亮度智能LED控制卡系統(tǒng)在隧道中應(yīng)用

1.照明系統(tǒng)LED控制卡方案

(1)基本照明控制

　　隧道內(nèi)基本照明的特點是工作時間長，需全天24h照明。根據(jù)這一特點，在設(shè)計基本照明亮度時考慮了足夠的冗余量。由于LED的壽命較長，因此維護系數(shù)通常取0.85～0.9。而本項目將基本照明的設(shè)計亮度定為標準值的1.3倍，相當于0.77的維護系數(shù)。這一數(shù)值可使隧道基本照明強度在未來若干年內(nèi)即使出現(xiàn)一定的光衰，也始終都能滿足規(guī)范要求。不難看出，燈具投入初期的亮度超出規(guī)范基本要求的30%，形成一定程度的過度照明。過度照明幾乎在所有新裝燈具中都是存在的。這是由光源的光衰，燈具易受污染以及光源亮度不可控特性所決定的。它使得現(xiàn)有的照明系統(tǒng)每年浪費了大量的電能。為了避免過度照明造成電能浪費，減小燈具的光衰，延長LED光源和驅(qū)動電源的壽命，我們在實際運營時，將基本照明的功率設(shè)定在額定功率的80%，即所有50W的基本照明燈具的輸出功率控制在40W。在未來的運營過程中，可根據(jù)燈具實際光衰情況，逐年遞增燈具的輸出功率，直至達到100%功率輸出。本隧道共布置50W的基本照明燈具40盞，合計功率2000W，如果燈具光衰為每年4%，則燈具各年的工作功率為第一年40W，第二年42W，以此類推，第六年為50W。其每日亮燈時間——功率關(guān)系曲線見圖(1)。在運營六年后，燈具的亮度就會低于規(guī)范要求。這種控制燈具輸出功率的方式是以每年4%的光衰為前提的。不同燈具，光衰也會各不相同。散熱處理得好，光衰會小于4%/年，處理得不好，光衰可能會遠大于4%，有的甚至高達20%。如果光衰為2%，那么基本照明可在滿足規(guī)范的亮度下連續(xù)運營長達11年。

　　下半夜車輛較少，根據(jù)規(guī)范要求可相應(yīng)減小照明功率。我們將午夜23點到早晨5點這段時間的照明功率同步減少，使每盞燈的功率僅為20W，以后可逐年遞增。這種功率同步減半的方式并不改變原有的配光特性，同時也避免了單側(cè)或隔盞關(guān)燈所造成的“奔馬效應(yīng)”。它不僅可用于隧道基本照明，還可廣泛應(yīng)用于城市道路照明，在大型室內(nèi)場所也將會有較好地應(yīng)用。

(2)加強LED照明控制

　　隧道照明與道路照明不同，它除了設(shè)置貫穿于整個隧道的基本照明外，還需要在出入口附近設(shè)置用于白天照明的加強照明，且照明強度比基本照明高許多，以防止車輛駛?cè)胨淼罆r出現(xiàn)“黑洞效應(yīng)”。我們在兩個入口段共布置了20盞150W的LED燈具，過度段共布置了18盞100W和10盞50W的加強照明燈。加強照明光源功率合計5.3kW，含電源功率為6.24kW。相對基本照明而言，功率已相當大。隧道照明的入口段和過度段的照明強度是根據(jù)洞外亮度乘以一個折減系數(shù)得來的。入口段亮度計算公式如下：

　　Lth=k·L20(S)

　　式中：Lth——入口段亮度(cd/m2);

　　k——入口段亮度折減系數(shù);

　　L20(S)——洞外亮度(cd/m2)

　　從式中可以看出，洞外亮度的大小直接影響到洞內(nèi)的照明強度。雖然我們在計算洞外亮度時，是按照夏天晴天中午的最大值來計算的，但一年中這一亮度出現(xiàn)的時間僅有百分之幾，其他大部分時間洞外亮度均在10%～60%之間變化，主要是因季節(jié)、天氣和時辰的不同而各異。展示出了隧道內(nèi)不同光源的白天開燈功率與高壓鈉燈的設(shè)計功率之比，稱之為功率線。高壓鈉燈的每日開燈功率與設(shè)計功率之比，中間一條直線是恒定亮度的LED燈每日開燈功率與高壓鈉燈的設(shè)計功率之比，下面二條曲線分別是亮度可控型LED燈在夏至和冬至時白天的照明功率與高壓鈉燈的設(shè)計功率之比。各照明功率線下方的面積即為該燈當日的照明能耗比。其中恒定亮度的LED燈每日開燈功率與亮度可控型LED燈在夏至中午的照明功率差值為設(shè)計維護系數(shù)。采用恒定亮度的燈具，則隧道一年的絕大部分時間均處在過度照明狀態(tài)，電能浪費現(xiàn)象嚴重。通過積分運算可得LED無級調(diào)光系統(tǒng)在夏至和冬至這兩天的晴天照明能耗僅為高壓鈉燈的31%和21%;為恒定亮度LED燈的54%和37%，其他時節(jié)的能耗均在這之間。由此可以看出，公路隧道照明采用LED無級調(diào)光系統(tǒng)具有相當大地節(jié)能空間。本設(shè)計正是采用了亮度可控型LED隧道燈及其亮度智能無級控制系統(tǒng)來為隧道加強照明調(diào)光。不論隧道洞外亮度如何變化，該系統(tǒng)都能夠?qū)ζ溥M行自動跟蹤，計算出洞內(nèi)實際亮度需求并控制燈具輸出相應(yīng)地光通量，實現(xiàn)了按需照明的目標，最大限度地節(jié)約了電能。

(3)應(yīng)急照明控制

　　隧道意味著一旦供電系統(tǒng)停電，將使駕駛?cè)藛T難以把握方向，極易造成交通事故。城市短隧道通?？刹辉O(shè)應(yīng)急照明系統(tǒng)，但考慮到壽春路隧道是一條弧形隧道的特殊性，設(shè)計時增設(shè)了不間斷應(yīng)急照明系統(tǒng)。

　　在高速公路隧道中，應(yīng)急照明亮度應(yīng)不小于基本照明亮度的10%，且布設(shè)間距一般在20～30米一盞。這種傳統(tǒng)的布設(shè)方式使得應(yīng)急照明狀態(tài)下的照度均勻度極差，這在突然停電的情況下依舊存在較大地事故隱患。因此，我們在設(shè)計應(yīng)急照明系統(tǒng)時放棄了傳統(tǒng)的大間距布設(shè)方式，充分利用LED燈的亮度可控特性，將所有的基本照明燈全部兼作應(yīng)急照明燈。當市電斷電時，由EPS電源為基本照明燈具供電。此時LED控制卡裝置瞬間將基本照明燈具的功率同步控制到額定功率的20%左右。這使得系統(tǒng)在市電斷電情況下應(yīng)急照明的配光特性與原先的基本照明相同，最大限度地避免了交通事故的發(fā)生。在燈具安裝后，我們對現(xiàn)場應(yīng)急供電情況進行了驗證，在市電斷電瞬間，加強照明全部熄滅，基本照明燈具的亮度全部保持在低亮度狀態(tài)，經(jīng)測試，應(yīng)急照明狀態(tài)下路面平均亮度為0.6cd/m2，達到了預期的設(shè)計目標。

2.照明亮度智能無級LED控制卡系統(tǒng)介紹

(1)系統(tǒng)簡介

　　隧道LED照明的智能無級LED控制卡系統(tǒng)目前國內(nèi)已有多家公司研發(fā)出來，但大多未得到實際應(yīng)用，有的在實際應(yīng)用時無法控制。在本隧道照明設(shè)計中，我們采用了已在高速公路上得到良好應(yīng)用的控制方案。LED控制卡系統(tǒng)的洞外亮度監(jiān)測裝置將檢測到的隧道洞外亮度信號轉(zhuǎn)換為4～20mA標準信號傳送至亮度智能無級LED控制卡上，再由其換算后轉(zhuǎn)換為0～5V的直流模擬信號輸出，去控制LED燈上的電壓控制電流源。電壓控制電流源的控制端電壓的變化會使其輸出電流隨之變化，而輸出電流的變化，又會引起LED輸出的光通量發(fā)生變化，從而達到控制被照場所亮度的目的。

(2)LED控制卡控制距離要求

　　本系統(tǒng)LED控制卡裝置放置在EPS電源柜內(nèi)。EPS電源柜設(shè)置在洞口附近的南側(cè)，距洞口約10m。從LED控制卡裝置到隧道的另一端，控制線長度約220m。為了確?？刂菩盘柲軌蜷L距離傳輸而不會衰減，我們要求在采用0～5V的直流模擬電壓傳輸控制信號時，其首尾出入口的控制誤差不大于2%。信號能夠長距離傳輸?shù)南扔X條件是燈具的控制輸入端具有很高的輸入阻抗。燈具的控制輸入端阻抗越高，其吸入電流就越小，則控制信號總線上的電壓衰減也就越小，控制信號的傳輸距離就越遠。從一些廠家提供的燈具技術(shù)資料來看，有幾家的燈具控制輸入端的輸入阻抗非常高;這使得每盞燈所需的控制電流非常微小，從而確保了信號經(jīng)長距離傳輸后衰減微不足道。有的廠家能在控制3000盞燈的情況下，有效控制距離長達30km。這一控制距離幾乎可以滿足所有隧道和絕大多數(shù)城市道路的調(diào)光控制要求。

(3)電壓與亮度對應(yīng)關(guān)系

　　為了避免系統(tǒng)斷電，設(shè)計時采用了EPS電源為基本照明燈具供電，從而確保了電源不會中斷。但另一方面，在電源正常供電情況下，如果照明LED控制卡裝置發(fā)生某種故障，使得其無輸出(這是一些電子系統(tǒng)的常見故障模式，如控制器電源故障等)，仍然可能造成隧道內(nèi)的照明強度突然低于應(yīng)急照明的要求。為此，我們要求LED控制卡信號的0V對應(yīng)燈具的最大亮度，5V對應(yīng)燈具的最小亮度，且燈具的最小亮度不得低于額定亮度的10%。這一要求確保了任何故障狀態(tài)下，只要EPS電源工作正常，隧道內(nèi)的照明就會始終存在，從而最大限度地保障了行車安全。

3.應(yīng)用情況介紹

　　隧道LED照明亮度智能無級LED控制卡系統(tǒng)全部安裝完成后，我們對系統(tǒng)的控制性能進行了驗證。系統(tǒng)加強照明燈具的亮度白天可隨著洞外亮度的變化而變化，在陰天還可看到加強照明燈具亮度明顯低于基本照明，實現(xiàn)了無級調(diào)光。系統(tǒng)基本照明燈具白天的功率相對較高;在午夜23時至清晨5時車流量較小時，基本照明燈具均以白天功率的50%工作。在市電斷電后，應(yīng)急電源瞬間啟動，所有基本照明燈具的功率均降至額定功率的20%。LED控制卡系統(tǒng)避免了過度照明所產(chǎn)生的電能浪費現(xiàn)象，實現(xiàn)了業(yè)界長期追求的按需照明的理想。系統(tǒng)與原分級調(diào)光的鈉燈照明相比，每年可節(jié)省電能70%以上。

4.結(jié)束語

　　隧道中成功地采用了隧道LED照明亮度智能無級控制系統(tǒng)。它的投入使用，將大幅降低隧道的照明能耗，減小LED燈具的光衰，延長燈具和電源的使用壽命;同時也為關(guān)注照明節(jié)能的業(yè)內(nèi)人士提供了一種可供借鑒的城市隧道智能化照明工程案例，為隧道實現(xiàn)按需照明開辟了全新的途徑。