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1、基于智能照明控制器的公路隧道LED照明调光控制系统钱怀风 高林江西方兴科技有限公司 330025摘要:基于智能照明控制器,结合车检器、洞内外坏境亮度计构建的高速公路隧道LED 照明调光系统,突破了传统的组合开关照明的局限,能使隧道照明亮度实时跟踪交通流量的大小和洞外环境亮度的变化而实现无级调光,在保证行车安全的前提下,实现真正意义上的“按需照明”,大幅度的节约能源。关键词:隧道照明,智能照明控制器,LED隧道灯,联网无级调光一、前言隧道照明系统是车辆能够安全地进入、通过和离开隧道区域必不可少的基本保证。目前长隧道的照明分为入口段、过渡段、中间段、出口段等,不同的隧道区域对照明的要求是不一样的,
2、即使同一区域在不同的条件下,对隧道内的照明要求也是不一样的,它们和洞外亮度、交通流量、洞内废气的多少、行车速度、灯具的养护周期等诸多因素有关,甚至与路面的材料和洞壁的装修材料有关。这些灯的控制目前基本上是靠组合开关照明回路来进行控制的。一般隧道都有七八个照明控制回路,建设投资大,施工难度高,隧道开通后管理者仅能在有限的回路里进行控制,这种控制方式往往导致隧道照明的亮度超过了实际需求的亮度要求,造成能源的浪费,且无法保证隧道内亮度的均匀性及各段之间亮度的平滑过渡,隧道内会出现所谓的“斑马线”,而导致驾驶员视觉疲劳,出现重大安全隐患。因此如何在隧道内各段跟踪实际的车流量和外界环境亮度,采用不同强度
3、的照明来改善隧道内的光照及其分布是隧道照明控制要解决的问题。以前隧道照明用的高压钠灯由于启动延时和无法调光,隧道照明控制要解决此类问题较为困难。现在LED隧道灯的出现给隧道照明控制解决此类问题带来了可能性。我们自主研发的具有自主知识产权的智能照明控制器具有联网无级调光的功能,更是实现了隧道内各段之间亮度的平滑过渡并在对LED隧道灯进行调光的同时保持了路面亮度总均匀度U0,特别是路面中线亮度纵向均匀度U1不至于下降。下面我们介绍在石吉高速公路牛尖隧道应用智能照明控制器对LED隧道灯进行联网无级调光的控制系统。二、智能照明控制器简介随着LED这个新兴光源的光效不断提高,成本逐步下降,在高速公路隧道
4、中LED隧道灯的应用也越来越普遍。但目前大多数LED隧道灯的应用还仅仅停留在简单的替换高压钠灯的水平上。目前LED隧道灯的光效能做到8090lm/W已经是很不错的了,而高压钠灯的光效普遍在120lm/W左右,因此简单的替换在维持原有的照明设计亮度的情况下,节能效果并不明显,LED隧道灯的优势很难体现出来。实际上大部分时间里隧道照明的亮度并不总是需要达到设计亮度的,而是应该根据实际交通流量的大小和洞外亮度的变化来实时调整,这样才能达到既保证行车安全,又节约能源的目的。针对高速公路隧道照明目前逐步采用LED隧道灯的情况,为最大限度的发挥LED这种新型光源的优势,我们自主研发了一款智能照明控制器,见
5、图1. 图1 智能照明控制器原理框图该智能照明控制器主要由电源输入模块、ARM(Advanced RISC Machines微处理器模块、PWM(Pulse Width Modulation,脉宽调制调光模块、功率驱动模块、负载电流检测模块、开关量采集模块、模拟量采集模块、CAN(CAN,Controller Area Network,控制器局域网络总线网络接口模块等组成,其中开关量采集模块采集车辆检测器检测交通流量信息,模拟量采集模块采用了两个LM358双运算放大器构成一对420ma电流环接口,用于收集洞内外亮度计和照度计检测到的洞内和洞外的亮度数据。ARM微处理器模块接收到采集自开关量采集
6、模块和模拟量采集模块的数据之后,对这些数据进行分析处理,处理后生成一结果并产生一相应的包含结果数据的控制命令传送到PWM调光模块,PWM调光模块采用MAX16831 高电压、大电流LED驱动器,在微处理器的控制下能够产生控制LED隧道灯调光的PWM信号,该命令经PWM调光模块处理后输出到MOSFETs管功率驱动模块来驱动大功率LED隧道灯发光。负载电流检测模块采用了LM358双运算放大器对LED隧道灯的负载电流进行检测,以判断LED隧道照明灯的工作状况。每个智能控制器均有CANH、CANL(高低两种信号接口一进一出两个CAN网络接口,以级联方式与CAN总线网络接口模块连接形成CAN总线网络。照
7、明控制器具有数字量和模拟量采集功能,可以实时跟踪隧道的实际交通流量及一年四季天气、季节、时间洞外环境亮度的变化,并根据这种变化对隧道照明灯进行0100%的亮度调节。照明控制器具有CAN-BUS总线接口功能,能将所有的隧道灯构成网络,能在管理平台上对所有的隧道灯控制和调光。在管理平台上对所有的隧道照明灯控制和调光,可以是一起控制和调光,也可以是单个进行的,也可以是分组进行的。在管理平台上对所有的隧道照明灯控制和调光时,隧道照明灯灯光的强度/亮度可以根据实际需要无级递增或递减。三、隧道LED照明调光控制系统该智能照明控制系统通过控制与其联网的各智能照明控制器来控制隧道中各照明灯,上述智能照明控制器
8、具有CAN-BUS总线通信接口、隧道灯调光控制接口、数字量及模拟量接口,通过一根通信电缆将所有的隧道灯连接成一个完整的控制网络,并在网络内接入车辆检测器、洞外环境亮度计、洞内照度计,该智能照明控制系统通过控制各智能照明控制器,来实现隧道灯的调光控制。见图2.该控制系统能够实现隧道照明洞内亮度自动跟踪洞外亮度的实时变化和车流量的大小,自动对所有的隧道照明灯从0100%自动调光,实现真正意义上的“按需照明”,大幅度的节约能源。图2 隧道LED照明控制系统高速公路隧道LED照明灯的智能控制系统,主要包括安装在隧道管理所的隧道控制工作站、通过网络与隧道控制工作站连接的安装在隧道变电站的隧道工作站,每个
9、隧道工作站包括若干个子网,每个子网上连接若干智能控制器,隧道工作站下属的所有智能控制器通过 CAN总线相连,每个智能控制器控制一个或邻近的几个隧道照明灯,每个控制器均有CANH、CANL一进一出两个CAN网络接口,各控制器以级联方式连接形成CAN总线网络,总线网络可与工作站通信,组成局域网,每个隧道的局域网可以单独按照预定程序根据实际车流量和环境亮度来自动调节每盏隧道灯的亮度,也可以由通过与其相连的智能照明控制系统控制。智能照明控制系统或隧道工作站可控制单个的控制器,也可以控制多个控制器进行隧道照明灯的开关或调光。每个控制器的每个接口均加有ESD(Electro-Static discharg
10、e,静电释放保护电路用于静电保护。智能照明控制系统可以通过负载电流检测模块对网络上各负载的总体运行情况进行监控,以利于检修,在距隧道入口约500米处安装一台车辆检测器,根据隧道的实际长度在隧道内大约每隔500米安装一台车辆检测器,每驶过一辆汽车,车辆检测器均会发出一个信号。隧道入口外安装一台洞外亮度计,检测洞外环境亮度值;隧道洞内安装一台洞内照度计,用以检测隧道内的照度。车辆检测器的来车信号和亮度计、照度计检测到的数据均接入照明控制器。根据隧道内隧道灯的布置情况,可以用一个照明控制器对应控制一盏灯,也可以用一个照明控制器对应控制两盏灯,将所有的照明控制器用一根CAN-BUS通信电缆连成一完整网
11、络。为了布线方便,也可以将隧道入口引道、隧道右侧、隧道左侧各形成一个子网,再接入隧道工作站。N个隧道工作站与隧道管理所的控制工作站通过交换机和光纤构成局域网。每个隧道可以单独按照预定程序根据实际车流量和环境亮度来自动调节每盏隧道灯的亮度,也可以由管理员在隧道管理所通过智能照明控制系统手动控制。在网络中断的情况下,每个照明控制器均能按照初始设置将隧道灯的亮度调节成最佳亮度,以确保隧道行车安全。四、隧道LED照明智能无级控制系统的特点我们研发的这款隧道照明智能控制器最大的特点就是能够实现隧道内所有的LED隧道灯在额定功率下从0%100%范围内联网无级调光。可以对单个隧道灯进行调光,也可以对所有隧道
12、灯同步进行调光,还可以对隧道内的隧道灯进行分组,对不同的组进行不同程度、不同等级的调光。这对隧道照明节能具有重要的意义。如前所述,隧道照明跟外部环境的亮度有密切关系,白天隧道照明的亮度水平要求比晚间要高,不同的天气状况对隧道照明的亮度要求也是不一样的。目前大部分隧道的照明强度采用不同的开关组合方式来控制灯具,这样做一般来说照明强度都会超过实际的需要,整个隧道照明亮度形成阶梯形状,造成照明功率的浪费。同时在调低照明水平时,由于是隔一盏灯或几盏灯亮,会引起路面照明均匀度变差,使驾驶员产生视觉疲劳,带来安全隐患。而采用隧道照明控制器可以进行联网无级调光,可以实时跟踪车流量和洞外环境的亮度来进行整体的
13、无级调光。使得整个隧道的照明亮度符合国际照明学会推荐的CIE亮度递减曲线的要求,这样在调低照明水平的同时,始终保持照明均匀度在一个较好的水平， 这也符合人眼的视觉生理特性。 3 是隧道照明无级调光的亮 图 度曲线和开关分段控制亮度曲线的一个比较。 明显可以看到隧道照明采用无级调光后， 可以 使驾驶员有更好的视觉适应性能。 图 3 隧道照明无级调光的亮度曲线和开关分段控制亮度曲线比较 另外我们的这款智能照明控制器可以实现照明系统的软启动，原有的组合开关照明控 制方式，每一个回路均带有十几甚至几十个 KW 的照明负荷，在开启照明灯具的瞬间，对供 配电系统及灯具本身有着较大的浪涌冲击，造成系统和灯具
14、本身损坏，缩短寿命。而智能照 明控制器能够实现照明的软启动和慢斜坡控制过程。 在启动时， 采用 PWM 脉冲调宽控制所有 的灯具小电流启动，慢斜坡上升至额定电流，达到预定的亮度。整个启动过程的时间或者说 启动的斜率是可以预先在控制软件中设定，并可以随时进行调整。见图 4.因此可以大大减 少供配电系统和设备的大电流冲击，有效的延长了系统和设备的使用寿命。 智能照明控制器对每盏 LED 隧道灯都有一个工作电流的实时在线检测功能，当某盏灯 坏了，工作不正常时能在计算机显示屏上提示报警，提醒工作人员去维修更换。这样可以避 免工作人员去隧道实地检查，节约大量的人力。 6 图 4 照明软启动曲线 五、结束
15、语 我们研制的智能照明控制器已生产出了样机， 并在室内搭建了模拟测试平台。 经过测试， 上述所有功能均已完全实现。 本项目是江西省交通运输厅重点科研课题， 以石吉高速公路作 为依托工程，计划在今年 8 月份与石吉高速公路同步完成开通。预计开通后，在不降低隧道 照明亮度，保证驾驶员安全行车的同时，能够收到很好的节能效果，这也应该是隧道照明控 制的一个主流发展方向。 参考文献： 1 周健,吕晓峰，杨洋. 公路隧道 LED 灯照明系统无级调光控制方式研究J. 中国交通 ，2009(8 2 姜连祥，汪小燕.基于光强传感器 TLS256x 的感测系统设计J.单片机与嵌 入式系统应用，2006(12:43-45. 3 申 志 军 . 隧 道 照 明 中 高 频 无 极 灯 应 用 可 行 性 探 讨 J. 照 明 技 术 与 设 计.2009(27 期 4 (JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范S. 1999. 7
