范士娟，李 偉

（華東交通大學載運工具與裝備省部共建教育部重點實驗室，江西南昌330013）

隧道照明是保障公路隧道安全行車和運營的重要組成部分，同時也是隧道內(nèi)能耗最大的環(huán)節(jié)[1]，因此，多個國家制定了隧道照明的設(shè)計規(guī)范，如CIE[2]（commission international d'eclairage），BS[3]（Britain lighting standards）和IES[4]（illuminating engineering society of North America）等。對于隧道照明系統(tǒng)而言，照明控制系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接決定著整個照明系統(tǒng)的優(yōu)劣?，F(xiàn)有的控制方法主要包括手動控制方法、時序控制方法和自動控制方法。手動控制和時序控制方法易于實施，在實際應(yīng)用中穩(wěn)定可靠，但不能夠根據(jù)天氣、車流量和車速的變化對洞內(nèi)亮度進行調(diào)節(jié)，基本上沒有節(jié)能效果，存在著很大的電能浪費[5-7]。自動控制方法按調(diào)光的連續(xù)性可分為有級調(diào)光和無級調(diào)光。在LED燈應(yīng)用于隧道照明之前，我國隧道照明系統(tǒng)大多采用有級控制方式，但也存在著一些問題，主要表現(xiàn)在:1因布線回路的限制只能做到2～4級自動控制，洞外亮度、車流量和車速等參數(shù)只是在設(shè)計階段以最大值考慮，最終各段照明亮度也始終是處于最大值狀態(tài)，照明系統(tǒng)效率偏低，存在著大量的電能浪費；2營運過程中產(chǎn)生與行車安全和隧道監(jiān)控之間矛盾等問題[8-9]。本文利用LED燈的優(yōu)越性能，尤其是它相比于其它照明燈具易于控制的特點，設(shè)計一種隧道照明自動控制系統(tǒng)，可根據(jù)洞外亮度、車流量和車速的變化動態(tài)調(diào)整洞內(nèi)亮度，實現(xiàn)隧道照明的連續(xù)調(diào)光，不僅保證隧道的安全運營，而且降低隧道的電能消耗。

1 隧道照明系統(tǒng)的整體控制方案

本文設(shè)計的應(yīng)用于隧道照明自動調(diào)光系統(tǒng)，主要由車流量采集器、車速采集器、亮度采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、照明控制計算機、驅(qū)動電源和配套的LED隧道燈組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。車流量采集器、車速采集器和亮度采集器采集到的隧道車流量、車速和洞外亮度信息，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊處理后傳送給隧道控制室內(nèi)的照明控制計算機，按照事先設(shè)定好的調(diào)光控制邏輯，計算出洞內(nèi)各區(qū)段的亮度，并根據(jù)隧道各區(qū)段亮度值及LED燈功率曲線計算出每一節(jié)點驅(qū)動電源所需輸入的控制電壓，通過信號傳輸電纜把調(diào)光控制指令發(fā)送給各個驅(qū)動電源，驅(qū)動電源根據(jù)得到的指令調(diào)整LED燈的功率，并反饋相關(guān)信息給照明控制計算機，實現(xiàn)對隧道內(nèi)照明系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)光。

圖1 隧道照明自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of tunnel lighting auto-control system

圖2 隧道照明的理論需求曲線Fig.2 Theory demand curve of tunnel lighting

2 隧道照明系統(tǒng)的自動控制策略及亮度計算模型

一般有級調(diào)光在設(shè)計階段對環(huán)境參數(shù)以最大值考慮，沒有考慮跟隨環(huán)境參數(shù)的變化去調(diào)光，或由于燈具及布線回路的限制只能做到幾級調(diào)光；無級調(diào)光并不是絕對的連續(xù)調(diào)光，但能夠更加精細的劃分調(diào)光級數(shù)，接近于連續(xù)控制。

隧道照明系統(tǒng)的控制策略主要依據(jù)《公路隧道照明通風設(shè)計規(guī)范》[10]（以下簡稱《規(guī)范》）中的規(guī)范進行設(shè)計，其原理為:根據(jù)隧道洞內(nèi)亮度適應(yīng)曲線、隧道洞外亮度、車流量和車速信息建立隧道各區(qū)段亮度數(shù)學模型，并根據(jù)這些模型對隧道照明燈具進行動態(tài)調(diào)光控制，使隧道內(nèi)實際亮度值很好的接近亮度適應(yīng)曲線，實現(xiàn)隧道的節(jié)能。

根據(jù)《規(guī)范》，長大隧道照明區(qū)段可分為入口段、過渡一段、過渡二段、過渡三段、中間段和出口段（見圖2）。圖中，L20(S)為洞外亮度，Lth為入口段亮度，Ltr1～Ltr3分別為過渡一段～過流三段的亮度，Lin為中間段亮度。按照規(guī)范的設(shè)計標準，建立隧道照明各區(qū)段亮度的數(shù)學模型，每一次調(diào)光計算出相應(yīng)各區(qū)段所需的亮度值，換算出LED燈所要調(diào)整的功率信息傳送給驅(qū)動電源。為了滿足人眼對亮度的適應(yīng)要求，對LED燈的控制采用256級對數(shù)調(diào)光方式，使整個調(diào)光區(qū)域看起來像線性調(diào)節(jié)。為了保證隧道內(nèi)行車的安全，在調(diào)整洞內(nèi)亮度時，采用亮度漸變的控制方式，逐級分段的達到所需的亮度要求，避免亮度的突然變化。過于頻繁的觸發(fā)調(diào)光不利于人眼的適應(yīng)，一定程度上還會降低燈具的使用壽命，所以控制過程中采用時間觸發(fā)方式，每過3～5 min采集一次洞外亮度、車流量和車速數(shù)據(jù)，進行一次亮度需求的計算。

隧道各區(qū)段亮度的數(shù)學模型主要針對洞外亮度L20(S)、車流量Q（輛/小時）和車速v（km·h-1）建立，采用線性回歸方法對《規(guī)范》中的數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計得到。

1）入口段亮度數(shù)學模型:對《規(guī)范》中的數(shù)據(jù)進行一階線性回歸（本文只對雙車道單向交通隧道進行設(shè)計），可得交通量Q≤700輛/小時和Q≥2 400輛/小時時的入口段亮度折減系數(shù)k回歸公式；當交通量700輛/小時≤Q≤2 400輛/小時時，采用內(nèi)插法計算入口段亮度折減系數(shù)。

不同交通量和行車速度時的入口段亮度折減系數(shù)按式（1）計算。

根據(jù)《規(guī)范》，入口段亮度計算公式為

2）中間段亮度數(shù)學模型:對《規(guī)范》中的數(shù)據(jù)采用二階線性回歸，可很好的擬合規(guī)范中的中間段亮度值，交通量Q≤700輛/小時和Q≥2400輛/小時時的中間段亮度回歸公式曲線；交通量700輛/小時≤Q≤2400輛/小時時，采用內(nèi)插法計算。不同交通量和行車速度時中間段亮度按式（3）計算。

3）過渡段的亮度取決于入口段的亮度，參照《規(guī)范》可知過渡段由Ltr1、Ltr2和Ltr3三段組成，其對應(yīng)的三段亮度分別為Ltr1=0.3Lth，Ltr2=0.1Lth，Ltr3=0.035Lth。

4）出口段的亮度Lout可取中間段亮度的5倍，即Lout=5Lin。

3 控制系統(tǒng)主程序流程設(shè)計

隧道照明系統(tǒng)控制程序流程如圖3所示。首先對系統(tǒng)各模塊進行初始化，讀取亮度傳感器和車輛傳感器采集的信息，判斷是否啟用手動控制（默認情況下為自動控制）；如果是自動控制，判斷隧道是否處于正常狀態(tài)，如果狀態(tài)不正常，調(diào)用特殊狀態(tài)控制程序，并報警結(jié)束程序；如果狀態(tài)正常，直接調(diào)用計算機自動調(diào)光控制程序，輸出調(diào)光指令，完成一次調(diào)光；判斷是否有外界觸發(fā)停止程序，如果沒有，間隔3～5 min重新采集數(shù)據(jù)，如果有，結(jié)束程序。將建立的數(shù)學模型和系統(tǒng)控制流程轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制程序，嵌入到照明控制計算機中，即可實現(xiàn)隧道照明系統(tǒng)亮度的自動調(diào)控。

圖3 隧道照明系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Flow chart of tunnel lighting control system

4 仿真與分析

在照明設(shè)計軟件DIALux中建立隧道模型和仿真模型，設(shè)定一天不同時間段的洞外亮度、車流量和車速參數(shù)值，在此條件下采集各區(qū)段亮度的多組樣本數(shù)據(jù)，限于篇幅本文只列出5組樣本數(shù)據(jù)如表1。根據(jù)所建立的各區(qū)段亮度數(shù)學模型設(shè)定的洞外亮度、車流量和車速參數(shù)值下計算不同隧道區(qū)段的亮度值，即理論照明亮度值，也列于表1，比較可知，仿真調(diào)光數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)很接近，誤差基本控制在2%以內(nèi)。

表1 各區(qū)段仿真亮度值/理論亮度值（部分）Tab.1 Simulation luminance values/theoretical luminance values of each section in tunnel（partly）

圖4是白天晴天時隧道照明功率的變化圖，從圖中可以看出將高壓鈉燈替換為LED燈，就可以節(jié)能45%左右。對LED燈進行無級調(diào)光，其節(jié)能效果更加明顯，相比于只按最大值考慮的高壓鈉燈和LED燈，分別多節(jié)能80%和35%以上。相比于LED燈的四級有級控制，無級調(diào)光也能夠多節(jié)能20%以上。本文設(shè)計的隧道照明自動控制系統(tǒng)，不僅有較優(yōu)的控制效果，保證了隧道的行車要求，同時有很好的節(jié)能效果。

5 結(jié)束語

隧道照明是公路交通工程的重要組成部分，照明控制系統(tǒng)的好壞直接影響到隧道內(nèi)的行車安全和能耗成本。本文利用LED燈的優(yōu)越性能:1以《規(guī)范》為依據(jù)，以洞外亮度、車流量和車速為輸入?yún)?shù)，建立了隧道所需亮度數(shù)學模型；2能夠跟隨洞外亮度、車流量和車速參數(shù)的變化而自動調(diào)節(jié)洞內(nèi)亮度，設(shè)計了一種隧道照明自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在滿足照明要求的同時，降低了傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)因忽略車流量、車速的影響或只按階段最大值考慮所造成的電能浪費，節(jié)能效果顯著。

[1]涂耘.公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)研究[J].公路交通科技，2008（6）:117-120.

[2]COMMISSION INTERNATIONAL DE L'ECLAIRAGE.CIE No 88-2 guide for the lighting of road tunnels and underpasses[S].Vienna:CIE Publication，1999.

[3] BRITISH TECHNICAL COMMITTEE.BS 5489-2 code of practice for the design of road lighting of tunnels[S].London:British Standards Institution，2003.

[4] ILLUMINATING ENGINEERING SOCIETY OF NORTH AMERICA.ANSI/IESNA RP-22-96 American national standard practice for tunnel lighting[S].Washington:American National Standards Institute，1996.

[5]陳仲林，孫春紅.公路隧道照明設(shè)計研究[J].燈與照明，2007，31（3）:32-35.

[6]黃鳳武，陳勇隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].公路工程，2008，33（6）:111-114.

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[8]李韌，傅達，陳朝陽.隧道照明節(jié)能與控制[J].公路工程，2007，32（5）:204-206.

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[10]交通部重慶公路科學研究所.公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范JTJ026.1-1999[S].北京:人民交通出版社，2000.