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，隧道多、車(chē)流量不大，夜間更少，由此造成了大量的電能浪費。為此結合西部的實(shí)際情況，提出了一套新的公路隧道照明應用方案，采用LED燈結合分段控制技術(shù)，通過(guò)模擬隧道的實(shí)驗實(shí)現了亮度智能控制、照明隨車(chē)的移動(dòng)而改變、最大限度節能的目的。

在哥本哈根世界氣候大會(huì )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年的基礎上降低40%~45%.中國多山，山區面積占全國總面積的2/3,給交通建設帶來(lái)很大的不便，截止2009年底全國公路隧道多達6139處，其中特長(cháng)隧道190處，長(cháng)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(kāi)研究。

1隧道照明設計要領(lǐng)

白天駕駛員駕駛車(chē)輛從隧道外接近、進(jìn)入和通過(guò)隧道的過(guò)程中，如果隧道沒(méi)有照明裝置，由于隧道內外亮度差別極大，入口處將呈現一個(gè)黑洞,出口處則看到一個(gè)亮洞;夜間駕駛員行車(chē)進(jìn)入和通過(guò)有照明系統的隧道，情況就又剛好相反，這些現象都會(huì )引發(fā)安全事故。為此，《公路隧道通風(fēng)照明設計規范》制定了相關(guān)的規范，對入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段的亮度做了詳細的規定，相關(guān)規定如下：

1）入口段亮度需求Lth（cd/m2）

式中k為折減系數，L20（S）為洞外亮度（cd/m2）

2）過(guò)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(shí)，亮度與中間段亮度Lin相等；交通量較小時(shí)，亮度為0.5Lin但不小于1cd/m2。

2LED智能燈的設計方案

2.1隧道中LED智能燈具照明與傳統燈具照明的比較

1）傳統的隧道照明方案

傳統的隧道照明方案為了做到節能，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量和位置來(lái)達到分級照明的目的。采用的燈也是傳統的高壓鈉燈，由于高壓鈉燈光源的功率規格通用型只有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(guò)度照明，或要人工控制的問(wèn)題。

在設計燈具功率時(shí)，必須要考慮一定的維護系數，這樣才能確保在實(shí)際的運營(yíng)過(guò)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(shí)，其照明的強度依然能夠滿(mǎn)足規范的要求。

在《公路隧道通風(fēng)照明設計規范》中規定，維護系數取0.7,如某隧道實(shí)際需要80W的燈具，那么設計的時(shí)候燈具功率最少要選115W;同時(shí)還要考慮到燈具會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移，自身會(huì )有損耗，為了確保燈具能符合設計規范，就必須有一定的冗余量，一般取1.7倍，那么設計的時(shí)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(cháng)、易控制等特點(diǎn)。如某隧道實(shí)際需要80W的燈具，用LED智能燈就可以控制成80W的規格，避免過(guò)度照明。根據隧道外的亮度智能化控制隧道內LED燈的照明亮度，特別是入口段、過(guò)渡段這兩段的亮度調節，即根據隧道的設計行車(chē)速度來(lái)設計該路段需要多亮，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(guò)度照明，這樣可以節約電能，減少污染排放。

2.2LED模擬燈具設計

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；燈具控制系統中采用了達林頓控制電路，使實(shí)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系統方案設計

3.1LED智能燈電路系統方案

本方案設計有兩套控制電路，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置了一個(gè)亮度監控裝置，將自然光強度轉化為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范（段亮度控制指令）；同時(shí)在模擬隧道內也設置了亮度監控裝置，對模擬隧道內相應路段的照明亮度進(jìn)行信號采集、并分析計算，如果照明亮度不足，就自動(dòng)調整提高相應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分段照明控制設計

來(lái)車(chē)檢測傳感器等間距設置如圖2所示，D1為距離隧道口一段距離的感應帶，當有車(chē)行到D1處時(shí)，D1采集的信號傳到中央控制器處理后讓D2→D3路段燈組點(diǎn)亮；當車(chē)行至D2時(shí)，D2采集的信號讓D3→D4燈組點(diǎn)亮；當車(chē)行至D3處時(shí)，D4→D5段點(diǎn)亮，此時(shí)如果D1→D3段內無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)，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(chē)流量較少的高速公路隧道使用，節能效果更加明顯。方案如能得到推廣，將為國家節省下大量的電能，為我國的節能減排做出巨大貢獻。

圖2分段控制傳感器設置方法

3.3耗能比較

文中以亞洲最長(cháng)市政隧道---貴州省貴陽(yáng)市黔靈山公路隧道為例，以說(shuō)明本設計方案的節能優(yōu)勢，隧道全長(cháng)1580m,設計時(shí)速60km,使用高壓鈉燈照明。

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

過(guò)渡1段：長(cháng)30m,三盞燈一組與兩盞燈一組間隔布置，兩側對稱(chēng)布置，每盞燈功率為150W,燈組間距5m.

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

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

基本2段：長(cháng)750m,右側一盞燈一組，燈組間距10m,每盞燈功率為150W;左側一盞燈一組，間隔點(diǎn)亮，燈組間距10m,每盞燈功率為150W.

出口段：長(cháng)35m,三盞燈一組，兩側間隔布置，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,兩側間隔布置來(lái)進(jìn)行分析，那么單洞兩側總計至少有300盞燈。隧道高壓鈉燈功率采用150W;為達到設計照明要求，需要考慮一定的冗余量、維護系數以及隧道建筑限界凈寬、限界凈高、燈具額定光通量等，LED智能燈設計調整范圍為80~130W,依據《公路隧道通風(fēng)照明設計規范》以及隧道實(shí)測的亮度數據實(shí)際使用時(shí)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(cháng)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(shí)照明可降低60%的能耗，以0.30元/度的電價(jià)計算，僅是此段隧道每年將減少4.7萬(wàn)元照明電費開(kāi)支。就目前通過(guò)該路段的車(chē)流量來(lái)算，如果實(shí)施有車(chē)經(jīng)過(guò)點(diǎn)亮、無(wú)車(chē)關(guān)閉的照明方案，最少還可降低25%的能耗（1/4的時(shí)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(yíng)運部門(mén)來(lái)說(shuō)，有良好的經(jīng)濟效益；對國家節能降耗戰略來(lái)說(shuō)，社會(huì )效益顯著(zhù)。

4結束語(yǔ)

本方案基于西部隧道照明的實(shí)際情況設計的燈具結合了嵌入式系統和LED燈，不僅使燈具照明智能化、數字化，而且性能穩定、工作可靠；同時(shí)使用分段控制技術(shù)取代傳統的整段控制技術(shù)，在節能上有著(zhù)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。