

[4]交通运输部公路科学研究院.JT/T939.1—2014，公路LED照明灯具第1部分：总则[S].中国：人民交通出版社，2015年4月：1—11

[5]交通运输部公路科学研究院.JT/T939.5—2014，公路LED照明灯具第5部分：照明控制器[S].中国：人民交通出版社，2015年4月：1—19

[6]周健.公路隧道LED灯照明系统无级调光控制方式研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2009（11）105-108.

[7]吕晓峰.公路隧道LED智能化无级调光照明节能分析[C].中国交通信息化，2012（2）195-201.