基于嵌入式系統(tǒng)和LED 燈的隧道照明方案

　　在哥本哈根世界氣候大會(huì)上溫家寶總理代表中國(guó)承諾，到2020 年，二氧化碳/GDP 總值比要在2005 年的基礎(chǔ)上降低40%~45%.中國(guó)多山，山區(qū)面積占全國(guó)總面積的2/3，給交通建設(shè)帶來(lái)很大的不便，截止2009 年底全國(guó)公路隧道多達(dá)6 139處，其中特長(zhǎng)隧道190 處，長(zhǎng)隧道905 處，隧道照明上所耗費(fèi)的電能相當(dāng)巨大。為此我們對(duì)高速公路隧道照明方法展開(kāi)研究。

　　1 隧道照明設(shè)計(jì)要領(lǐng)

　　白天駕駛員駕駛車(chē)輛從隧道外接近、進(jìn)入和通過(guò)隧道的過(guò)程中，如果隧道沒(méi)有照明裝置，由于隧道內(nèi)外亮度差別極大，入口處將呈現(xiàn)一個(gè)“黑洞”，出口處則看到一個(gè)“亮洞”;夜間駕駛員行車(chē)進(jìn)入和通過(guò)有照明系統(tǒng)的隧道，情況就又剛好相反，這些現(xiàn)象都會(huì)引發(fā)安全事故。為此，《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》制定了相關(guān)的規(guī)范，對(duì)入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段的亮度做了詳細(xì)的規(guī)定，相關(guān)規(guī)定如下：

　　1）入口段亮度需求Lth（cd/m2）

　　式中k 為折減系數(shù)，L20（S）為洞外亮度（cd/m2）

　　2）過(guò)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）中間段亮度Lin，如表1 所示。

　　表1 中間段亮度規(guī)范

　　4）出口段亮度。

　　亮度取中間段亮度的5 倍。

　　夜間照明分兩級(jí)控制：交通量較大時(shí)，亮度與中間段亮度Lin相等；交通量較小時(shí)，亮度為0.5Lin但不小于1 cd/m2。

　　2 LED 智能燈的設(shè)計(jì)方案

　　2.1 隧道中LED 智能燈具照明與傳統(tǒng)燈具照明的比較

　　1）傳統(tǒng)的隧道照明方案

　　傳統(tǒng)的隧道照明方案為了做到節(jié)能， 通常采用4 級(jí)照明，即晴天、云天、陰天和重陰天4 種照明模式，這種控制方式一般采用的都是控制亮燈的數(shù)量和位置來(lái)達(dá)到分級(jí)照明的目的。采用的燈也是傳統(tǒng)的高壓鈉燈，由于高壓鈉燈光源的功率規(guī)格通用型只有100 W、150 W，250 W 和400 W 幾種，而許多高速公路隧道基本照明燈具僅需40~120 W 即可，但目前隧道的基本照明通常選用100 W、150 W 或更高的高壓鈉燈［3］，普遍存在過(guò)度照明，或要人工控制的問(wèn)題。

　　在設(shè)計(jì)燈具功率時(shí)，必須要考慮一定的維護(hù)系數(shù)，這樣才能確保在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中當(dāng)燈具光源亮度衰減和燈具受到污染而使亮度下降30%以上時(shí)，其照明的強(qiáng)度依然能夠滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

　　在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，維護(hù)系數(shù)取0.7，如某隧道實(shí)際需要80 W 的燈具，那么設(shè)計(jì)的時(shí)候燈具功率最少要選115 W;同時(shí)還要考慮到燈具會(huì)隨著時(shí)間的推移，自身會(huì)有損耗，為了確保燈具能符合設(shè)計(jì)規(guī)范，就必須有一定的冗余量，一般取1.7 倍，那么設(shè)計(jì)的時(shí)候燈具功率就要高于136 W，于是選用150 W 的高壓鈉燈。

　　2）LED 智能燈具照明方案

　　LED 有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、易控制等特點(diǎn)。如某隧道實(shí)際需要80 W 的燈具， 用LED 智能燈就可以控制成80 W 的規(guī)格，避免過(guò)度照明。根據(jù)隧道外的亮度智能化控制隧道內(nèi)LED 燈的照明亮度，特別是入口段、過(guò)渡段這兩段的亮度調(diào)節(jié)， 即根據(jù)隧道的設(shè)計(jì)行車(chē)速度來(lái)設(shè)計(jì)該路段需要多亮，照明燈具就控制多亮（LED 智能燈也必須有一定的冗余量），以避免過(guò)度照明，這樣可以節(jié)約電能，減少污染排放。

　　2.2 LED 模擬燈具設(shè)計(jì)

　　如圖1 所示為用1 W 臺(tái)灣晶元正白光大功率燈珠制成的24 W 模擬隧道燈； 燈具控制系統(tǒng)中采用了達(dá)林頓控制電路，使實(shí)驗(yàn)中LED 燈珠達(dá)到了最佳的亮度（110 lm）；模擬燈具標(biāo)準(zhǔn)光通量為2 500 lm（Tj=25℃） ， 最大的光通量達(dá)到7 500 lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。

　　圖1 模擬隧道燈

　　3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　3.1 LED 智能燈電路系統(tǒng)方案

　　本方案設(shè)計(jì)有兩套控制電路，一套控制LED 燈組的照明亮度，另一套控制燈具的照明亮度。課題組在模擬隧道外設(shè)置了一個(gè)亮度監(jiān)控裝置，將自然光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為0~5 V 的直流電壓信號(hào)，再經(jīng)ARM7（stm32f103vc，中央控制器）分析計(jì)算，控制LED 燈的照明亮度使之符合國(guó)家規(guī)范（段亮度控制指令）；同時(shí)在模擬隧道內(nèi)也設(shè)置了亮度監(jiān)控裝置，對(duì)模擬隧道內(nèi)相應(yīng)路段的照明亮度進(jìn)行信號(hào)采集、并分析計(jì)算，如果照明亮度不足，就自動(dòng)調(diào)整提高相應(yīng)LED 燈的亮度，做到智能補(bǔ)光，以有效補(bǔ)償因燈具損耗或受灰塵、尾氣等因素產(chǎn)生的照明亮度減弱。

　　3.2 分段照明控制設(shè)計(jì)

　　來(lái)車(chē)檢測(cè)傳感器等間距設(shè)置如圖2 所示，D1為距離隧道口一段距離的感應(yīng)帶，當(dāng)有車(chē)行到D1處時(shí)，D1采集的信號(hào)傳到中央控制器處理后讓D2→D3路段燈組點(diǎn)亮； 當(dāng)車(chē)行至D2時(shí)，D2采集的信號(hào)讓D3→D4燈組點(diǎn)亮； 當(dāng)車(chē)行至D3處時(shí)，D4→D5段點(diǎn)亮，此時(shí)如果D1→D3段內(nèi)無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)，則熄滅D2→D3燈組；之后的燈組以同樣的原理控制。此方案在車(chē)流量較少的高速公路隧道使用，節(jié)能效果更加明顯。方案如能得到推廣，將為國(guó)家節(jié)省下大量的電能，為我國(guó)的節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)。

　　圖2 分段控制傳感器設(shè)置方法

　　3.3 耗能比較

　　文中以亞洲最長(zhǎng)市政隧道---貴州省貴陽(yáng)市黔靈山公路隧道為例，以說(shuō)明本設(shè)計(jì)方案的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，隧道全長(zhǎng)1 580 m，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km，使用高壓鈉燈照明。

　　入口段：長(zhǎng)90 m，三盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.

　　過(guò)渡1 段：長(zhǎng)30 m，三盞燈一組與兩盞燈一組間隔布置，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.

　　過(guò)渡2 段：長(zhǎng)70 m，兩盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.

　　基本1 段：長(zhǎng)610 m，一盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W， 燈組間距10 m.

　　基本2 段：長(zhǎng)750 m，右側(cè)一盞燈一組，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W;左側(cè)一盞燈一組，間隔點(diǎn)亮，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W.

　　出口段：長(zhǎng)35 m，三盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.

　　基于隧道的基本情況，為了便于計(jì)算，以高壓鈉燈間距為10 m，兩側(cè)間隔布置來(lái)進(jìn)行分析，那么單洞兩側(cè)總計(jì)至少有300 盞燈。隧道高壓鈉燈功率采用150 W;為達(dá)到設(shè)計(jì)照明要求，需要考慮一定的冗余量、維護(hù)系數(shù)以及隧道建筑限界凈寬、限界凈高、燈具額定光通量等，LED 智能燈設(shè)計(jì)調(diào)整范圍為80~130 W，依據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》以及隧道實(shí)測(cè)的亮度數(shù)據(jù)實(shí)際使用時(shí)“平均取值90 W 計(jì)算”，不改變燈的布局，對(duì)高壓鈉燈和LED 智能燈做長(zhǎng)明燈的年能耗比較，如表2 所示。

　　表2 高壓鈉燈與LED 智能燈能耗比較

　　從表2 中可以看出， 用LED 燈具24 小時(shí)照明可降低60%的能耗，以0.30 元/度的電價(jià)計(jì)算，僅是此段隧道每年將減少4.7 萬(wàn)元照明電費(fèi)開(kāi)支。就目前通過(guò)該路段的車(chē)流量來(lái)算，如果實(shí)施“有車(chē)經(jīng)過(guò)點(diǎn)亮、無(wú)車(chē)關(guān)閉”的照明方案，最少還可降低25%的能耗（1/4 的時(shí)間關(guān)閉照明）。該方案如果推廣全國(guó)高速公路隧道照明，對(duì)高速公路營(yíng)運(yùn)部門(mén)來(lái)說(shuō)，有良好的經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)國(guó)家節(jié)能降耗戰(zhàn)略來(lái)說(shuō)，社會(huì)效益顯著。

　　4 結(jié)束語(yǔ)