基于LED的隧道智能照明技術(shù)方案研究

摘要：基于目前高速公路隧道照明耗費的電能巨大，特別是在中國的西部地區(qū)，隧道多、車流量不大，夜間更少，由此造成了大量的電能浪費。為此結(jié)合西部的實際情況，提出了一套新的公路隧道照明應(yīng)用方案，采用LED燈結(jié)合分段控制技術(shù)，通過模擬隧道的實驗實現(xiàn)了亮度智能控制、照明隨車的移動而改變、最大限度節(jié)能的目的。

在哥本哈根世界氣候大會上溫家寶總理代表中國承諾，到2020年，二氧化碳/GDP總值比要在2005年的基礎(chǔ)上降低40%~45%.中國多山，山區(qū)面積占全國總面積的2/3,給交通建設(shè)帶來很大的不便，截止2009年底全國公路隧道多達6139處，其中特長隧道190處，長隧道905處，隧道照明上所耗費的電能相當巨大。為此我們對高速公路隧道照明方法展開研究。

1隧道照明設(shè)計要領(lǐng)

白天駕駛員駕駛車輛從隧道外接近、進入和通過隧道的過程中，如果隧道沒有照明裝置，由于隧道內(nèi)外亮度差別極大，入口處將呈現(xiàn)一個黑洞,出口處則看到一個亮洞;夜間駕駛員行車進入和通過有照明系統(tǒng)的隧道，情況就又剛好相反，這些現(xiàn)象都會引發(fā)安全事故。為此，《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》制定了相關(guān)的規(guī)范，對入口段、過渡段、中間段、出口段的亮度做了詳細的規(guī)定，相關(guān)規(guī)定如下：

1）入口段亮度需求Lth（cd/m2）

式中k為折減系數(shù)，L20（S）為洞外亮度（cd/m2）

2）過渡段亮度需求

照明段TR1的亮度Ltr1如下：

照明段TR2的亮度Ltr2如下：

照明段TR3的亮度Ltr3如下：

3）中間段亮度Lin,如表1所示。

表1中間段亮度規(guī)范

4）出口段亮度。

亮度取中間段亮度的5倍。

夜間照明分兩級控制：交通量較大時，亮度與中間段亮度Lin相等；交通量較小時，亮度為0.5Lin但不小于1cd/m2。

2LED智能燈的設(shè)計方案

2.1隧道中LED智能燈具照明與傳統(tǒng)燈具照明的比較

1）傳統(tǒng)的隧道照明方案

傳統(tǒng)的隧道照明方案為了做到節(jié)能，通常采用4級照明，即晴天、云天、陰天和重陰天4種照明模式，這種控制方式一般采用的都是控制亮燈的數(shù)量和位置來達到分級照明的目的。采用的燈也是傳統(tǒng)的高壓鈉燈，由于高壓鈉燈光源的功率規(guī)格通用型只有100W、150W,250W和400W幾種，而許多高速公路隧道基本照明燈具僅需40~120W即可，但目前隧道的基本照明通常選用100W、150W或更高的高壓鈉燈[3],普遍存在過度照明，或要人工控制的問題。

在設(shè)計燈具功率時，必須要考慮一定的維護系數(shù)，這樣才能確保在實際的運營過程中當燈具光源亮度衰減和燈具受到污染而使亮度下降30%以上時，其照明的強度依然能夠滿足規(guī)范的要求。

在《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，維護系數(shù)取0.7,如某隧道實際需要80W的燈具，那么設(shè)計的時候燈具功率最少要選115W;同時還要考慮到燈具會隨著時間的推移，自身會有損耗，為了確保燈具能符合設(shè)計規(guī)范，就必須有一定的冗余量，一般取1.7倍，那么設(shè)計的時候燈具功率就要高于136W,于是選用150W的高壓鈉燈。

2）LED智能燈具照明方案

LED有發(fā)光效率高、壽命長、易控制等特點。如某隧道實際需要80W的燈具，用LED智能燈就可以控制成80W的規(guī)格，避免過度照明。根據(jù)隧道外的亮度智能化控制隧道內(nèi)LED燈的照明亮度，特別是入口段、過渡段這兩段的亮度調(diào)節(jié)，即根據(jù)隧道的設(shè)計行車速度來設(shè)計該路段需要多亮，照明燈具就控制多亮（LED智能燈也必須有一定的冗余量），以避免過度照明，這樣可以節(jié)約電能，減少污染排放。

2.2LED模擬燈具設(shè)計

如圖1所示為用1W臺灣晶元正白光大功率燈珠制成的24W模擬隧道燈；燈具控制系統(tǒng)中采用了達林頓控制電路，使實驗中LED燈珠達到了最佳的亮度（110lm）；模擬燈具標準光通量為2500lm（Tj=25℃）,最大的光通量達到7500lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。

圖1模擬隧道燈

3系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1LED智能燈電路系統(tǒng)方案

本方案設(shè)計有兩套控制電路，一套控制LED燈組的照明亮度，另一套控制燈具的照明亮度。課題組在模擬隧道外設(shè)置了一個亮度監(jiān)控裝置，將自然光強度轉(zhuǎn)化為0~5V的直流電壓信號，再經(jīng)ARM7（stm32f103vc,中央控制器）分析計算，控制LED燈的照明亮度使之符合國家規(guī)范（段亮度控制指令）；同時在模擬隧道內(nèi)也設(shè)置了亮度監(jiān)控裝置，對模擬隧道內(nèi)相應(yīng)路段的照明亮度進行信號采集、并分析計算，如果照明亮度不足，就自動調(diào)整提高相應(yīng)LED燈的亮度，做到智能補光，以有效補償因燈具損耗或受灰塵、尾氣等因素產(chǎn)生的照明亮度減弱。

3.2分段照明控制設(shè)計

來車檢測傳感器等間距設(shè)置如圖2所示，D1為距離隧道口一段距離的感應(yīng)帶，當有車行到D1處時，D1采集的信號傳到中央控制器處理后讓D2→D3路段燈組點亮；當車行至D2時，D2采集的信號讓D3→D4燈組點亮；當車行至D3處時，D4→D5段點亮，此時如果D1→D3段內(nèi)無車經(jīng)過，則熄滅D2→D3燈組；之后的燈組以同樣的原理控制。此方案在車流量較少的高速公路隧道使用，節(jié)能效果更加明顯。方案如能得到推廣，將為國家節(jié)省下大量的電能，為我國的節(jié)能減排做出巨大貢獻。

圖2分段控制傳感器設(shè)置方法

3.3耗能比較

文中以亞洲最長市政隧道---貴州省貴陽市黔靈山公路隧道為例，以說明本設(shè)計方案的節(jié)能優(yōu)勢，隧道全長1580m,設(shè)計時速60km,使用高壓鈉燈照明。

入口段：長90m,三盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150W,燈組間距5m.

過渡1段：長30m,三盞燈一組與兩盞燈一組間隔布置，兩側(cè)對稱布置，每盞燈功率為150W,燈組間距5m.

過渡2段：長70m,兩盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150W,燈組間距5m.

基本1段：長610m,一盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150W,燈組間距10m.

基本2段：長750m,右側(cè)一盞燈一組，燈組間距10m,每盞燈功率為150W;左側(cè)一盞燈一組，間隔點亮，燈組間距10m,每盞燈功率為150W.

出口段：長35m,三盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150W,燈組間距5m.

基于隧道的基本情況，為了便于計算，以高壓鈉燈間距為10m,兩側(cè)間隔布置來進行分析，那么單洞兩側(cè)總計至少有300盞燈。隧道高壓鈉燈功率采用150W;為達到設(shè)計照明要求，需要考慮一定的冗余量、維護系數(shù)以及隧道建筑限界凈寬、限界凈高、燈具額定光通量等，LED智能燈設(shè)計調(diào)整范圍為80~130W,依據(jù)《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》以及隧道實測的亮度數(shù)據(jù)實際使用時平均取值90W計算,不改變燈的布局，對高壓鈉燈和LED智能燈做長明燈的年能耗比較，如表2所示。

表2高壓鈉燈與LED智能燈能耗比較

從表2中可以看出，用LED燈具24小時照明可降低60%的能耗，以0.30元/度的電價計算，僅是此段隧道每年將減少4.7萬元照明電費開支。就目前通過該路段的車流量來算，如果實施有車經(jīng)過點亮、無車關(guān)閉的照明方案，最少還可降低25%的能耗（1/4的時間關(guān)閉照明）。該方案如果推廣全國高速公路隧道照明，對高速公路營運部門來說，有良好的經(jīng)濟效益；對國家節(jié)能降耗戰(zhàn)略來說，社會效益顯著。

4結(jié)束語

本方案基于西部隧道照明的實際情況設(shè)計的燈具結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)和LED燈，不僅使燈具照明智能化、數(shù)字化，而且性能穩(wěn)定、工作可靠；同時使用分段控制技術(shù)取代傳統(tǒng)的整段控制技術(shù)，在節(jié)能上有著明顯的優(yōu)勢，為今后的隧道照明方案提供了一種新的參考。