李海文

摘 要：针对城市隧道数量不断增加，隧道照明与通风能耗较大，运营成本较高的现象，讨论了城市隧道照明与通风之间的关系，提出了照明系统与通风系统联动节能控制的思想，阐述了照明与通风联动控制系统的构成以及系统的控制原理与控制方式。

关键词：城市隧道；照明；通风；节能控制

1 概述

近几年，随着国内城镇化进程不断加快，城市人口越来越多，城市规模越来越大，交通阻塞现象日益严重，为满足各种出行需求，城市隧道的数量急剧增加，以某隧桥管理公司为例，仅2013至2014年，不到两年的时间，该公司养护隧道就增加了11座。随着隧道数量的增加，城市道路养护费用大幅攀升，其中隧道照明及通风占据了较大的部分。

目前，有很多专家学者对城市隧道的控制方式进行了研究，控制方式多种多样，但通常将照明与通风系统分别进行控制。

照明系统最常见的控制方式分为时序控制与手动控制两种[2]。时序控制是指根据季节的不同，通过时间控制器，按照预先设定好的时间开启或关闭各回路的灯具，尽可能满足隧道内车辆安全通行的最低亮度需求，手动控制是指通过人的感官，进行手动开启或关闭各回路灯具。

通风系统控制方式通常分为两种[3]：一种是正常情况下的通风控制方案，即在隧道内交通量数据、环境参数的数值正常时，为正常隧道换气开启风机；另一种是在火灾情况下，根据采集到的CO、NO2浓度、能见度（VI）等数据控制风机的开启和关闭。

隧道的结构相对封闭，车辆通行引起的扬尘及尾气不易扩散，使得烟尘浓度较高，这对隧道内照明会有一定影响[4]。1987年，在布鲁塞尔举行的第十八届国际道路会议PIARC上，隧道委员会的《技术报告》中说明了烟尘浓度和亮度要求之间的关系，见表1。

如表1所示，随着停车视距的增大，烟尘浓度对亮度要求的影响也随之增大，当停车视距为100m时，如果烟尘浓度从5×10-3m-1增加到9×10-3m-1，那么亮度是原来的3倍才能满足要求。

隧道通风与照明系统分别进行控制，为保证照度，通常情况下隧道照明系统方案的设计会以烟尘浓度较高的点作为参照，使得隧道内有些路段或时段照度过高，不但降低了隧道内的行车舒适度，而且造成能源的浪费，不利于环保。因此，文章提出隧道通风与照明系统联动控制的思想[5]，在保证照度与空气质量的前提下，改善原来粗放型的控制方式，适应时代的需求，节约能源，减少浪费，为绿色交通助力。

2 系统原理

如前所述，隧道是一个相对封闭的空间，汽车尾气及行驶扬尘导致空气相对污浊，对隧道照明产生一定的影响，同时降低行车舒适度。当隧道内空气中颗粒物逐渐增多时，隧道中能见度将不断下降，为使车辆安全舒适行驶，需要增加照明功率或提高光通量。增加照明功率不但引起能耗的增加，而且当烟雾浓度达到一定值时，增加照明功率并不能满足安全行车的能见度要求；如果保持风机开启来降低烟雾浓度，增加光通量，同样会增加电能消耗。为协调照明与通风的相互关系，下面将介绍通透率τ与能耗比ρ的概念[6]。

2.1 通透率

中央控制室计算机将实时计算出来的通透率的值τ与预先设定好的阈值τ0作比较，根据结果判断风机的开启与关闭及风机的转动频率。

2.2 能耗比

能耗比是在CO、NO2浓度低于阈值，且能见度高于阈值，为节省能耗，在保证照度的前提下提出的。如果调整照明功率，风机保持运行状态不变所需的电能为W1；如果开启风机或增大风机转速，保持照明功率不变所需的电能为W2。

当时，控制计算机发出命令调整隧道照明灯具功率；当时，控制计算机发出命令开启风机，并通过使能耗比尽可能小的方式，调节风机的转速。

本系统中风机采用变频调节的方法，该方法与机械节流方式相比，效率较高，节约能源。风机的变频调节是利用变频器改变定子的供电频率，从而控制转子的转动速度，进而调节风机的转速[7]。

LED灯的无级控制是以0～5V的直流模拟信号形式输出控制命令至电压控制电流源，控制端电压随命令发生变化，引起输出电流发生变化，又引起LED亮度的变化，从而控制隧道内的照度[8]。

3 系统构成

照明与通风联动控制系统由七个子系统构成，其具体功能如图1所示。

通风子系统：该系统中风机采用可变频的轴流风机，风机一般可通过改变安装角度、调整转速来调节性能，与其他风机相比，轴流风机调节简单、经济、调节幅度大。

照明子系统：本系统中的照明采用LED灯，与其他光源相比，相同功率下亮度较高，使用寿命较长，同时其工作电流在一定范围内可以进行调整，实现亮度无级控制[9]。

检测子系统采用各种功能的检测器，采集隧道内能见度、CO与NO2浓度等数据，通过车辆检测器判断是否有车辆通过，并采集隧道入口的光强度。

信息传输子系统：本系统的信息传输采用光纤环网，其传输速率较高，传输距离较远，采用环网结构，可靠性相对较好[10]。该系统除将经过区域控制器预处理后的各种检测器的数据向中心控制计算机传输外，还要完成中央控制计算机发出控制命令向区域控制器的传输。

数据处理子系统：中央控制计算机接收并处理区域控制器传来的数据，根据预先设定好的程序做出分析判断，得出控制命令。区域控制若收到中央控制计算机发出的命令，则执行该命令，若没有，则同样按预先设定好的程序，对采集到的数据进行判断，以控制照明灯具和风机。

区域控制子系统：隧道内的区域控制器除了要完成CO、NO2和能见度等检测器设备采集到数据的预处理，对风机及灯具进行控制，还要接收中心控制计算机的控制命令并执行，中心控制计算机的命令优先级高于区域控制器自身处理数据得到的命令。

中心控制系统：该系统的核心部分是中心控制计算机，它要接收和存储区域控制器传输的数据，并对数据进行处理分析，发出控制命令。

4 控制方式

照明与通风联动控制系统为二级系统，中央控制计算机的命令优先级高于区域控制器的命令。中央控制计算机通过处理区域控制器传来的检测数据，并进行分析，得出控制命令，反馈给区域控制器，区域控制器接收该命令，并优先执行，若区域控制器未收到中央控制计算机的命令，则根据自身内部预先设定好的程序对能见度检测器、CO检测器、NO2检测器等采集到的数据进行处理，并做出相应判断，来控制区域内的风机与灯具。联动控制系统原理如图2所示。

4.1 中央控制计算机控制

中央控制计算机接收各区域控制器发出的数据，并进行一系列的分析判断，其过程如下：

（1）根据车辆检测器的数据判断是否有车辆经过，如果没有车辆经过，则降低隧道内照度到预定的值，并在保证隧道基本通风换气的条件下，控制风机运行；如果有车辆经过，则进行下一步判断。

（2）通过对光敏电阻数据的分析得到光敏电阻所在区域当前通透率，与设定好的阈值τ0进行比较，如果通透率低于阈值，则开启风机或增大风机的转速，否则结束。

（3）当接收到区域控制器传来的新数据，则循环执行上述过程。

4.2 区域控制器控制

当区域控制器未接收到中央控制计算机的控制命令时，会根据自身内部程序，对检测器检测到的数据进行处理分析，按照一定频率进行判断并得出控制命令，其控制流程如下：

（1）判断区域控制器所控制的区域内CO、NO2的浓度是否高于阈值，如果高于阈值则发出开启风机的命令，否则进行下一步判断。

（2）判断区域控制器所控制的区域内能见度是否低于阈值，如果低于阈值则开启风机或提高灯具亮度，否则进行下一步判断。

（3）判断CO、NO2的浓度是否低于阈值，且能见度高于阈值，如果不能满足该条件，则保持风机及照明灯具的工作状态，否则进行下一步判断。

（4）将能耗比ρ与1进行比较，如果，则调整灯具的亮度；如果，则开启风机或调整风机转速。

5 结束语

伴随我国城镇化发展的推进，交通需求逐渐加大，城市隧道运营管养费用大幅攀升。城市隧道照明与通风系统的联动控制，将大幅降低隧道运营管理的能耗，延长灯具及电源的使用寿命，为实现隧道运营节能环保开辟了新的途径。

参考文献

[1]交通部部颁标准.JTG/TD70/2-01-2014.公路隧道通风照明设计规范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]张飞.城市公路隧道照明节能系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[3]廖庆华.高速公路隧道联动控制方案讨论[J].中国交通信息产业，2006（2）.

[4]闫桂梅.公路隧道通风照明与行车安全关系研究[D].重庆：重庆交通大学，2008.

[5]杨治攀.公路特长隧道安全运营节能与智能联动研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[6]吴桂林，杨治攀，潘国兵，等.公路隧道通风照明联动综合节能技术的探讨[J].公路隧道，2013（4）.

[7]黄东杰.大功率变频恒压供风控制系统设计[D].北京：北京工业大学，2006.

[8]韩直.LED公路隧道照明灯应用与技术条件研究[J].中国交通信息产业，2007（11）.

[9]王霞，周健.LED照明亮度智能无级控制系统在城市隧道中的应用[J].交通科技，2009（1）.

[10]顾畹仪.光纤通信（第二版）[M].北京：人民邮电出版社，2011.