基于嵌入式系統和LED 燈的隧道照明方案
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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6 139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1 cd/m2。
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100 W、150 W，250 W 和400 W 幾種，而許多高速公路隧道基本照明燈具僅需40~120 W 即可，但目前隧道的基本照明通常選用100 W、150 W 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80 W 的燈具，那么設計的時(shí)候燈具功率最少要選115 W;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136 W，于是選用150 W 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80 W 的燈具， 用LED 智能燈就可以控制成80 W 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。
2.2 LED 模擬燈具設計
如圖1 所示為用1 W 臺灣晶元正白光大功率燈珠制成的24 W 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（110 lm）；模擬燈具標準光通量為2 500 lm（Tj=25℃） ， 最大的光通量達到7 500 lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。
圖1 模擬隧道燈
3 系統方案設計
3.1 LED 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0~5 V 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)1 580 m，設計時(shí)速60 km，使用高壓鈉燈照明。
入口段：長(cháng)90 m，三盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.
過(guò)渡1 段：長(cháng)30 m，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150 W，燈組間距5 m.
過(guò)渡2 段：長(cháng)70 m，兩盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.
基本1 段：長(cháng)610 m，一盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W， 燈組間距10 m.
基本2 段：長(cháng)750 m，右側一盞燈一組，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W;左側一盞燈一組，間隔點(diǎn)亮，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W.
出口段：長(cháng)35 m，三盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.
基于隧道的基本情況，為了便于計算，以高壓鈉燈間距為10 m，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150 W;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80~130 W，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90 W 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)
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