隧道照明智能控制系统设计与应用

发布于：2015-08-03 13:04:03 来自：电气工程/照明工程 [复制转发]

１　前言

隧道具有缩短公路里程、提高运输效益、利用地下空间节省用地、保持生态环境等优越性，越来越多的高速公路隧道、城市地下通道、过江隧道、湖底隧道等各种形式的隧道投入运行和使用。隧道照明与一般道路照明要求不同，隧道白天也需要照明，而且问题比夜间更加复杂，照明系统是隧道机电工程中最重要的设施之一，也是车辆在隧道内安全通行的基本保证，而合理的照明控制策略以及依此策略的照明调节控制系统是保证照明系统安全可靠、高效节能的重要因素。

现有的隧道照明智能控制大多采用时序控制法，主要通过投退不同的照明回路，以增减工作灯具数量的方式来达到目的。这种控制方法虽然控制简单、可靠，但未完全考虑环境因素对隧道照明的影响，如天气条件、隧道通风状况、交通量以及车速对照度的要求等，不能完全满足隧道照明的要求，并且能耗高。随着半导体照明技术的快速发展，目前高效节能的ＬＥＤ照明灯已越来越多地应用于隧道照明系统中。与传统的灯具相比，ＬＥＤ照明具有低功耗、高可靠性、长寿命等优点，是一种符合环保、节能的绿色照明光源。文章将从完善控制策略的角度提出ＬＥＤ隧道照明智能控制系统的实现及其应用方案，综合分析隧道照明的要求及其特点，为大功率ＬＥＤ隧道照明智能控制系统提供完整的解决方案。

2 隧道照明智能控制系统体系结构

隧道照明智能控制系统主要由监控中心的主控计算机、安装在现场的ＬＥＤ隧道照明智能控制器以及数据通信接口等构成。照明智能控制器通过现场传感器采集隧道外照度值、隧道内照度值、车流量、车速等数值，并将数据上传至监控中心。主控计算机根据设定的调光控制逻辑计算出各隧道、各区段当前的亮度参数，再通过通信网络向各隧道ＬＥＤ照明 灯控制器发出调光控制指令。照明智能控制器采用ｆｒｅｅｓａｃｌｅ的ＰｏｗｅｒＰＣ８２４７处理器，软件以ｌｉｎｕｘ操作系统为工作平台，通信方式可选择ＣＡＮ网络、无线ＺｉｇＢｅｅ或ＲＳ４８５总线。图１为ＬＥＤ隧道照明智能控制系统结构示意图。

如图１所示，隧道照明控制器采集车辆检测器、光强检测仪等传感器的检测信号，根据预设的照明控制策略，对整个隧道的照明系统进行控制。系统的控制策略如下：正常情况下，在没有车辆进入隧道时，根据检测到的洞内外光强差值，在隧道内只开启相应的基本照明；在车辆检测器检测到车辆即将进入隧道时，开启隧道洞口的加强照明；当检测到车辆进入隧道后，则将车辆前面一段相应距离的照明加强；一旦检测到后面无车辆跟进，则将车辆后面的加强照明关闭，并调低基本照明亮度。同时，根据检测到的光强值还可判断晴天、阴天、白天、晚上等时间段数据，从而开启或关闭相应的照明灯具。

根据隧道的特点，隧道照明智能控制包括入口段照明控制、过渡段区域照明控制、基本段区域照明控制（若干）和出口区域照明控制。隧道照明控制器根据接收到的亮度调节命令，自动调整灯具电源的输出电流（ＰＷＭ方式的占空比），改变ＬＥＤ隧道灯的亮度或者工作状态。主控计算机通过照度传感器实时检测到当前隧道照明的照度，判断当前的照度是否满足隧道照明要求，如果不满足，就下发新的控制命令给ＬＥＤ隧道灯，从而改变隧道的照度。为保证行车安全，调光系统在调节隧道亮度时，采用亮度渐变控制方式，分步逐级达到目标亮度，以避免因亮度突然变化而产生不安全因素。

本系统既可对单个的照明灯进行单控也可对区域照明进行群控，控制策略可随时根据实际情况进行修正，这样能节约大量的电能，有效地降低运营成本。

３　系统通信网络结构设计

本系统网络拓扑采用总线结构，通讯方式可选用ＣＡＮ总线、４８５总线或ＺｉｇＢｅｅ无线方式，对应于不同类型的ＬＥＤ灯具智能接收控制器接口形式[５]。

ＬＥＤ隧道照明智能控制系统的拓扑结构如图２所示：

采用ＣＡＮ和ＲＳ４８５总线通信技术进行数据传输，都需要专门投资铺设通讯线路，当数据传输总线与ＬＥＤ灯 电源线路并行敷设时，会有高压脉冲耦合侵入，通信质量易受到影响。而Ｚｉｇｂｅｅ是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议的一种新兴的短距离无线通讯技术，能有效解决以上问题，非常适合在测量节点较多、分散、不要求较高数据传输速率的控制领域应用。本系统中的隧道照明智能控制器配备ＺＩＧＢＥＥ模块，能够简单快速地进行ＺＩＧＢＥＥ组网。图３为ＺＩＧＢＥＥ无线网络照明控制示意图。

相对于舞台照明需要场景的快速变化，隧道照明的调光变化较缓慢。因此，在通信协议的选择上采用了更为合适的ＤＡＬＩ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：数字可寻址照明接口）协议标准。ＤＡＬＩ是照明 控制设备之间数据通信的接口标准，该技术的最大特点是可对系统内ＬＥＤ灯具独立寻址并进行精确的控制，尽管这些灯具在强电上是同一个回路或不同回路，但在照明控制上与强电线路无直接的联系。该技术为控制带来极大的灵活性，可根据需要设计满足其需求的照明方案，甚至在安装结束后的运行过程中仍可修改控制参数，而无须对线路做任何改动。采用ＤＡＬＩ标准的系统，功能模块相对较少，结构简单，安装方便，调试也十分便捷，可以实现许多基于回路控制的智能照明控制系统无法实现的功能。

同时，ＤＡＬＩ技术是双向通讯，不仅可以发送控制指令，而且可反馈ＬＥＤ照明控制器及光源的工作状态和故障信息，这给运营维护和集中管理带来了极大的便利。ＤＡＬＩ协议采用数字照明控制技术，其无可比拟的先进性，精确的控制效果以及技术的标准化和优异的开放性，使得数字照明技术在照明控制领域迅速普及与推广，而运用数字照明也正成为一种设计潮流和应用趋势。

４　ＬＥＤ隧道灯智能控制单元

在隧道智能照明控制系统中，ＬＥＤ灯智能控制单元是整个照明智能控制系统的核心，它接收来自隧道照明控制器的控制命令，并控制流过ＬＥＤ的电流，从而达到调光的目的。

以某公司芯片为例，单颗芯片额定电流为３５０ｍＡ，控制流过ＬＥＤ的电流大小即可控制其发光强度，控制电流可采用以下两种方法：

（１）通过斩波调相控制电流从０～３５０ｍＡ之间连续可调，但采用这种方案需要重新设计 开关电源，面对众多ＬＥＤ厂家的电源，适应性很差，不利于普及推广。

（２）以各厂家ＬＥＤ灯具电源的额定输出电流为基准值，采用ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：脉宽调制）的方式控制电源的平均输出电流从而实现调光控制。

本系统的ＬＥＤ灯调光控制器采用ＰＷＭ方式调制，发光强度０～２５６级连续可调，可连接于灯具电源和ＬＥＤ模组之间，与照明灯具原有电源无关，根据需要最多可控制６个ＬＥＤ模组。因为无需改变原有灯具电源结构，因而适应性广，控制精度高，稳定性好。ＬＥＤ灯智能控制单元系统结构如图４所示。

各ＬＥＤ灯具厂家根据自身灯具的特点对ＬＥＤ灯珠采用串并联结构，将ＬＥＤ灯珠组合成１个或几个模块，在每个模块内采用串联结构，模块间采用并联结构。ＬＥＤ灯智能控制单元根据接收到的控制命令控制每个模组的ＰＷＭ调制信号，可实现分组调光或联合调光。

在ＰＷＭ调制频率的选择上，应考虑在隧道内ＬＥＤ照明灯可能会与其它光源产生差频效应。隧道内除ＬＥＤ灯外，可能还安装有高压钠灯、荧光灯等，如果频率过低，差频后会出现严重的频闪，严重时将影响隧道内行车安全。但是如果ＰＷＭ的调制频率过高，又会增加开关损耗，导致电源发热，电源效率降低。根据多次研究测试，将ＰＷＭ调制信号的频率选择在２～１０ｋＨｚ之间较为合适，本方案选择的调制频率为６ｋＨｚ.

ＬＥＤ灯智能控制单元的关键部件为大功率开关器件，可供选择的开关器件有可控硅、大功率ＭＯＳ管、晶闸管、ＩＧＢＴ等。可控硅技术成熟、控制简单，但工作频率较低，不适合ＰＷＭ调制应用，而晶闸管、ＩＧＢＴ等通常应用于几十安以上的大电流场合，因此本方案选择大功率ＭＯＳ器件。

根据对大功率ＭＯＳ器件的失效模型分析，在大于９０％的情况下ＭＯＳ器件的失效均表现为断路失效，因此为了保证照明控制系统的可靠性，开关器件采用旁路方式，这样在绝大多数故障情况下，会保持ＬＥＤ灯具全亮，从而保证隧道内行车安全。

测试结果表明，采用ＰＷＭ调制电源效率高、对供电电源的污染较小。开关电源高压侧电流波形如图５所示。

５　结束语

ＬＥＤ隧道照明智能控制系统的使用，首先使灯具的照明布线设计大幅度简化，布线施工费用大幅度减少。使用隧道照明智能控制系统的ＬＥＤ隧道照明与没有隧道照明智能控制系统的ＬＥＤ隧道照明相比，可节电约３０％左右。在实际使用过程中，隧道照明控制系统还应与隧道通风系统、火灾报警系统以及环境监测系统互联，以达到最佳的控制效果。由于隧道的特殊结构，隧道内的烟尘特别多，且不易消散，隧道照明控制系统既要考虑光线的穿透性能，也要考虑由于烟尘反射而造成的亮度损失。而隧道通风则是降低烟雾浓度的有效手段。因此，照明控制和通风控制之间存在一定的联系，如何使二者统一且节能效果更好，有待进一步探讨。当隧道发生火灾时，为了紧急救援，如何快速及时打开全部照明，尚有待研究。

随着现代科学技术的发展，ＬＥＤ照明设备及控制技术因其优异的特性，必将在隧道照明系统中得到更加广泛的应用，为提高隧道的营运效率，降低运行成本，提高行车安全性发挥更大的作用。

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