基于LED的隧道智能照明技术方案研究

摘要：基于目前高速公路隧道照明耗费的电能巨大，特别是在中国的西部地区，隧道多、车流量不大，夜间更少，由此造成了大量的电能浪费。为此结合西部的实际情况，提出了一套新的公路隧道照明应用方案，采用LED灯结合分段控制技术，通过模拟隧道的实验实现了亮度智能控制、照明随车的移动而改变、最大限度节能的目的。

在哥本哈根世界气候大会上温家宝总理代表中国承诺，到2020年，二氧化碳/GDP总值比要在2005年的基础上降低40%~45%.中国多山，山区面积占全国总面积的2/3,给交通建设带来很大的不便，截止2009年底全国公路隧道多达6139处，其中特长隧道190处，长隧道905处，隧道照明上所耗费的电能相当巨大。为此我们对高速公路隧道照明方法展开研究。

1隧道照明设计要领

白天驾驶员驾驶车辆从隧道外接近、进入和通过隧道的过程中，如果隧道没有照明装置，由于隧道内外亮度差别极大，入口处将呈现一个"黑洞",出口处则看到一个"亮洞";夜间驾驶员行车进入和通过有照明系统的隧道，情况就又刚好相反，这些现象都会引发安全事故。为此，《公路隧道通风照明设计规范》制定了相关的规范，对入口段、过渡段、中间段、出口段的亮度做了详细的规定，相关规定如下：

1）入口段亮度需求Lth（cd/m2）

式中k为折减系数，L20（S）为洞外亮度（cd/m2）

2）过渡段亮度需求

照明段TR1的亮度Ltr1如下：

照明段TR2的亮度Ltr2如下：

照明段TR3的亮度Ltr3如下：

3）中间段亮度Lin,如表1所示。

表1中间段亮度规范

4）出口段亮度。

亮度取中间段亮度的5倍。

夜间照明分两级控制：交通量较大时，亮度与中间段亮度Lin相等；交通量较小时，亮度为0.5Lin但不小于1cd/m2。

2LED智能灯的设计方案

2.1隧道中LED智能灯具照明与传统灯具照明的比较

1）传统的隧道照明方案

传统的隧道照明方案为了做到节能，通常采用4级照明，即晴天、云天、阴天和重阴天4种照明模式，这种控制方式一般采用的都是控制亮灯的数量和位置来达到分级照明的目的。采用的灯也是传统的高压钠灯，由于高压钠灯光源的功率规格通用型只有100W、150W,250W和400W几种，而许多高速公路隧道基本照明灯具仅需40~120W即可，但目前隧道的基本照明通常选用100W、150W或更高的高压钠灯[3],普遍存在过度照明，或要人工控制的问题。

在设计灯具功率时，必须要考虑一定的维护系数，这样才能确保在实际的运营过程中当灯具光源亮度衰减和灯具受到污染而使亮度下降30%以上时，其照明的强度依然能够满足规范的要求。

在《公路隧道通风照明设计规范》中规定，维护系数取0.7,如某隧道实际需要80W的灯具，那么设计的时候灯具功率最少要选115W;同时还要考虑到灯具会随着时间的推移，自身会有损耗，为了确保灯具能符合设计规范，就必须有一定的冗余量，一般取1.7倍，那么设计的时候灯具功率就要高于136W,于是选用150W的高压钠灯。

2）LED智能灯具照明方案

LED有发光效率高、寿命长、易控制等特点。如某隧道实际需要80W的灯具，用LED智能灯就可以控制成80W的规格，避免过度照明。根据隧道外的亮度智能化控制隧道内LED灯的照明亮度，特别是入口段、过渡段这两段的亮度调节，即根据隧道的设计行车速度来设计该路段需要多亮，照明灯具就控制多亮（LED智能灯也必须有一定的冗余量），以避免过度照明，这样可以节约电能，减少污染排放。

2.2LED模拟灯具设计

如图1所示为用1W台湾晶元正白光大功率灯珠制成的24W模拟隧道灯；灯具控制系统中采用了达林顿控制电路，使实验中LED灯珠达到了最佳的亮度（110lm）；模拟灯具标准光通量为2500lm（Tj=25℃）,最大的光通量达到7500lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。

3系统方案设计

3.1LED智能灯电路系统方案

本方案设计有两套控制电路，一套控制LED灯组的照明亮度，另一套控制灯具的照明亮度。课题组在模拟隧道外设置了一个亮度监控装置，将自然光强度转化为0~5V的直流电压信号，再经ARM7（stm32f103vc,中央控制器）分析计算，控制LED灯的照明亮度使之符合国家规范（段亮度控制指令）；同时在模拟隧道内也设置了亮度监控装置，对模拟隧道内相应路段的照明亮度进行信号采集、并分析计算，如果照明亮度不足，就自动调整提高相应LED灯的亮度，做到智能补光，以有效补偿因灯具损耗或受灰尘、尾气等因素产生的照明亮度减弱。

3.2分段照明控制设计

来车检测传感器等间距设置如图2所示，D1为距离隧道口一段距离的感应带，当有车行到D1处时，D1采集的信号传到中央控制器处理后让D2→D3路段灯组点亮；当车行至D2时，D2采集的信号让D3→D4灯组点亮；当车行至D3处时，D4→D5段点亮，此时如果D1→D3段内无车经过，则熄灭D2→D3灯组；之后的灯组以同样的原理控制。此方案在车流量较少的高速公路隧道使用，节能效果更加明显。方案如能得到推广，将为国家节省下大量的电能，为我国的节能减排做出巨大贡献。

3.3耗能比较

文中以亚洲最长市政隧道---贵州省贵阳市黔灵山公路隧道为例，以说明本设计方案的节能优势，隧道全长1580m,设计时速60km,使用高压钠灯照明。

入口段：长90m,三盏灯一组，两侧间隔布置，每盏灯功率为150W,灯组间距5m.

过渡1段：长30m,三盏灯一组与两盏灯一组间隔布置，两侧对称布置，每盏灯功率为150W,灯组间距5m.

过渡2段：长70m,两盏灯一组，两侧间隔布置，每盏灯功率为150W,灯组间距5m.

基本1段：长610m,一盏灯一组，两侧间隔布置，每盏灯功率为150W,灯组间距10m.

基本2段：长750m,右侧一盏灯一组，灯组间距10m,每盏灯功率为150W;左侧一盏灯一组，间隔点亮，灯组间距10m,每盏灯功率为150W.

出口段：长35m,三盏灯一组，两侧间隔布置，每盏灯功率为150W,灯组间距5m.

基于隧道的基本情况，为了便于计算，以高压钠灯间距为10m,两侧间隔布置来进行分析，那么单洞两侧总计至少有300盏灯。隧道高压钠灯功率采用150W;为达到设计照明要求，需要考虑一定的冗余量、维护系数以及隧道建筑限界净宽、限界净高、灯具额定光通量等，LED智能灯设计调整范围为80~130W,依据《公路隧道通风照明设计规范》以及隧道实测的亮度数据实际使用时"平均取值90W计算",不改变灯的布局，对高压钠灯和LED智能灯做长明灯的年能耗比较，如表2所示。

表2高压钠灯与LED智能灯能耗比较

从表2中可以看出，用LED灯具24小时照明可降低60%的能耗，以0.30元/度的电价计算，仅是此段隧道每年将减少4.7万元照明电费开支。就目前通过该路段的车流量来算，如果实施"有车经过点亮、无车关闭"的照明方案，最少还可降低25%的能耗（1/4的时间关闭照明）。该方案如果推广全国高速公路隧道照明，对高速公路营运部门来说，有良好的经济效益；对国家节能降耗战略来说，社会效益显着。

4结束语

本方案基于西部隧道照明的实际情况设计的灯具结合了嵌入式系统和LED灯，不仅使灯具照明智能化、数字化，而且性能稳定、工作可靠；同时使用分段控制技术取代传统的整段控制技术，在节能上有着明显的优势，为今后的隧道照明方案提供了一种新的参考。