智慧高速公路隧道照明无极调光节电自动控制系统设计与应用

智慧高速公路隧道照明无极调光节电自动控制系统设计与应用

王洪达

中铁城市发展投资集团有限公司

摘要：公路隧道作为高速公路的一种便捷通道，为通行车辆提供安全、舒适的服务，首先需要解决的就是照明问题。由于高速公路隧道现行的照明控制采用的是简单、粗放的回路控制方式，不但容易形成隧道“黑洞”和“白洞”效应，存在行车安全隐患，而且由于亮灯时间长且多，会造成照明用电极大浪费，为提高行车安全系数，减少能源浪费，设计智慧高速公路隧道无极调光节电自动控制系统方案，并加以实例验证。

关键词：智慧高速公路；隧道照明；无极调光节电自动控制系统；应用

引言

高速公路作为国家重要的基础设施，智慧高速的发展，对推动国民经济向前发展，缩小地域差异，起着重要的作用，高速公路的行车安全也是高速公路营运期间的重要任务，隧道照明技术对高速隧道安全行车具有较好的保障作用。高速公路隧道现行的照明控制采用的是简单、粗放的回路控制方式。高速隧道入口段、中间过渡段和出口段都安装有大量的照明灯具，入口到出口照明灯具的数量和功率采用强-弱-强的过度亮灯排列及通宵亮灯控制模式，即通过对隧道的加强及基本照明进行回路控制，实现基本照明和加强照明分组或隔盏固定亮灯控制方式。

从安全方面看，首先高速公路隧道地处偏远环境，隧道照明控制完全由监控中心远程发布，实效性差；其次由于高速公路隧道属于管状结构，兼之白天、夜晚、阴雨天、雾天等不同天气变化的影响，洞外光照度变化极大，而洞内照度固定不变，引起隧道内外光差很大，致使隧道入口和出口处存在着严重的“黑洞”和“白洞”效应[1]，给运营行车安全造成较大隐患。从节能方面看，此方式最大的缺点是调整后的光照度阶跃变化幅度大，频闪严重，也无法实现洞内外照度的平滑过渡，照明质量不高，且通宵长亮灯时间多，造成照明用电极大浪费，隧道照明的电费占据高速公路支出比例高达80%[2]。并且现行的回路控制系统也无法做到根据隧道周边的光照变化，实时、自动和线性调节洞内照度，无法满足安全行车所需的最佳照度及照明质量。

综合上述实际情况，隧道照明的控制技术应该从调光和节能方面不断强化其应用水平。由此，提出高速公路隧道无极调光节电自动控制系统在高速、省道及城市下穿等隧道等场合的应用，不但极大的克服了隧道实际存在的“黑洞”和白洞”效应，而且为高速公路管理者提供更好运营管理手段与帮助，为隧道安全行车起到保驾护航作用，同时也实现了隧道照明用电的极大节约。

1 无极调光节电自动控制系统设计

1.1设计原则

无极调光节电自动控制系统是以智慧城市建设思想为核心理念，采用当前主流、先进、成熟和开放的互联网、物连网、云服务和大数据等核心技术，将隧道照明控制、能耗监测、电力安全监控等各项运维管理服务工作，共同整合到一个公共、共享的综合信息管理平台上，其在设计上应遵循以下原则。

先进性、可靠性：在整体规划设计上充分引入了当前先进、成熟、主流的软件架构、智能控制和传感器等技术，通过全新的设计理念及新一代的智能控制技术，去实现隧道照明及能耗的网络化、实时化和智能化集中管控，实现照明用电的科学管理。

扩展性、易维护性：系统在设计上，充分考虑到今后用户设施扩容需要和今后科学技术的发展，软硬件系统采用模块化结构设计，国标接口，安装维护简便，具有良好的可扩展性和可维护性。

1.2无极调光节电自动控制系统构架

高速公路隧道无极调光节电自动控制系统由平台软件、集中控制器和终端设备三部分构成。平台软件用于控制、管理、监视集中控制器和终端设备。通过与各隧道安装的隧道智能照明控制柜建立互访通信，实时监测隧道内外光照度和周边气象环境，如风速风向等数据，并根据预案远程下达中心制定的晴天、阴天、重阴天、云天、雨天、雾天、夜间、深夜节电和手动应急开关等照明管理工作模式，实现高速隧道照明的集中监控和管理，达到“按需照明”，可以有效降低高速公路运维成本。集中控制器起到网关的作用。主要功能是将中央控制服务器下发的调光命令转换成调光信号，并采集传感器等设备信息上报给中央控制服务器。终端设备包含可调光灯具、电表、亮度传感器、照度传感器、车流量检测器等，可调光灯具接收回路调光信号实现调光功能，集中控制器采集电表、亮度传感器、照度传感器等设备信息上报中央控制服务器。平台软件安装部署在高管处监控中心。高速公路隧道无极调光节电自动控制系统构架图如图1-1所示。

图1-1  无极调光节电自动控制系统构架图

1.3无极调光节电自动控制系统功能原理

无极调光节电自动控制系统的照明控制方式以光照度无极调光自控为主，时序控制、自动控制和手动应急控制为辅。洞外亮度检测仪将检测到的隧道洞外亮度信号转换为4～20mA标准信号传送至调光控制柜内，系统的车流量检测器将检测到的隧道外部车流量信息通过RS-485信号传送至调光控制柜内。设于调光控制柜内的隧道照明智能控制器根据洞内外亮度及车流量信息，分别计算出入口各段加强照明和基本照明相应地调光功率，经计算后将其转为DC0～5V的直流模拟信号输出，去控制加强照明灯具和基本照明灯具的输出功率，而灯具输出功率的变化，又会引起灯具输出光通量发生变化，从而达到控制被照场所亮度的目的。设于监控中心的上位机通过以太网光端机与现场的隧道照明智能控制器实现通讯。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。无极调光节电自动控制系统原理图如图1-2所示：

图1-2  无极调光节电自动控制系统原理图

1.4隧道控制系统调光策略设计

在隧道照明设计时，要求按照夏天中午时的最大洞外亮度进行计算加强照明的亮度，并考虑到足够的冗余，以确保运营期间的每一天且灯具的亮度衰减到额定值的下限时，洞内照明强度依旧能够满足规范要求。

但在实际运营期间，洞外亮度会随着天气、季节和时辰的不同而每时每刻都在变化，即隧道照度范围L20(t)时刻在变化，它会从几十坎德拉变化到几千坎德拉[3]。L20(t)变化了，入口段实际亮度Lth1(t)也应随之变化，这种照明方式才是合理的。如果L20(t)变化而Lth1(t)不变或者仅简单地分几个等级

进行变化，都会造成巨大地电能浪费，且不能满足驾驶员适应公路隧道内外亮度差异的需要。入口段实际亮度Lth1(t)计算如公式（1）所示。             （1）

其中k为亮度折减系数；N为交通量；Lth1(t)为入口段实际亮度；L20(t)为洞外实际亮度范围。

为了节能降耗，通过L20(t)洞外亮度针对加强照明灯具和基本灯具做调光。针对公路隧道LED灯无级调光控制设置调光策略为人工无级调光控制、洞外实时调光控制、车流量实时调光控制、时序无级调光控制四种。

①人工无级调光控制

人工照明回路控制是通过公路隧道照明控制系统完成,公路隧道管理人员可根据交通量、平均车速的变化等实际情况,修改公路隧道入口段亮度折减系数(k),以此实现基于洞外亮度、交通量和平均车速的动态无级调光控制。此外,公路隧道内发生的火灾一旦得到确认,公路隧道管理人员需立即下达将隧道内所有照明设备开启到最大程度的指令。

②洞外亮度实时调光控制

白天采用实时无级调光控制,即根据实测的公路隧道洞外亮度值,实时调节LED灯照明亮度,以满足驾驶员适应公路隧道内外亮度差异的需要。调节洞内照明亮度时,应考虑适当的时间延迟,以避免在临界状态下过于频繁的转换,延迟时间取5~10min。当无级调光控制器发生故障时,LED灯全部开启到最大程度。洞外亮度实时调光控制具体设计如表1-1所示：

表1-1  洞外亮度实时调光策略

在上述洞外亮度实时调光策略中，L20(t)洞外亮度的范围对应亮度输出可根据实地情况进行调整；L为洞外实测亮度，Lth1(t)为隧道入口段亮度，各加强段等比例折减；输出亮度最大值为100%，超过均按100%计；加强照明输出亮度不宜小于30%，低于30%的按30%亮度取值；运营单位可在中控软件上根据灯具的光衰情况，手动输入维护系数。维护系数LLF建议不小于0.65。

考虑到LED灯具的光衰问题，LLF取值如表1-2所示。

表1-2LLF取值表

③车流量实时调光控制

隧道照明的亮度控制依据当前时间、车流量、设计冗余和洞内中间段亮度进行综合计算，确定基本照明输出。可在离隧道入口100米远处安装微波感应器，接受并发送驶进隧道车辆信息，车流量越大，洞内照明功率也越大；反之亦然。调节洞内照明亮度时，考虑适当的时间延迟同洞外亮度实时调光策略。车流量实时调光策略如表1-3所示。

表1-3  车流量实时调光策略

隧道长度S，当隧道内车辆行驶速度为60Km/h时，从微波感应器接受到车辆信息到车辆驶出隧道使用时间为S/60；加强照明输出亮度不宜小于30%，低于30%按30%亮度取值；运营单位可在中控软件上根据灯具的光衰情况，手动输入维护系数。LLF建议不小于0.65。

④时序调光控制

当洞外亮度检测仪未安装或出现故障时，隧道照明采用时序控制。这与传统时序配电回路控制类似，即将洞外亮度值按日、周、月、年实测得到的规律值输入照明监控计算机,用以调控洞内照明亮度。其中加强照明灯具的开关时间可根据实地情况进行调整；基本照明对应亮度输出值可根据实际设计值修改。时序调光策略如表1-4所示。

表1-4  时序调光策略

隧道基本照明以全年不同季节昼夜时长为参照，根据实时车流量、历史车流量、车速进行智能控制，白天基本照明最大亮度2.5cd/m²，车流量小于350Veh/(h·ln)时，基本照明控制亮度为1.5cd/m²，车流量大于350Veh/(h·ln)时，基本照明亮度为2.5cd/m²。当车检器出现故障无车流量数据时，基本照明采用时序控制。加强照明根据洞外亮度计L

20(t)实时监测值进行动态调整，从而对入口段、过渡段的亮度进行智能控制，调整周期不小于10分钟。当洞外亮度计和车检器出现故障时，采用时序控制。当公路隧道火情确认无误时,无论照明现状如何,在照明控制系统没有失效的前提下,应将公路隧道内所有照明灯具开启到最大程度,以利于人员车辆疏散和火灾扑救。采取无级调光控制时,其控制优先级如表1-5所示。

表1-5  无级调光控制优先级表

2.无极调光节电自动控制系统调光软件操作

2.1软件功能概述

无极调光节电自动控制系统用于对灯及其他设备进行控制和监控，其功能可大致分为控制、监控、日志分析、用户管理四部分。

（1）控制功能。首先可以按时间、环境亮度、车流量进行调光，也可以按具体的亮度值调光，还可以进行组调光、场景调光和单灯调光。其次在上位机与控制器连接不上时，可以选择保持上一拍亮度、用默认亮度的紧急调光方式。然后可以根据电脑时间设置控制器时间，最后具有对设备进行在线升级的功能。

（2）监控功能。可以手动查询设备状态，如故障信息、亮度、电流、电压、功率等参数，还可以自动查询设备状态，并将其显示在软件界面上。

（3）日志分析功能。可以查询设备故障记录、设备历史数据(如亮度、电流、电压等)、用户操作记录等。

（4）用户管理功能。首先用户权限管理，软件需要登录，且不同的用户有不同的权限，其次管理员用户可以进行用户的新增、删除或修改。登录界面如图2-1所示。

图2-1登录界面

软件主界面分为五个区域，分别为区域1菜单、区域2工具栏、区域3组与灯的关系、区域4地图视图及列表视图和区域5调光、查询界面，具体分布如图2-2及2-3所示。

图2-2软件主界面1

图2-3  软件主界面2

2.2软件的使用

（1）视图的切换

可以通过工具栏上的和对地图视图和列表视图上进行切换。当选择地图视图时，可以通过工具栏上的在不同的地图中进行切换。

（2）选择设备

可以在区域3中通过鼠标单击选中单灯或组内所有灯；也可以在区域4中通过鼠标单击选择相应的控制器或灯。

（3）自动亮度表管理

选择菜单“管理-自动亮度表管理”，可以显示出所有的自动亮度表，单击其中一个自动亮度表，可以查看该自动亮度表的具体参数图，其中横坐标表示传感器的输入，纵坐标表示灯的亮度值，可以通过鼠标拖动的方式来设置传感器输入和亮度的对应关系。另外，可以通过鼠标操作新增、删除、上移、下移、初始化自动亮度表和撤销。自动亮度表管理如图2-4所示，其中区域1为所有的自动亮度表，区域2为具体的自动亮度表参数。

图2-4自动亮度表管理

（4）时间亮度表管理

选择菜单“管理-时间亮度表管理”，可以列出所有的时间亮度表，选中一个时间亮度表后，可以显示出具体的时控计划，选中时控计划的某一项后，可以显示该项的具体内容。可以通过右键菜单进行时间亮度表的导入、导出，还可以新增、删除、上移、下移选中的时间亮度表或表中的一项。时间亮度表管理如图2-5所示，其中区域1为所有的时间亮度表，区域2为具体的时控计划，区域3为时控计划具体内容。

图2-5时间亮度表管理

（5）自动回路表管理

选择菜单“管理-自动回路表管理”，可以显示所有的自动回路表，选中一个自动回路表后，可显示具体的回路控制计划，选中回路控制计划的某一项后，可显示该项的具体内容。可以通过右键菜单进行自动回路表的导入、导出，还可以新增、删除、上移、下移自动回路表或表中的一项。自动回路表管理如图2-6所示，其中区域1为所有的自动回路表，区域2为具体的回路控制计划，区域3为具体内容。

图2-6自动回路表管理

（6）场景管理

选择菜单“管理-场景管理”，可以显示所有的场景，选中一个场景后，可显示出具体的参数。1个场景定义了系统中部分或全部灯的亮度。定义亮度时，可以以组为单位进行定义，也可以以灯为单位进行定义。场景管理如图2-7所示，其中区域1为所有的场景，区域2为具体的参数。

图2-7  场景管理

另外，在区域2中双击可调节场景亮度，如图2-8所示。

图2-8场景亮度调节

（7）控制器紧急时控计划

选择“高级-设置控制器紧急时控计划”，将显示所有控制器；在选中一个控制器后，将显示该控制器的时控计划；选中时控计划的某一项后，将显示该项的具体内容。在往时控计划表添加项时，可选择一个控制器，输入相应的参数，然后点击“添加”按钮；从时控计划表中删除项时，选择一个控制器，选择一项，最后点击“删除”按钮；修改时控计划表的项时，选择一个控制器，选择一项，对这项进行修改后点击“修改”按钮。还可以通过右键菜单进行时控计划表的导入、导出。编辑好时控计划表后，选中相应的控制器，点击“应用”，将时控计划表发送到各个控制器。设置控制器紧急时控计划如图2-9所示，其中区域1为所有的控制器，区域2为具体控制器的时控计划，区域3为该项的具体内容。

图2-9编辑时控计划

（8）设置调光模式

选择“控制-设置控制器调光模式”，“远程”是按上位机的调光命令进行亮度控制；“自动”是控制器按紧急时控计划表进行亮度控制，应注意，设置调光方式为“自动”时，需事先设置紧急时控计划表，否则控制器不再接受上位机的命令，这时上位机发送调光命令控制器会返回失败。选择相应的控制器和调光方式后点击“应用”。操作如图2-10所示。

图2-10设置调光模式操作图

（9）校时

校时是以服务器所在电脑的时间给控制器校时。选择菜单“控制-校时”，选中相应控制器，服务器所在电脑的时间点击“应用”则给控制器校时。校时操作如图2-11所示。

图2-11校时

（10）场景调光

选择菜单“控制-按场景调光”，在对话框中选择相应场景，点击“确定”按场景调光。场景调光如图2-12所示。

图2-12场景调光

（11）手动调光：有两种方式。

①选择好灯、设置好调光方式后，点击“调光”即可对选中的灯进行手动调光，如图2-13所示。

图2-13手动调光1

②在设置好调光方式后，在地图视图或列表视图上，通过右键菜单对选中灯所在的组进行调光，如图2-14所示。

图2-14手动调光2

需要注意的是，手动调光时，必须确保相关控制器的调光方式为“远程”，否则返回失败。

（12）固件升级

选择菜单“高级-控制器固件升级”，选中升级文件和要升级的控制器后，点击“应用”即可。“高级-设备固件升级”给设备进行固件升级，其界面与“控制器固件升级”同理。控制器固件升级如图2-15所示。

图2-15固件升级

3.隧道节能照明系统案例分析

3.1项目概况

Y高速公路项目是《S省高速公路路网布局规划》中的新增8条南北纵线之一，建成后将形成S和X两省间又一直接相连的高速公路，不但可以进一步优化S省与X省的省际通道布局，增加通往滇中、东盟的高速公路通道，而且将加强省内、省外联系，进一步完善S省高速公路网使得某市高速公路通车里程突破500公里，全面实现了“县县通高速”，对巩固拓展脱贫攻坚成果、促进乡村振兴具有十分重要的现实意义。全线设置21座隧道，均设计了隧道照明调光系统，各段隧道照明设计计算表如表3-1、3-2所示。

表3-1A段隧道照明设计计算表

表3-2B段隧道照明设计计算表

另外，C段隧道左线出口桩号为ZK86+481，D段隧道左线进口桩号为ZK86+563，相距仅82米，故依据规范对C段隧道左线入口段及过渡段的亮度做相应折减，折减率为30%；C段隧道右线出口桩号为K86+426，D段隧道右线进口桩号为K86+564，相距仅138米，故依据规范对D段隧道右线入口段及过渡段的亮度做相应折减，折减率为25%。同样，E段隧道左线出口桩号为ZK90+899，F段隧道左线进口桩号为ZK91+146，相距仅247米，故依据规范对E段隧道左线入口段及过渡段的亮度做相应折减，折减率为20%；E段隧道右线出口桩号为K90+976，F段隧道右线进口桩号为K91+184，相距仅208米，故依据规范对F段隧道右线入口段及过渡段的亮度做相应折减，折减率为25%。具体计算结果如表3-3、3-4、3-5、3-6所示。

表3-3C段隧道左线照明设计计算表

表3-4  D段隧道右线及F段隧道右线照明设计计算表

表3-5  E段隧道左线照明设计计算表

表3-6  隧道灯具数量设置情况

3.2耗能计算分析

以上述各个隧道的照明所需为基础，分别对加入无极调光节电自动控制系统前后进行计算，再对比每年的电能消耗量以及成本投入金额。未加入无极调光节电自动控制系统前隧道能耗计算如表3-7所示。

表3-7  未加入无极调光节电自动控制系统前隧道能耗

加入无极调光节电自动控制系统后，电能消耗以及成本投入情况都有了变化。加入无极调光节电自动控制系统后隧道能耗计算如表3-8所示。

表3-8  加入无极调光节电自动控制系统前隧道能耗

通过上述隧道加入无极调光节电自动控制系统前后能耗计算对比表分析，可以看出，每年按0.8元/度电计算加入无极调光节电自动控制系统前，年用电量584.9271万度，年花费电费467.94168万元，加入无极调光节电自动控制系统后，年用电量447.8819万度，年花费电费358.3055万元，1年可节约约137万度电，二次节电率23.43%，可节约电费约109万元，运营两年可节约约218万元，对于高速运营单位的运营成本控制具有积极的作用。

4  结论

本文立足于高速公路隧道现行的照明控制方式，分析出这种控制方式不但容易形成隧道“黑洞”和“白洞”效应，存在行车安全隐患，而且由于亮灯时间长且多，会造成照明用电极大浪费。从这两方面出发，设计了以智慧城市建设思想为核心理念，依托数字化网络，集成隧道照明控制、能耗监测、电力安全监控等各项运维管理服务的无极调光节电自动控制系统。通过洞外洞外亮度检测仪及车流量检测仪采集隧道洞外亮度值、车流量等信息，对隧道灯进行智能调光调节隧道内部的亮度值，采取分段照明控制的方式，对隧道内各段灯具进行独立分组控制，以保障在安全行驶的前提下进行二次节能，实现最大限度的节能。并具备远程控制功能。并通过将此系统运用到Y项目隧道照明中，经验证，得出与为用之前相比，一年节省了电能137万度，节省运营成本109万元的结论，达到了提高安全，节约电能、控制运营成本的目的。

参考文献：

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