1.丽水市海威光控科技有限公司 浙江 丽水 323000；2.磐安县交通发展有限公司 浙江 金华 322300；3.丽水市公路管理局 浙江 丽水 323000
【摘 要】针对目前国内隧道照明LED灯具的大量应用，结合LED灯具的可控性能，对比传统的隧道照明控制方式，进行研究LED灯具智能单灯控制调光技术。智能单灯控制调光系统可以实现对每套灯具进行控制和采集工作状态信息。对灯具可以实现按需任意编组，组成与洞外亮度相对应的照明功率需求。通过无线通讯，实现智能手机终端对照明系统进行管理和控制。系统采用干线配电方式改变传统多电缆、多回路配电方式。通过该系统的应用可以大幅度节省电能、降低建设成本和运行管理费用。
【关键词】公路隧道，智能主控系统，单灯分控器，智能调光，任意编组
一、前言
随着我国公路建设技术的日新月异的进步，遇壑架桥、遇山建隧道成了新型公路建设的新理念。隧道的数量、公路数在不断的刷新记录，同时隧道建设的单洞长度不断的创造记录。然而，隧道给公路建设带来很多方便的同时，也给建设单位、管养单位造成了诸多难题。如建设成本高，隧道除了结构本体建设，还需要安装诸多机电系统为隧道管理服务。隧道机电系统建设成本居高不下，机电运行电能费用支出是管理单位的一大支出，而隧道照明的电能费用支出占到80%以上，是交通领域的主要能耗之一。如何降低隧道机电建设的成本和运行管理电能费用以及管理费用，是当前节能减排的首要任务。在保证公路隧道安全行车的前提下，实现公路隧道照明节能，是响应国家《节能中、长期专项规划》中“节能减排”战略的首要任务。
目前，公路隧道不断的在进行节能改造，将传统高压钠灯改造成可调光控制的LED灯。利用洞外亮度参数和时令来控制隧道内照明亮度。这样相比过去的照明有了很大的节能效果，但依然没有改进传统的灯具回路控制方式，仍采用多回路电缆供电控制。这样，供配电柜回路多，控制电器设备多，电缆用量大，造成建设费用高，管理难度和维护、维修费用还是偏高。因此，基于LED隧道照明，研究智能单灯调光控制技术，结合现有智能调光控制技术，实现智能单灯控制调光节能管理，降低建设费用。
二、系统构成
智能单灯控制调光节能系统，主要由智能单灯控制主控系统、单灯分控器、信号传输装置、控制软件以及调光控制器等组成。智能单灯控制系统改变灯具传统的放射状回路供电方式，其只需根据隧道布灯方式，设计干线配电方式，如：隧道两侧布灯，只需设计两根电缆配电，分设两侧；隧道中央布灯，则只设计一根电缆配电。照明回路的分组，完全根据主控系统软件可以任意编程分组，大大减少供配电设备和电缆等材料。系统构成框架如图1所示。
三、系统工作原理及功能
3.1系统工作原理
智能单灯控制调光节能系统的单灯分控器，采用分布式安装于每套LED灯具内，实现远程遥控每套照明灯具的开启与关停，采集灯具的工作状态和故障信息。
根据洞外亮度实时检测数据参数，通过系统控制软件预先对隧道照明灯具进行编组，组合成与洞外亮度相对应的洞内亮度照明需求的照明功率回路，改变了传统的固定功率多回路供电控制的概念。系统可以分为24等级照明需求功率。
根据隧道内车辆通行检测数据，系统实时分析、开启相应的照明回路，同时进行亮度调节控制。当隧道内有车通行时，开启与洞外亮度相对应的照明灯具，并将亮度调至最大；当隧道内没有车辆通行时，将加强段灯具关闭，将洞内亮度调节到满足行人需要的亮度要求。
3.2系统功能
智能单灯控制调光节能系统，采用干线式配电方式，改变传统多线路、多回路配电控制模式。系统可以控制每套照明灯具开启与关停，采集每套灯具的工作状态实时信息，及时发现灯具故障，便于照明节能和维修管理；实现调节灯具输出光通量的控制，进行无极调光控制；系统通过GPRS实现无线通讯，与公路隧道远程监控管理平台交互数据，用户可以在远程计算机（或智能手机终端）查看灯具工作状况，发布控制指令，任意控制各编组灯具和每套灯具，修改调光控制参数等。
智能单灯主控系统（单元）主要包括控制主模块、单灯控制单元模块、无线通讯模块、调光模块以及控制软件等。主要实现以下功能：1）通过有线或无线信号，输出灯具控制指令，接收并显示灯具工作状态反馈信号；2）对灯具进行地址编组，读取灯具地址及对分组控制参数进行编码控制；3）输出PWM（脉宽调制）调光控制信号，传送给单灯分控器，实现灯具调光控制；4）接收故障信息，并判断灯具故障原因；5）通过GPRS通讯，与公路隧道远程监控管理平台交互数据。
单灯分控器具有唯一的UID编码和地址设定功能，通过地址编码技术实现单灯控制，同时具备分组控制模式。主要实现与主控系统的通信功能；实现控制每套灯具的开启与关停；接收主控系统发出的调光指令，对灯具进行调光控制；检测灯具工作状态、灯具故障报警信息；具体原理框图如图2所示。
信号中继器（具体原理见图3）将通讯信号进行放大并修复功能，能够自动识别传输方向，具备双向传输功能，同时信号中继器为输出和输出电气隔离起到了很好的电气隔离防护作用。
四、算法实现
4.1单灯分控器初始化
系统上电后，首先需对分控器进行初始化，获取所控制LED灯具的分组编码及地址信息。分控器MCU输出控制信号，断开继电器触点；然后通过PLC模块，输出占空比为0的PWM方波，使得LED灯具处于全灭状态，缓慢调整PWM占空比，直到LED灯具出光效率达到一个阈值µ（实际测试中，µ=0.5），为保证LED灯具出光平稳及延长LED灯具寿命，延时一段时间t1（实际测试中t1=2s）后，分控器MCU控制继电器触点吸合，再经过t2（实际测试中，t2=3s）时间后，分控器进入正常工作状态。分控器初始化过程中，不接受任何来自主控单元的调控命令。
4.2单灯分控器调光算法
分控器初始化后，首先读取系统参数设置信息，如分组控制信息、分控器编码、LED灯具地址等。单灯主控系统（PLC控制器）根据隧道内车流量信息、隧道洞外亮度信息，实时给出调节LED灯具照度所需的PWM方波信号；主控单元接收到该PWM方波信号，经过信号转换后，通过DALI接口（如图2所示）传送给分控器。
每固定时间间隔t3（通常t3取10s），主控单元向PLC控制器轮询12路开关信号，查询是否有开关信号到，如果有，则通过DALI接口输送给所有分控器；分控器通过之前接收到的PWM方波信号，结合开关信号，对该开关信号所控制的回路灯具进行照度调节。
在进行LED灯具状态检测时，分控器每隔一定时间间隔t4（实际测试中，t4=30s）对该回路灯具扫描一次，读取单灯运行状态（灯具是否通电运行），将返回的单灯照度值与PLC模块输出的实际控制值进行比较，判断灯具是否工作在异常状态；
每隔一定时间间隔t5（实际测试中，t5=30s），主控系统通过GPRS模块向远端服务器发送上传隧道中LED工作及相关状态信息，便于职能部门进行管理和维护。
系统单灯控制调光算法流程如图4所示。
五、效益分析
隧道照明设计洞内亮度值，均为维持亮度，考虑维护系数M值，一般取值在0.6-0.7之间。隧道投运初期（1-2年），灯具全部开启，电能浪费巨大。采用智能单灯控制技术，根据洞内亮度要求，预先编程控制开启灯具数量和照明功率，控制电能浪费。再利用洞外实时亮度参数和隧道车辆通行情况来进行调光，这样可以在照明灯具安装功率的基础上节约60%-80%的电能。
单灯控制技术对照明灯具采用干线配电方式，大大减少了供电电缆和配电设备，从而减少了电缆及配电设备的建设投资，节约了社会资源。
另外，运行管理单位可以利用远程管理终端，实现远程控制及管理，减少了管理人员的劳动强度和巡逻次数，大大减低了管理成本。
六、总结
公路隧道照明是我国交通领域能源支出的重要部分，目前公路隧道照明确存在大量能源浪费的情况，主要问题是，不管隧道有车或无车通行，隧道照明灯具始终全功率常开。虽然有一些解决方案，比如，现行常用的多回路照明系统，多采用关闭某些回路，以达到节能目的，却往往不能保证安全行车要求；或者采用隧道照明灯具间隔开关方式等等，这些方案实现了一定程度的节能效果，但却存在一些不足的地方，如隧道路面照度不均匀，无法实现单个照明灯具的状态检测等。
和传统的控制方式相比，本系统采用的基于LED照明灯具的智能单灯控制调光节能系统，采用干线配电方式；单灯控制，任意编组，实现按需输出照明功率；同时利用洞外亮度实时数据、隧道车辆通行状况参数参与调光控制；可保持隧道路面良好的照度和均匀性。满足安全行车需求，实现按需照明。通过单灯控制及状态监控，可实现隧道照明最佳节能、灯具高效管理、有效降低工程施工及维护成本，是实现绿色照明，构建智慧交通的一种有效手段。
参考文献
[1]饶颂涛. 浅谈LED照明灯具亮度智能化无极控制技术在公路隧道中的应用[J]，科技信息，2009,13:335-337.
[2]王震，杜常州，王正浩. 城市智能照明单灯节能控制系统的设计与应用[J]，软件导刊，2012,11(1):89-91.
[3]刘永生. 基于Echelon公司电力载波通信技术的路灯单灯控制解决方案[J]，仪器仪表标准化与计量，2010,2:38-40,43.
[4]陈志军，李承广，傅长荣.公路隧道远程监控管理平台的研究与实现，中国交通信息化，2015.10.023.
论文作者:陈志军 项初庆,傅长荣,李承广
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9月第18期
论文发表时间:2016/11/17
标签：调光论文; 隧道论文; 灯具论文; 系统论文; 亮度论文; 回路论文; 节能论文; 《低碳地产》2016年9月第18期论文;