基于智能照明控制器的公路隧道LED照明調(diào)光控制系統(tǒng)

1、基于智能照明控制器的公路隧道LED照明調(diào)光控制系統(tǒng)錢懷風(fēng) 高林江西方興科技有限公司 330025摘要:基于智能照明控制器,結(jié)合車檢器、洞內(nèi)外壞境亮度計(jì)構(gòu)建的高速公路隧道LED 照明調(diào)光系統(tǒng),突破了傳統(tǒng)的組合開關(guān)照明的局限,能使隧道照明亮度實(shí)時跟蹤交通流量的大小和洞外環(huán)境亮度的變化而實(shí)現(xiàn)無級調(diào)光,在保證行車安全的前提下,實(shí)現(xiàn)真正意義上的“按需照明”,大幅度的節(jié)約能源。關(guān)鍵詞:隧道照明,智能照明控制器,LED隧道燈,聯(lián)網(wǎng)無級調(diào)光一、前言隧道照明系統(tǒng)是車輛能夠安全地進(jìn)入、通過和離開隧道區(qū)域必不可少的基本保證。目前長隧道的照明分為入口段、過渡段、中間段、出口段等,不同的隧道區(qū)域?qū)φ彰鞯囊笫遣灰粯拥?

2、即使同一區(qū)域在不同的條件下,對隧道內(nèi)的照明要求也是不一樣的,它們和洞外亮度、交通流量、洞內(nèi)廢氣的多少、行車速度、燈具的養(yǎng)護(hù)周期等諸多因素有關(guān),甚至與路面的材料和洞壁的裝修材料有關(guān)。這些燈的控制目前基本上是靠組合開關(guān)照明回路來進(jìn)行控制的。一般隧道都有七八個照明控制回路,建設(shè)投資大,施工難度高,隧道開通后管理者僅能在有限的回路里進(jìn)行控制,這種控制方式往往導(dǎo)致隧道照明的亮度超過了實(shí)際需求的亮度要求,造成能源的浪費(fèi),且無法保證隧道內(nèi)亮度的均勻性及各段之間亮度的平滑過渡,隧道內(nèi)會出現(xiàn)所謂的“斑馬線”,而導(dǎo)致駕駛員視覺疲勞,出現(xiàn)重大安全隱患。因此如何在隧道內(nèi)各段跟蹤實(shí)際的車流量和外界環(huán)境亮度,采用不同強(qiáng)度

3、的照明來改善隧道內(nèi)的光照及其分布是隧道照明控制要解決的問題。以前隧道照明用的高壓鈉燈由于啟動延時和無法調(diào)光,隧道照明控制要解決此類問題較為困難?，F(xiàn)在LED隧道燈的出現(xiàn)給隧道照明控制解決此類問題帶來了可能性。我們自主研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能照明控制器具有聯(lián)網(wǎng)無級調(diào)光的功能,更是實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)各段之間亮度的平滑過渡并在對LED隧道燈進(jìn)行調(diào)光的同時保持了路面亮度總均勻度U0,特別是路面中線亮度縱向均勻度U1不至于下降。下面我們介紹在石吉高速公路牛尖隧道應(yīng)用智能照明控制器對LED隧道燈進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)無級調(diào)光的控制系統(tǒng)。二、智能照明控制器簡介隨著LED這個新興光源的光效不斷提高,成本逐步下降,在高速公路隧道

4、中LED隧道燈的應(yīng)用也越來越普遍。但目前大多數(shù)LED隧道燈的應(yīng)用還僅僅停留在簡單的替換高壓鈉燈的水平上。目前LED隧道燈的光效能做到8090lm/W已經(jīng)是很不錯的了,而高壓鈉燈的光效普遍在120lm/W左右,因此簡單的替換在維持原有的照明設(shè)計(jì)亮度的情況下,節(jié)能效果并不明顯,LED隧道燈的優(yōu)勢很難體現(xiàn)出來。實(shí)際上大部分時間里隧道照明的亮度并不總是需要達(dá)到設(shè)計(jì)亮度的,而是應(yīng)該根據(jù)實(shí)際交通流量的大小和洞外亮度的變化來實(shí)時調(diào)整,這樣才能達(dá)到既保證行車安全,又節(jié)約能源的目的。針對高速公路隧道照明目前逐步采用LED隧道燈的情況,為最大限度的發(fā)揮LED這種新型光源的優(yōu)勢,我們自主研發(fā)了一款智能照明控制器,見

5、圖1. 圖1 智能照明控制器原理框圖該智能照明控制器主要由電源輸入模塊、ARM(Advanced RISC Machines微處理器模塊、PWM(Pulse Width Modulation,脈寬調(diào)制調(diào)光模塊、功率驅(qū)動模塊、負(fù)載電流檢測模塊、開關(guān)量采集模塊、模擬量采集模塊、CAN(CAN,Controller Area Network,控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線網(wǎng)絡(luò)接口模塊等組成,其中開關(guān)量采集模塊采集車輛檢測器檢測交通流量信息,模擬量采集模塊采用了兩個LM358雙運(yùn)算放大器構(gòu)成一對420ma電流環(huán)接口,用于收集洞內(nèi)外亮度計(jì)和照度計(jì)檢測到的洞內(nèi)和洞外的亮度數(shù)據(jù)。ARM微處理器模塊接收到采集自開關(guān)量采集

6、模塊和模擬量采集模塊的數(shù)據(jù)之后,對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,處理后生成一結(jié)果并產(chǎn)生一相應(yīng)的包含結(jié)果數(shù)據(jù)的控制命令傳送到PWM調(diào)光模塊,PWM調(diào)光模塊采用MAX16831 高電壓、大電流LED驅(qū)動器,在微處理器的控制下能夠產(chǎn)生控制LED隧道燈調(diào)光的PWM信號,該命令經(jīng)PWM調(diào)光模塊處理后輸出到MOSFETs管功率驅(qū)動模塊來驅(qū)動大功率LED隧道燈發(fā)光。負(fù)載電流檢測模塊采用了LM358雙運(yùn)算放大器對LED隧道燈的負(fù)載電流進(jìn)行檢測,以判斷LED隧道照明燈的工作狀況。每個智能控制器均有CANH、CANL(高低兩種信號接口一進(jìn)一出兩個CAN網(wǎng)絡(luò)接口,以級聯(lián)方式與CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口模塊連接形成CAN總線網(wǎng)絡(luò)。照

7、明控制器具有數(shù)字量和模擬量采集功能,可以實(shí)時跟蹤隧道的實(shí)際交通流量及一年四季天氣、季節(jié)、時間洞外環(huán)境亮度的變化,并根據(jù)這種變化對隧道照明燈進(jìn)行0100%的亮度調(diào)節(jié)。照明控制器具有CAN-BUS總線接口功能,能將所有的隧道燈構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),能在管理平臺上對所有的隧道燈控制和調(diào)光。在管理平臺上對所有的隧道照明燈控制和調(diào)光,可以是一起控制和調(diào)光,也可以是單個進(jìn)行的,也可以是分組進(jìn)行的。在管理平臺上對所有的隧道照明燈控制和調(diào)光時,隧道照明燈燈光的強(qiáng)度/亮度可以根據(jù)實(shí)際需要無級遞增或遞減。三、隧道LED照明調(diào)光控制系統(tǒng)該智能照明控制系統(tǒng)通過控制與其聯(lián)網(wǎng)的各智能照明控制器來控制隧道中各照明燈,上述智能照明控制器

8、具有CAN-BUS總線通信接口、隧道燈調(diào)光控制接口、數(shù)字量及模擬量接口,通過一根通信電纜將所有的隧道燈連接成一個完整的控制網(wǎng)絡(luò),并在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入車輛檢測器、洞外環(huán)境亮度計(jì)、洞內(nèi)照度計(jì),該智能照明控制系統(tǒng)通過控制各智能照明控制器,來實(shí)現(xiàn)隧道燈的調(diào)光控制。見圖2.該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隧道照明洞內(nèi)亮度自動跟蹤洞外亮度的實(shí)時變化和車流量的大小,自動對所有的隧道照明燈從0100%自動調(diào)光,實(shí)現(xiàn)真正意義上的“按需照明”,大幅度的節(jié)約能源。圖2 隧道LED照明控制系統(tǒng)高速公路隧道LED照明燈的智能控制系統(tǒng),主要包括安裝在隧道管理所的隧道控制工作站、通過網(wǎng)絡(luò)與隧道控制工作站連接的安裝在隧道變電站的隧道工作站,每個

9、隧道工作站包括若干個子網(wǎng),每個子網(wǎng)上連接若干智能控制器,隧道工作站下屬的所有智能控制器通過 CAN總線相連,每個智能控制器控制一個或鄰近的幾個隧道照明燈,每個控制器均有CANH、CANL一進(jìn)一出兩個CAN網(wǎng)絡(luò)接口,各控制器以級聯(lián)方式連接形成CAN總線網(wǎng)絡(luò),總線網(wǎng)絡(luò)可與工作站通信,組成局域網(wǎng),每個隧道的局域網(wǎng)可以單獨(dú)按照預(yù)定程序根據(jù)實(shí)際車流量和環(huán)境亮度來自動調(diào)節(jié)每盞隧道燈的亮度,也可以由通過與其相連的智能照明控制系統(tǒng)控制。智能照明控制系統(tǒng)或隧道工作站可控制單個的控制器,也可以控制多個控制器進(jìn)行隧道照明燈的開關(guān)或調(diào)光。每個控制器的每個接口均加有ESD(Electro-Static discharg

10、e,靜電釋放保護(hù)電路用于靜電保護(hù)。智能照明控制系統(tǒng)可以通過負(fù)載電流檢測模塊對網(wǎng)絡(luò)上各負(fù)載的總體運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控,以利于檢修,在距隧道入口約500米處安裝一臺車輛檢測器,根據(jù)隧道的實(shí)際長度在隧道內(nèi)大約每隔500米安裝一臺車輛檢測器,每駛過一輛汽車,車輛檢測器均會發(fā)出一個信號。隧道入口外安裝一臺洞外亮度計(jì),檢測洞外環(huán)境亮度值;隧道洞內(nèi)安裝一臺洞內(nèi)照度計(jì),用以檢測隧道內(nèi)的照度。車輛檢測器的來車信號和亮度計(jì)、照度計(jì)檢測到的數(shù)據(jù)均接入照明控制器。根據(jù)隧道內(nèi)隧道燈的布置情況,可以用一個照明控制器對應(yīng)控制一盞燈,也可以用一個照明控制器對應(yīng)控制兩盞燈,將所有的照明控制器用一根CAN-BUS通信電纜連成一完整網(wǎng)

11、絡(luò)。為了布線方便,也可以將隧道入口引道、隧道右側(cè)、隧道左側(cè)各形成一個子網(wǎng),再接入隧道工作站。N個隧道工作站與隧道管理所的控制工作站通過交換機(jī)和光纖構(gòu)成局域網(wǎng)。每個隧道可以單獨(dú)按照預(yù)定程序根據(jù)實(shí)際車流量和環(huán)境亮度來自動調(diào)節(jié)每盞隧道燈的亮度,也可以由管理員在隧道管理所通過智能照明控制系統(tǒng)手動控制。在網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下,每個照明控制器均能按照初始設(shè)置將隧道燈的亮度調(diào)節(jié)成最佳亮度,以確保隧道行車安全。四、隧道LED照明智能無級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)我們研發(fā)的這款隧道照明智能控制器最大的特點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)所有的LED隧道燈在額定功率下從0%100%范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)無級調(diào)光?？梢詫蝹€隧道燈進(jìn)行調(diào)光,也可以對所有隧道

12、燈同步進(jìn)行調(diào)光,還可以對隧道內(nèi)的隧道燈進(jìn)行分組,對不同的組進(jìn)行不同程度、不同等級的調(diào)光。這對隧道照明節(jié)能具有重要的意義。如前所述,隧道照明跟外部環(huán)境的亮度有密切關(guān)系,白天隧道照明的亮度水平要求比晚間要高,不同的天氣狀況對隧道照明的亮度要求也是不一樣的。目前大部分隧道的照明強(qiáng)度采用不同的開關(guān)組合方式來控制燈具,這樣做一般來說照明強(qiáng)度都會超過實(shí)際的需要,整個隧道照明亮度形成階梯形狀,造成照明功率的浪費(fèi)。同時在調(diào)低照明水平時,由于是隔一盞燈或幾盞燈亮,會引起路面照明均勻度變差,使駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞,帶來安全隱患。而采用隧道照明控制器可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)無級調(diào)光,可以實(shí)時跟蹤車流量和洞外環(huán)境的亮度來進(jìn)行整體的

13、無級調(diào)光。使得整個隧道的照明亮度符合國際照明學(xué)會推薦的CIE亮度遞減曲線的要求,這樣在調(diào)低照明水平的同時,始終保持照明均勻度在一個較好的水平， 這也符合人眼的視覺生理特性。 3 是隧道照明無級調(diào)光的亮 圖 度曲線和開關(guān)分段控制亮度曲線的一個比較。 明顯可以看到隧道照明采用無級調(diào)光后， 可以 使駕駛員有更好的視覺適應(yīng)性能。 圖 3 隧道照明無級調(diào)光的亮度曲線和開關(guān)分段控制亮度曲線比較 另外我們的這款智能照明控制器可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的軟啟動，原有的組合開關(guān)照明控 制方式，每一個回路均帶有十幾甚至幾十個 KW 的照明負(fù)荷，在開啟照明燈具的瞬間，對供 配電系統(tǒng)及燈具本身有著較大的浪涌沖擊，造成系統(tǒng)和燈具

14、本身損壞，縮短壽命。而智能照 明控制器能夠?qū)崿F(xiàn)照明的軟啟動和慢斜坡控制過程。 在啟動時， 采用 PWM 脈沖調(diào)寬控制所有 的燈具小電流啟動，慢斜坡上升至額定電流，達(dá)到預(yù)定的亮度。整個啟動過程的時間或者說 啟動的斜率是可以預(yù)先在控制軟件中設(shè)定，并可以隨時進(jìn)行調(diào)整。見圖 4.因此可以大大減 少供配電系統(tǒng)和設(shè)備的大電流沖擊，有效的延長了系統(tǒng)和設(shè)備的使用壽命。 智能照明控制器對每盞 LED 隧道燈都有一個工作電流的實(shí)時在線檢測功能，當(dāng)某盞燈 壞了，工作不正常時能在計(jì)算機(jī)顯示屏上提示報警，提醒工作人員去維修更換。這樣可以避 免工作人員去隧道實(shí)地檢查，節(jié)約大量的人力。 6 圖 4 照明軟啟動曲線 五、結(jié)束語 我們研制的智能照明控制器已生產(chǎn)出了樣機(jī)， 并在室內(nèi)搭建了模擬測試平臺。 經(jīng)過測試， 上述所有功能均已完全實(shí)現(xiàn)。 本項(xiàng)目是江西省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)科研課題， 以石吉高速公路作 為依托工程，計(jì)劃在今年 8 月份與石吉高速公路同步完成開通。預(yù)計(jì)開通后，在不降低隧道 照明亮度，保證駕駛員安全行車的同時，能夠收到很好的節(jié)能效果，這也應(yīng)該是隧道照明控 制的一個主流發(fā)展方向。 參考