高速公路隧道LED照明智能控制示范应用

2014-10-10黎碧波张春化马荣贵

机电信息 2014年9期

路杨黎碧波张春化马荣贵

（1.陕西省交通建设集团公司，陕西西安710075；2.长安大学，陕西西安710064）

0 引言

隧道是一种特殊的管状构造物，车辆进入隧道的过程是一个明暗交替的过程，往往会产生“黑洞效应”和“白洞效应”，容易发生交通事故。隧道照明控制就是在确保行车安全的前提下，尽可能节约照明电能，降低运行成本。目前公路隧道照明使用最多的是高压纳灯，这种光源启动时间长，节能采用多回路控制。LED即发光二极管，是第4代照明光源，即21世纪绿色节能光源，具有无污染、光效高、耗电量小、寿命长（理论寿命达10万h）等优点。随着LED技术的不断发展，LED隧道照明发展迅猛，我国的个别高速公路隧道实施LED节能照明示范工程。目前，LED隧道照明控制大多与高压钠灯照明一样，没有采用按需照明、智能控制。LED灯响应迅速，其启动响应时间为纳秒量级，每次点亮只是瞬间过程，因此完全可以针对使用环境变化对其亮灭明暗实现智能控制，以充分节省电能，延长隧道灯寿命，使隧道灯照明系统更趋合理。

1 LED照明灯开发

1.1 LED照明灯无级亮度调节

LED无级调光解决方案及规范一直在不断变化中，现在市场上存在模拟、可控硅（TRAIC）和脉宽调制（PWM）3种调光方案。PWM调光是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED驱动器的调光技术。它以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率（通常高于100 MHz）在零电流和最大LED电流之间进行切换，从而调节白光LED的亮度。该占空比改变了有效平均电流，从而可实现高达3 000∶1的调光范围（仅受限于最小占空比）。由于LED电流要么处于最大值，要么被关断，所以该方法还具有能够避免在电流变化时发生LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的。

1.2 LED照明灯电源控制器

每个LED照明灯的亮度可调，是智能节能控制的基础，而现有的LED照明灯没有这样的功能。为了对LED照明灯亮度进行调节，就必须研制电流可调的电源控制器，设计采用恒压电源结合低压恒流模块结合的方案。恒流模块采用NS公司生产的L M3409 HV芯片，该芯片输入电压范围12～70 V，输出电压范围12～60 V，输出恒流，而且有PWM电流控制端，适合系统应用。一种电源控制器可以适应系列LED灯，比如1个75 W／54 V恒压电源结合1个恒流模块，可以适应40 W、50 W、60 W、70 W系列隧道灯；1个150 W／54 V恒压源配2个恒流模块，可以适应100 W、140 W等规格的隧道灯。PWM控制恒流模块原理如图1所示，包括直流电源、防反接电路、PWM控制电路及续流电路、大功率LED光源。直流电源通过防反接电路连接PWM控制电路和续流电路，续流电路连接PWM控制电路，大功率LED光源与PWM控制电路相连。直流电源经防反接电路给PWM控制电路供电，PWM控制电路和续流电路为大功率LED光源提供稳定的设定的电流。

图1 PWM控制恒流模块原理图

2 高速公路隧道LED照明智能控制系统

2.1 系统组成

系统组成如图2所示，现场传感信号和控制信号通过光纤在远程控制中心和隧道间传输，现场控制器和LED照明灯之间的信号用无线方式传输。

图2 高速公路隧道LED照明智能控制系统组成图

2.2 控制模式

（1）自动模式（远程控制）。按需照明，依据洞内外亮度、车流量和车速自动调整照明灯亮度。洞内局部因烟或雾能见度降低时，照明亮度自动增加，保证安全；洞外亮度强时，照明亮度自动增加。当没有车辆时，系统将使洞内维持最低亮度；当有车辆到来时，系统很快将洞内增至需要的亮度，从而避免隧道长时间无车照明。车速越高，照明灯亮度越强。（2）时序模式（远程控制）。按季节、时段和天气自动调整照明灯亮度。在自动控制信号出现故障等情况下，自动转换为该模式。时间自动读取计算机时钟。每天拂晓和傍晚亮度变化剧烈的时段，每15～30 min自动调整亮度一次；其他时段每1～2 h自动调整亮度一次。天气状况分为晴、多云、阴和重阴，人工输入。（3）手动模式（远程控制或现场控制）。人工手动控制照明灯的开、关和改变照明灯亮度，用于检修等情况。控制软件主界面如图3所示。

图3 控制软件主界面

3 示范工程实施效果

黄沙岭隧道和岭底隧道是LED照明示范工程，实施按需照明智能控制。黄沙岭隧道和岭底隧道双向六车道，设计时速100 k m／h，照明灯具采用左右两侧双排布设。黄沙岭隧道左线ZK103＋930～ZK107＋909，长3 979 m；右线 K103＋934～K107＋951，长4 017 m。岭底隧道左线ZK103＋041～ZK103＋826，长785 m；右线K103＋285～K103＋820，长735 m。

3.1 照度均匀性

为了对比平面光源LED灯和高压钠灯照度均匀性，分别测量了黄沙岭隧道LED照明中间段照度和小黄川隧道高压钠灯照明中间段照度。黄沙岭隧道中间段和小黄川隧道中间段布灯方式均为双侧对称布置，间隔为8 m。测量时在路面横向和纵向每间隔0.8 m画出记号，测量每个点的照度。

左车道的左侧和右车道的右侧均靠近电缆沟，照度测量值受电缆沟侧面涂的黄色或黑色油漆影响，波动太大，因此去掉最靠边列的照度数据。黄沙岭隧道LED照明中间段照度测量结果如图4所示，小黄川隧道高压钠灯照明中间段照度测量结果如图5所示。LED灯照度最大值63.4 lux、最小值46.3 lux，二者之差为17.1 lux；高压钠灯照度最大值63.2 lux、最小值45.5 lux，二者之差为17.7 lux。和高压钠灯相比，平面光源LED照度值起伏较小、相邻点变化小。

按照JTJ026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》，路面总亮度均匀性为最小亮度与平均亮度之比。以下用最小照度与平均照度之比表示路面总照度均匀性。LED灯整个区域的最小值为46.3 lux、平均值为48.85 lux，均匀性为0.95；高压钠灯整个区域的最小值为45.4 lux、平均值为48.2 lux，均匀性为0.94。二者均超过要求的0.4。

3.2 照明耗电

对小黄川隧道高压钠灯的功率和照度进行了测量。2个隧道中间段照明均为8 m间隔，双侧布灯，每8 m的平均功率和照度对比如表1所示。黄沙岭隧道中间段LED单灯设计功率为50 W，亮度设置为90%时的平均照度为48.85 lux，2盏灯的实测平均功率为88 W；小黄川隧道中间段高压钠灯单灯设计功率为70 W，平均照度为48.20 lux，2盏灯的实测平均功率为161 W。在照度不低于高压钠灯的条件下，LED灯的电功率降低45.3%。