高速公路隧道项目LED照明智能控制系统及应用探讨

马海力

摘要 我国山区面积广，高速公路隧道数量多，隧道照明电费在隧道运营总成本中的占比较高，当前国家正大力推行“双碳”政策，研究并应用公路隧道LED照明节能技术，已成为响应该政策的重大举措。基于此，文章以某公路隧道机电工程为案例，论述了公路隧道照明出现的问题，分析了LED照明无极调光技术，设计了LED调光控制系统，根据隧道外的光线亮度，动态调整隧道内的亮度值，确保各区域亮度平稳过渡。通过应用该照明系统，结果显示，一方面能满足公路隧道内照明需求，确保行车安全，另一方面还可降低电能消耗，具有极大的推广应用价值。

关键词 高速公路隧道项目；隧道照明；LED照明智能控制系统；节能系统

中图分类号 U453.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0024-03

0 引言

随着社会经济的发展，高速公路建设总里程快速增加，受山区地形影响，所建公路隧道已有两万多条。20世纪中期，欧美国家研制出了隧道照明智能调光控制技术，并得到了广泛应用，这是隧道照明技术的重大进步。相比之下，我国在该领域起步较晚，技术落后，且标准较低。为此，制定隧道灯具布置方案，加大相关理论的研究力度，确保隧道内行车安全，而且还能降低照明能耗具有极大的现实意义。该文运用机电工程领域的专业理论知识，设计出了高速公路隧道LED照明智能控制系统，取得了良好的应用效果[1]。

1 高速公路隧道照明调光控制

1.1 调光控制的传统方式及存在问题

公路隧道照明分为5个阶段，分别是入口段Ⅰ、入口段Ⅱ、过渡段、中间段、出口段。调光控制系统主要分为基本回路2个、加强回路4个、应急回路1个。照明回路控制系统共分为6档，分别应对不同天气条件而进行回路的开关控制，从而合理调节公路隧道亮度。该控制方式是通过控制上述6级预设开关的灯具组，确保各天气条件下，隧道内亮度满足安全行车的需求，并降低電能消耗。

以上调光控制方式的不足主要表现为以下三方面：

（1）由于光源亮度会不断衰减，且光效存在差异，因此设定照明灯功率时，需要设计维护系数，并有设计冗余，这就导致存在过度照明的问题，回路控制并不能有效解决问题。

（2）为减少电能消耗，会关闭部分回路，使得隧道内光照不均匀，由此导致驾驶人员产生视觉疲劳，严重影响行车安全。

（3）由于照明回路效能存在差异，导致灯具的照明时长各不相同，隧道内灯具通常要求全天开启，白天需开启阴天照明灯具，隧道外较亮时开启晴天照明灯具，各灯具使用时长存在差异，长时间开启基本照明灯具，必然会减少其使用年限，且推高维保费用。现场了解后发现，隧道运营方向隧道照明系统供电时，会开启白天照明灯具，晚间则开启基本照明灯具，致使白天隧道内亮度不够，夜间过度照明，造成电能浪费[2-4]。

1.2 LED隧道灯调光控制方措施

LED照明调光控制方式有无极调光、灯群组以及灯管列阵3种。后2种方式属于分级控制方式，亮度分级调节数量会受到一定的限制。由于分级调节具有较高难度，隧道内各区域亮度不容易实现平稳过渡，易产生暗区，由此导致出现斑马效应。相比之下，第一种控制方式能进行256级调光，经实际应用发现，当调光级数增多时，可实现更广范围的灯光调节，并且更加匹配洞外光线亮度，与亮度曲线更加吻合，可充分满足驾驶人员眼睛对光线的需求，隧道内照明亮度更加均匀，调光控制系统结构较为简单，更容易实现精准控制。通过对比分析隧道灯不同的调光控制方式，该文采用了第一种控制方式，即无极调光控制方式[5]。

2 LED照明无极调光技术研究

2.1 LED灯具控制器调光技术分析

灯具亮度控制方式主要分为电压控制电流源（CVCCS）亮度控制、电阻和晶体管限流亮度控制以及脉冲宽度调制亮度控制等3种。通过对3种控制方式进行比较可知，脉冲宽度调光具有较高的准确度，色谱不会发生偏移，因此选用第三种控制方式，即PWM模式。采用PWM控制灯光亮度，就是通过直流电压，输出稳定的电压，当电阻被限流后，使用PWM控制晶体管的导通时间，从而实现对电源电流、灯光亮度的控制（如图1所示）。限流电阻、晶体管、变压器等都会消耗部分电能，采用这种调光控制方式，能有效地降低正向导通电流在整个电源系统中的比重，还可根据实际需要不断进行转换，由此实现LED灯具亮度的最佳控制效果[6-7]。

2.2 控制信号传输方式

为有效控制信号传输，该文选用的是PWM脉冲调光控制方式，PWM脉冲在传输过程中不易受到外部因素的干扰，传输线路较为简单，能长距离控制信号，控制器具有较大的负载量。设计PWM调光控制器，为增强PWM频率，需加大其输出电流，并保证能稳定输出信号，从而实现PWM数字信号的长距离传输。通过现场实测可知，该信号传输方式，可将信号最远传输2 km，若要求超过该距离，则应配合信号放大器的使用。现阶段，高速公路隧道灯具的亮度控制多为PWM调光方式，一般可控制1.5 km内的亮度。相比之下，使用PWM数字传输控制信号，对于灯具编址并未有特殊要求，能同时控制不同类型灯具的调光[8]。

3 LED照明智能控制系统设计

3.1 系统结构

LED照明无极调光控制系统主要由亮度检测器、主控制器、调光控制器、灯具控制器、照明灯具和控制总线等构成，其结构如图2所示。

3.2 系统工作原理分析

亮度采集器收集隧道外的亮度值，并将其传输至系统主控制器。后者根据实际数值，算得LED隧道灯的亮度值。各个位置的亮度值存在一定的差异，隧道内外的亮度值具有较大差异，采用该控制系统，有利于隧道内外亮度的平稳过渡，保证汽车驾驶人员的视觉效果良好，提高隧道内行车的安全性。通过主控制器算出的亮度值，产生相应的调光指令，并控制纵向到调控器，由此完成任何功率大小的无极调光。

4 LED照明无极调光控制系统方案及应用

利用亮度检测装置对隧道内外的亮度值实施检测，所得数据经控制总线传输至主控制器，后者结合系统内的控制列表，采取具体的控制措施，亮度信号经调光控制器处理后，形成PWM数字信号，并被发送至灯具控制器中。灯具的电流受控于系统控制器，输出的电流值会出现一定的变化，LED灯具受其影响，其光流量输出值发生相应改变，由此实现对隧道内亮度的调控[9]。经综合分析该高速公路隧道机电工程的实际情况，设计人员发现了潜在问题，并提出相应的解决措施，以达到提升控制系統稳定性的目的。

（1）控制系统存在电压损耗问题，由此会影响信号强度，为有效控制传输信号，实现远距离传输，采用PWM数字控制信号，完成部分距离传输后，检测电压下降情况，可根据实际需要，安装使用信号放大器。该文工程案例中，其隧道长度为2.7 km，在其内部设置控制器，由中间向两端控制信号，从而提升传输效率，图3为调光控制器布设图。

（2）当照明系统出现断电，或电源发生故障时，不能向灯具输入信号，导致无法输出信号，此时控制系统的电压等于零，隧道内灯具不亮，或者实际照明达不到应急照明的标准，从而严重降低隧道行车安全性，可能会引发交通事故。为此，设计调光控制系统时，若系统无输入电压，应确保隧道内灯光亮度为最大，其最小亮度至少为额定值的10%[10]。只有这样，在系统出现问题时，应急电源立即开启，从而确保隧道内亮度满足行车需求，以防止发生交通事故。

5 结语

综上所述，该文设计了LED照明无极调光控制系统，提出了相应的调光控制方案，并将其应用于某高速隧道机电工程中，取得了良好的控制效果。在高速公路隧道照明控制中应用该系统，可节约照明用电40%～60%，并有利于提升隧道内行车安全性。由此可知，该系统具有较高的经济价值与社会效益，可进行广泛的推广应用。

参考文献

[1]邵宇. 高速公路隧道按需照明的节能控制系统研究[J]. 光源与照明， 2020（10）： 33-36.

[2]许伟锋， 黄培庭. 高速公路隧道照明节能与智能控制系统[J]. 中国交通信息化， 2023（1）： 139-141.

[3]赵毅. 隧道照明智能控制系统的节能关键技术研究[D]. 大连：大连海事大学， 2019.

[4]余明江， 李辉， 谭彦祺， 等. 隧道照明用LED灯智能控制系统的设计[J]. 仪表技术， 2021（6）： 26-29.

[5]苏明虎. 隧道照明“两光源互补”智能控制系统设计[J]. 光源与照明， 2021（7）： 9-11.

[6]郭俊凯. 公路隧道照明精确检测与智能控制系统研究[J]. 隧道建设（中英文）， 2020（S2）： 76-81.

[7]刘亚龙， 朱森寅， 马铎， 等. 一种隧道照明智能控制系统设计[J]. 中国科技信息， 2020（Z1）： 75-76.

[8]韦承礼. 公路隧道LED灯无极调光控制技术[J]. 西部交通科技， 2021（6）： 96-99.

[9]王希良， 李晓寒， 韩美玲， 等. 高速公路隧道按需照明的节能控制[J]. 照明工程学报， 2020（1）： 113-118.

[10]郑晅， 徐宇， 李雪. 城市隧道照明节能设置方法[C]//中国照明学会. 2019年中国照明论坛——半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛论文集， 2019： 176-183.