智能化照明系统原理及安全性分析、灯具选择

1 LED智能化无级调光照明系统简介

公路隧道分级调光照明系统电能会有点浪费，下文就介绍如何消除上述的过度照明。

为了消除过度照明，我们需要让调光越精细越好；为了实现调光，规范中根据当时灯具的技术水平以及投资和运营的经济性，选择了较为经济的6级调光照明系统，即白天四级，夜晚二级。显然，这种粗矿的调光方式距按需照明要求还差距甚远。随着 LED灯具的出现，已在公路隧道照明领域产生了可喜的节能效果。如用于公路隧道基本和应急照明，通常可节能30％～50％，但用于加强照明，其节能幅度仅有约25％。随着科技的发展，一种新兴的亮度可控型LED无级调光隧道灯应运而生。它的问世，为智能化的无级调光照明奠定了基础。2008年以来，合肥源辉光电子有限公司已在数条隧道实施了LED智能化无级调光照明，均取得了满意的节能效果。其中安景高速前家山隧道LED智能化无级调光照明，比采用 钠灯的对比隧道节能80％.2010年，贵州省交通运输厅批复了贵州高速公路开发总公司与合肥源辉共同申报的科研项目《基于管理需求的LED灯调光控制系统研究与应用》。项目已于2012年3月通过了省级验收鉴定，其技术成果达到国际先进水平。项目将1km的格龙隧道采用两种照明控制方式作对比；左线采用LED智能化无级调光照明系统，右线采用传统的LED分级调光照明系统。经国家交通安全设施质量监督检验中心现场48h测试，左线LED无级调光照明系统较右线LED分级调光照明系统综合节能34.7％.

图1为夏蓉高速格龙隧道无级调光照明系统原理图。系统主要由洞外亮度检测仪、LED亮度智能无级控制装置和亮度可控型LED隧道灯等组成，有的还包括车检器、通讯系统和上位机监控管理软件等。系统的洞外亮度监测装置将检测到的隧道洞外亮度信号转换为4～20mA标准信号传送至LED亮度智能无级控制装置上，再由其计算后输出DC0～5V的直流模拟信号，去控制LED灯上的电压控制电流源。电压控制电流源的控制端电压的变化会使其输出电流随之变化，而输出电流的变化，又会引起LED输出功率和输出光通量发生变化，从而达到控制被照场所亮度的目的。设于中控室的上位机通过以太网 光端机与现场的LED亮度智能无级控制装置实现通讯。上位机利用无级调光监控管理软件，实现相关参数的设定、指令下达、实时信号读取和储存。

从图1中不难看出，系统电源回路只有加强照明回路和基本照明回路。加强照明没有晴天和阴天之分，布设时只有隧道的左侧和右侧之分。基本照明也没有白天和下半夜之分，对于中长隧道，一侧为基本照明，另一侧为应急照明；当市电断电时，应急照明的功率全部降至额定功率的20%；它较传统的应急照明亮度更为均匀。由于灯具控制端所需电流非常微小，约1uA，因此在实际应用中，控制线均采用2×1.5平方信号线，这可确保入口和出口处的信号电压基本相同。整个隧道不论多长，只需一台控制器进行调光控制。

图2是隧道LED照明系统上位机监控管理软件。监控管理人员可以通过该界面设定当前调光功率百分比，实现需要多亮就调至多亮的目的。

2 分级调光与无级调光照明的安全性对比分析

讲到照明安全，我们首先来看一幅智能化调光照明系统记录下的某天的洞外亮度变化曲线（如图3所示）。在这一天中，洞外亮度跨越了重阴天、阴天、云天和晴天四个亮度等级，并且在这些亮度等级之间随机地反复变化。在这种情况下，如果分级调光系统要不断地通过回路开闭来调节其亮度变化，熟悉机电的人士都知道，交流接触器的寿命会大幅折减，如不能及时更换，甚至会引发电气火灾。因此，实际开灯时均不作频繁调节，这使洞内亮度要么不够，要么超过许多。当亮度不够时，行车的危险因素就加大了。那么如何消除这种事故隐患呢？有两种方式：一种是按晴天模式开灯，另一种就是采用LED智能化无级调光照明，让洞内亮度跟随洞外亮度变化。前者电能浪费巨大，但现在大多数单位都无可奈何地这么使用；后者电能浪费很少，国内已有一些隧道采用了这一照明方式，并取得了良好地节能效果。夏蓉高速贵州格龙隧道就是采用这一照明方式的经典工程之一。

此外，为了提高控制系统的可靠性，我们将控装置设置在现场隧道入口的箱变内，以把控制系统遭受外界影响的机率降至最低。当控制装置与中控室通讯中断时，它可自行完成调光控制工作，从而避免了远程控制导致的可靠性下降。在控制信号的传输上，系统采用了DC0～5V的标准信号进行传输，其中0V对应灯具最大亮度，5V对应灯具最小亮度。这一方式确保了控制器电源故障时灯具是以满功率工作，从而保障了行车安全。在紧急状态下，监控管理人员可通过上位机监控管理界面点击故障处理，使得全部灯具亮度调至最亮，以便应急事故处理。

3 LED隧道灯的选择

LED隧道灯的发展可分为一代、二代和三代（见图4~图6）。下表列出了这三代隧道灯的特点和寿命。早期的隧道灯由于LED工艺尚未成熟以及灯具散热极差，其寿命通常不足5000h，距人们希望的50000h相距甚远。到了中期的第二代隧道灯，其芯片封装工艺已有了较大的改观，但灯具依旧沿袭了传统灯具的外形模式，因此散热效果依旧较差；其功率通常仅能做到150W以下。而第三代隧道灯一改传统灯具大 灯罩的模式，采用了分离式灯罩，并在灯罩之间开设上下通透的通风孔，利用热气流上升原理形成上下对流，从而起到了良好地散热作用。

图6是一款200W的第三代LED隧道灯。在它的光条中间开了许多通风孔。这使得其工作温度大幅降低。在25℃环境中满功率工作时，散热片温度为50℃，芯片与散热片的温差为25℃，则芯片温度为75℃以下。其寿命可根据图7推算。图7为国际知名LED品牌提供的LED在不同结温下的流明维持率与时间关系曲线。按此曲线可查得75℃时灯具流明维持率在70%时的工作时间为5.2万小时。该灯具在25℃环境中调光使用时，散热片平均温度为40℃，芯片与散热片的温差为18℃，则芯片温度约58℃；根据图7推算，流明维持率在70%时的工作时间为8万小时。在公路隧道内，一年的绝大部分时间温度都会低于25℃，平均约为15℃以下，因此寿命还会有一定的延长。

如果将上述灯具的通风孔封堵，使之上下气流不能形成对流，且不调光使用，散热片温度可升至70℃以上，芯片温度可达95℃，寿命约为2万小时；而采用不良封装的LED和设计差的灯具，其芯片温度甚至接近115℃，几乎处在损坏的边缘。

解决LED灯具的散热问题，最好的方法就是减少开灯时间或者降低其使用的功率。显然前者不在本文讨论的范围，而后者却是一种行之有效地方法。采用LED智能化无级调光照明系统，即可很好实现这一目标。