鄭　軍　簡　婧

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

公路隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)設(shè)計

鄭軍簡婧

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要為更有效地設(shè)計隧道照明，針對隧道LED照明模擬設(shè)計欠缺的現(xiàn)狀，基于Zigbee無線通信研發(fā)了隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)，提出并設(shè)計了車載照度采集裝置，實現(xiàn)對隧道內(nèi)亮度的連續(xù)檢測。實驗分析表明：車載照度采集裝置誤差在-5.69%～3.06%之間，隧道模型設(shè)計亮度誤差在-4.49%～5.57%之間，具有較高的可靠性。最后，研究成果已應(yīng)用到隧道照明改造的模擬設(shè)計中，改造后節(jié)能百分比達53.6%。

關(guān)鍵詞隧道照明 LED模擬控制Zigbee無線通信

目前，我國大多高速公路隧道仍然采用高壓鈉燈照明，而高壓鈉燈顯色指數(shù)低，壽命短，用電量大，不能進行按需照明，造成了大量的能源浪費與經(jīng)濟損失[1-2]。如何在隧道照明施工前對隧道照明進行有效的模擬設(shè)計，在保證隧道安全照明亮度的情況下節(jié)約電能，國內(nèi)外學者針對隧道照明模擬控制系統(tǒng)設(shè)計與節(jié)能開展了深入研究。D.Gacio[3]設(shè)計了隧道LED模擬照明智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對隧道內(nèi)各照明段亮度的實時檢測與控制。潘海龍等[4]為緩解駕駛者在穿越隧道時的眩光效應(yīng)和節(jié)約電能，設(shè)計了大功率LED隧道照明控制系統(tǒng)，手動控制時系統(tǒng)的調(diào)光范圍在0%～100%之間。崔豐曦[5]以無極燈為照明燈具開發(fā)了隧道照明控制模型，可實時檢測隧道模型各照明段的亮度，并分時段控制隧道內(nèi)亮度，節(jié)能效果較好。Leitao等[6]在獲得隧道模型各照明段燈具分布的基礎(chǔ)上，自動控制隧道模型中不同位置燈具的發(fā)光強度，達到最優(yōu)照明效果。

目前國內(nèi)外的模擬照明控制系統(tǒng)僅對隧道模型與照明調(diào)光控制進行了詳細設(shè)計，而亮度檢測仍局限于單照明段的檢測，未實現(xiàn)隧道內(nèi)亮度的連續(xù)與任意點檢測，不能有效地對隧道照明進行無極調(diào)光控制。針對上述問題，筆者基于《公路隧道照明設(shè)計細則》[7]與Zigbee無線通信技術(shù)開展隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)研發(fā)，以實現(xiàn)隧道模型連續(xù)點亮度的檢測與隧道照明的自動控制，為隧道LED照明的模擬設(shè)計提供支持。

1隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)原理

在隧道LED照明控制中，通過實時輸入隧道外亮度、隧道內(nèi)車流量與車速等數(shù)據(jù)模擬隧道中實時采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用隧道LED照明智能調(diào)光算法分析，在滿足《公路隧道照明設(shè)計細則》需求亮度時，計算得到各照明段的調(diào)光數(shù)據(jù)，并將其傳送到隧道LED調(diào)光控制器，調(diào)光控制器將調(diào)光信息分配到各照明段LED驅(qū)動單元調(diào)節(jié)燈具的亮度，以實現(xiàn)對隧道照明的自動控制。圖1為隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)原理。

圖1　隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)原理

2隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)

隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)包括隧道實驗環(huán)境模型、隧道硬件控制系統(tǒng)與隧道LED照明智能管理系統(tǒng)3大功能模塊，其中硬件控制系統(tǒng)包括車載照度采集裝置與LED調(diào)光控制系統(tǒng)2部分。根據(jù)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為應(yīng)用管理層、無線通信層與物理層。如圖2為隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)。

圖2　隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1隧道實驗環(huán)境模型

在隧道照明設(shè)計時，為使隧道模型更適合模擬比選各照明方案，基于《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[8]的規(guī)定，等比例20倍縮小隧道尺寸，得到隧道模型的設(shè)計尺寸如表1，隧道模型中燈具的安裝高度為28cm。

表1　隧道模型尺寸

在《公路隧道照明設(shè)計細則》中，隧道分入口段、過渡段、中間段與出口段照明，入口段包括入口段1與入口段2照明，過渡段包括過渡段1、過渡段2與過渡段3照明，出口包括出口段1與出口段2照明。在照明設(shè)計中，由于過渡段3亮度比中間段亮度低，不利于隧道照明安全，此處去掉《公路隧道照明設(shè)計細則》中過渡段3照明。為了使隧道模型的適用性更廣，此處設(shè)計車速為100 km/h，車流量為1 200 veh/(h·ln)，洞外亮度為4 000 cd/m2。計算得到隧道模型基本參數(shù)見表2，搭建的隧道實驗環(huán)境模型見圖3。

圖3　隧道實驗環(huán)境模型

2.2隧道硬件系統(tǒng)

2.2.1車載照度采集裝置

隧道亮度采集是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)部分，是數(shù)據(jù)的集中體現(xiàn)。由于隧道模型較小，人工無法進入測量。為了實現(xiàn)對隧道模型亮度的連續(xù)與任意點測量，選用GY-30傳感器用于照度采集，低功耗、高速的ATmega16L芯片作為核心主控單元[9]，DRF1605單元為Zigbee無線通信媒介，設(shè)計了車載照度采集裝置。為確保照明控制的實時性，車載照度采集裝置以5s為一個周期采集亮度數(shù)據(jù)，定時向隧道LED照明管理系統(tǒng)上傳亮度數(shù)據(jù)，確保隧道照明控制的實時性。圖4為安裝在遙控小車上的車載照度采集裝置。

圖4　車載照度采集裝置

2.2.2LED調(diào)光控制系統(tǒng)設(shè)計

為了對隧道各照明段進行調(diào)光控制，設(shè)計了隧道LED照明調(diào)光控制系統(tǒng)。由于隧道分7個照明段，需同時輸出7路占空比信號調(diào)節(jié)燈具亮度，此處選用ATmega128芯片作為調(diào)光控制的核心，同時輸出調(diào)光所需的7路占空比信號；LEDDRIVE-SW12模塊為LED燈具的驅(qū)動單元，DRF1605為Zigbee無線通信媒介，研發(fā)了隧道LED照明模擬調(diào)光控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運行時，ATmega128控制器通過Zigbee無線接收管理系統(tǒng)發(fā)送的隧道調(diào)光指令，將其轉(zhuǎn)變?yōu)檎伎毡日{(diào)光信號輸入LED驅(qū)動單元實現(xiàn)對隧道內(nèi)各照明段亮度的實時控制。圖5為調(diào)光控制系統(tǒng)的設(shè)計原理。

圖5　LED調(diào)光控制設(shè)計原理

2.3隧道LED照明智能管理系統(tǒng)

為實現(xiàn)對隧道照明的遠程監(jiān)控與管理，基于C#.NET開發(fā)了隧道LED照明智能管理系統(tǒng)，并對隧道設(shè)定了智能控制、手動控制與應(yīng)急控制3種管理模式。圖6為隧道LED照明智能管理系統(tǒng)的運行界面。

圖6　隧道LED照明智能管理系統(tǒng)運行界面

在不同模式下，管理系統(tǒng)能夠根據(jù)實時的隧道外亮度、隧道內(nèi)車流量與車速數(shù)據(jù)計算隧道各照明段所需的調(diào)光占空比變量，通過無線通信將調(diào)光信號發(fā)送到LED調(diào)光控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對隧道模型中各照明段亮度的控制。管理系統(tǒng)還能實時監(jiān)測隧道各照明的亮度情況，對緊急情況報警。

3隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)誤差分析

3.1車載照度采集裝置誤差分析

為了驗證設(shè)計的車載照度采集裝置能否準確檢測隧道內(nèi)亮度，將同一亮度水平線上車載照度采集裝置與照度計采集到的值進行對比，分析車載照度采集裝置的誤差。將采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用MATLAB[10]繪圖進行分析，圖7為車載照度采集裝置與照度計在隧道模型內(nèi)同一亮度點采集的數(shù)據(jù)對比曲線。分析可知，車載照度采集裝置與照度計測量的值相差較小，其相對誤差穩(wěn)定在-5.69%～3.06%之間，滿足測量隧道模型內(nèi)亮度的誤差要求。

圖7　車載照度采集裝置與照度計數(shù)據(jù)對比曲線

3.2隧道模型設(shè)計亮度誤差分析

為了驗證設(shè)計的隧道模型亮度誤差能否滿足隧道LED照明模擬設(shè)計的需求，應(yīng)用LED調(diào)光控制系統(tǒng)控制接收管理系統(tǒng)發(fā)送的06:00～18:00調(diào)光占空比信息，并輸出對應(yīng)時刻的調(diào)光數(shù)據(jù)至LED驅(qū)動單元。通過車載照度采集裝置采集照度值并將其轉(zhuǎn)換為亮度值，與理論計算值對比。圖8為隧道模型亮度測試的設(shè)計值與實測值對比曲線，分析可知，隧道模型設(shè)計亮度值與實測值誤差較小，其相對誤差穩(wěn)定在-4.49%～5.57%之間。

圖8　隧道模型亮度設(shè)計值與實測值對比曲線

4隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)應(yīng)用

目前，系統(tǒng)已在河南高速邵原隧道的照明系統(tǒng)改造項目中得到應(yīng)用。邵原隧道長520m，原設(shè)計使用高壓鈉燈照明，入口段設(shè)計亮度Lth=140cd/m2，過渡段1亮度Ltr1=42cd/m2，過渡段2亮度Ltr2=14cd/m2，基本段亮度Lin=4.5cd/m2，出口段亮度LE=22.5 cd/m2。

改造后隧道的入口段1亮度Lth1=140cd/m2，入口段2亮度Lth2=70cd/m2，過渡段1亮度Ltr1亮度=21cd/m2，過渡段2亮度Ltr2=7cd/m2，基本段亮度Lin=4.5cd/m2，出口段1亮度Lex1=13.5cd/m2,出口段2亮度Lex2=22.5cd/m2。

通過使用隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)對改造隧道進行模擬設(shè)計分析，項目改造后用電量明顯降低，節(jié)能百分比達到53.6%，具有良好的節(jié)能效果與經(jīng)濟效益。

5結(jié)語

通過分析國內(nèi)外隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)狀，基于《公路隧道照明設(shè)計細則》的需求研發(fā)了隧道LED照明模擬控制系統(tǒng)。創(chuàng)新性地提出并設(shè)計了車載照度采集裝置，彌補了連續(xù)檢測隧道內(nèi)亮度欠缺的現(xiàn)狀；并設(shè)計了隧道實驗環(huán)境模型、隧道LED調(diào)光控制系統(tǒng)與隧道LED照明管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對隧道照明的自動控制。實驗分析了隧道模型設(shè)計亮度與車載照度采集裝置的誤差，其中車載照度采集裝置誤差穩(wěn)定在-5.69%～3.06%之間，隧道模型亮度設(shè)計誤差穩(wěn)定在-4.49%～5.57%之間。通過隧道改造項目的模擬設(shè)計，驗證了研究成果可應(yīng)用到隧道照明設(shè)計的模擬設(shè)計與節(jié)能方案設(shè)計中。

參考文獻

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收稿日期：2014-09-30

LEDLightingSimulationControlSystemDesignofHighwayTunnel

Zheng Jun, Jian Jing

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：In order to effectively design the tunnel lighting, and compensate the situation of lacking tunnel LED lighting simulation design system, the LED simulation control system of tunnel lighting is studied and developed based on Zigbee wireless communication technology, and the device for collecting illumination in vehicle is proposed and designed to collect luminance successive inside tunnel. The experimental results shows that the error of device for collecting illumination in vehicle is within-5.69%～3.06% and the error of design luminance of tunnel model is within -4.49%～5.57%, and it has a high reliability. Finally, the research results has been applied in simulation design of tunnel lighting reconstruction, and the energy saving percentage reached 53.6% after reconstructing.

Key words:tunnel lighting; LED; simulation control; zigbee wireless communication

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.042