公路隧道照明节能控制系统设计与仿真研究[1]

　　公路隧道作为公路的一个特殊路段，其管状结构决定了洞内外亮度相差悬殊，具有污染严重、噪声大等缺点，降低了道路的通行能力，威胁到车辆的行车安全。为了提高这一瓶颈路段的通行能力，确保行车安全，需要科学设置灯光照明系统[1]。隧道照明与普通道路照明有着很大的不同，最大体现在白天也要照明，而且白天照明比夜间照明更加复杂。汽车驾驶员在白天从明亮的环境接近、进入和通过隧道的过程中，将发生种种特殊的视觉问题：进入隧道前，由于隧道内外亮度差别极大，从隧道外部去看照明很不充分的隧道，入口处会看到一个“黑洞”;汽车由明亮的外部进入隧道后，由于亮度的急剧变化，会出现视觉“适应的滞后现象”;在隧道出口处，出现极强的眩光，产生一个很亮的洞口，降低驾驶员的可见度。因此，隧道照明必须解决好驾驶员进入隧道的视觉适应问题。目前，隧道照明设计者依据规范通常把隧道分为入口段、过渡段、中间段和出口段等四个段来设计照明。各段的长度和照度是从全年行车安全要求出发，对洞内最大照度的设计是以全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定隧道内各段的灯具功率和灯具分布密度[2]，无法实现对照明的按需和实时控制。在灯具使用上，高压钠灯具有寿命长、光效好、透雾性强等特点因而被普遍使用，新型节能灯具因技术和成本等原因还没有被推广。以上这种传统的照明设计存在着大量电能的浪费问题，本文即是针对当前隧道照明能源浪费的问题，在节能调光控制算法、控制系统的构建展开研究，以期最大限度地实现隧道照明的节能。

　　1 照明节能调光控制算法

　　算法原理：依据交通量及洞外亮度建立洞内亮度理论需求曲线，然后根据洞内亮度理论需求曲线进行灯具的动态调光控制。整个照明控制输出接近平滑曲线，可以快速响应跟踪照明需求曲线，得到最优的控制效果并能够达到节能的目的。

　　根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1 -1999)，隧道照明设计分为以下几个区段：入口段、过渡段、中间段、出口段，如图一所示。因此自动控制算法中进行隧道照明理论需求曲线L 的计算采用分段方式进行，将计算结果输出到控制接口。入口段、中间段、出口段为亮度需求直线，相应灯具为整体256 级对数调光，对数调光曲线利用了人眼对低照度光比较敏感的特点，使整个调光区域看起来都像是线性调节。过渡段为亮度需求曲线，相应灯具为单256 级对数调光。自动控制算法通常采用时间触发条件，每5～10min 重新读取洞外亮度、交通量等参数，重新进行照明需求计算。

　　(1) 入口段亮度需求Lth(cd/m2)Lth=k×L20 （1）式（1）中：k—折减系数；L20—洞外亮度，(cd/m2 )[3]。式中的k 值可根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1—1999) 确定，中间值可用插值法计算，见表一。表一不同交通量和行车速度时折减系数值

　　(2) 中间段亮度需求Lin(cd/m2)中间段亮度Lin 见表二，用插值法计算不同交通量和计算行车速度时的中间段亮度Lin 值。表二不同交通量和行车速度时中间段亮度值

　　式（2）中：x—过渡段上点到过渡段起点的距离(m) ；Dtr—过渡段长度(m) ；v —平均车速(m/s) ；D'tr —过渡段计算终点长度(m)。

　　(4) 出口段亮度需求Lot (cd/m2 )[3]

　　2 照明节能仿真系统方案设计

　　传统的隧道照明为实现各段的合理照明，按晴天、云天、阴天、重阴天加强照明和全日基本照明、白日基本照明、全日基本应急照明七种模式控制[4]，控制方式过于简单，无法根据室外环境照度、交通流量、隧道内车辆行驶速度等参数实现照明的自适应控制，照明效果不佳，电能浪费严重。隧道照明节能智能控制系统在传统照明的基础上加入智能控制环节，将模糊控制技术应用到隧道照明系统的设计中，使整个隧道通风照明能自动适应车速、车流量和洞外环境气象等影响因素的变化，减少不需要的照明浪费。在灯具上使用大功率LED 灯取代现阶段广泛使用的高压钠灯，真正实现了绿色照明。近年来，大功率LED 照明有不断取代高压钠灯等常规照明设备的趋势，它具有以下优点：

　　(1)高效。同等亮度条件下使用LED 照明耗能仅为白炽灯的10%，荧光灯的50%。
　　(2)寿命长。LED 理论使用寿命为100000 小时，是荧光灯的10 倍，白炽灯的100 倍。
　　(3) 易调光控制。LED 在调光性能上具有巨大的优势，可实现数字调光，尤其适合在隧道照明等需要调光的特殊场合。

　　在本仿真系统中，模型灯具采用白光LED，每个LED 功率为1W，LED 正向导通电压为3.5V，最亮时平均电流为350mA，LED 调光控制是通过上位机发送调光信息产生PWM 脉冲来实现的。