胡松潔
（承德市交通運輸局通信管理處，河北 承德 067000）
摘要：中短隧道在我國山區(qū)高速公路中占有很大比重，隧道照明已經成為一大能耗問題，而且隧道照明控制方式比較落后。因此在基于PLC程序設計的基礎上，運用LED技術、車輛檢測技術和照明控制技術等，探究中短型隧道照明節(jié)能的自動控制。
關鍵詞：中短隧道；車輛檢測技術；PLC；LED燈；照明節(jié)能控制
目前，我國公路隧道數(shù)量超過8000處，中短隧道約有6000處，占有很大比重。中短隧道是指長度在100～1000m之間的隧道，具有穿越時間短、洞外環(huán)境影響大、主要用電是照明系統(tǒng)等特點，但許多隧道運營的管理控制自動化程度都比較低，隧道運營也出現(xiàn)了諸多問題。
本文通過對隧道照明系統(tǒng)的理論知識和存在的問題進行深入分析，對中短隧道感應式照明控制系統(tǒng)進行設計，從車輛感應技術、PLC設計、LED技術等多方面進行研究，最終實現(xiàn)中短隧道的照明節(jié)能控制。
隧道由于其自身結構導致隧道內外光亮懸殊，也存在噪聲大、缺乏安全性等特點，為此有必要設計時對隧道各段采取不同的照明強度改善隧道光照分布，使得無論白天黑夜亦或晴天雨天都能確保隧道安全要求并達到節(jié)能控制要求。
1.1 中短隧道特點
長度在1000m以內的隧道歸為中短隧道，通常中短隧道車輛通過時間短、洞外環(huán)境對隧道內影響大，且照明主要靠用電設備，其照明主要分誘導照明和功能照明，我國最新出臺的《公路隧道照明設計細則》（JTG/TD70/2-01-2014）也對隧道的照明設計作了詳細說明和調整。
1.2 影響中短隧道照明質量的因素
影響中短隧道照明質量的因素不僅包括路面亮度、均勻度，還有洞外亮度、控制方式等。隧道內照明方式很大程度上與隧道外環(huán)境亮度息息相關，洞外亮度受洞口結構形式、周邊環(huán)境、天氣等多因素影響，因此洞外亮度參數(shù)設計對隧道照明影響至關重要。路面亮度和均勻度是度量隧道照明質量的重要參數(shù)，只有將路面最小亮度和平均亮度值設置在合理范圍內才能保證駕駛安全。此外，對于控制方式，一方面不能過于龐大造成電力資源浪費，另一方面應實現(xiàn)自動化控制避免過多人力物力消耗。
1.3 隧道照明控制方式
隧道照明控制系統(tǒng)的發(fā)展經歷了三個階段，分別是集中式控制（CCS）、集散式控制（DCS）和現(xiàn)場總線控制（FCS）。對于工程應用中的中短隧道照明PLC自動化控制系統(tǒng)具有高可靠性、接口豐富強大、體積小質量輕且程序編制容易等諸多優(yōu)點。其基本原理是應用車輛感應器檢測車輛交通參數(shù)，再應用光照傳感器檢測隧道內外環(huán)境亮度，以PLC為控制單元采集各參數(shù)，并對LED燈具進行調光控制。
PLC是一種數(shù)字運算操作且可編程序的電子系統(tǒng)，基本構成包括：電源、中央處理單元、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊和通信模塊等。一些常用的PLC有OMRON、TWIDO等。
1.4 照明燈具
國內常用隧道照明燈具包括：高壓鈉燈、金屬鹵化燈、無極熒光燈、LED燈等。LED燈應用在隧道照明中具有較大的發(fā)展?jié)摿?，其色溫范圍寬且光效高，對于不同光源在相同的每瓦流明?shù)時，LED燈比其他光源更加節(jié)能，更能達到節(jié)能效果。此外，LED燈還具有高環(huán)保性、啟動時間短、高壽命高性能、結構簡單維護方便等特點。
該照明節(jié)能控制系統(tǒng)是基于車輛檢測的感應式隧道照明控制系統(tǒng)，通過對車輛的檢測將交通信息傳遞給PLC系統(tǒng)完成對隧道照明燈具的開啟和關閉，從而實現(xiàn)車來燈亮、車走燈滅的控制，同時照明功率利用時序邏輯控制以完成燈光的調節(jié)，保證駕駛員駕駛環(huán)境的視覺舒適。最終實現(xiàn)安全性以及照明節(jié)能控制。
2.1 控制系統(tǒng)設計方案
照明控制系統(tǒng)的設計方案如圖1所示，系統(tǒng)主要包括：車輛檢測系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)（PLC）、照明燈具等。同時系統(tǒng)在隧道入口前端及隧道出口端分別設置兩組車輛檢測器，如圖2所示，四組檢測器配合協(xié)同工作，第一組用來檢測車輛、第二組控制隧道開燈，第三四組負責隧道車輛駛出確認。
設計的隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)具有以下功能特性：⑴應用車輛檢測完成對交通參數(shù)的獲取，再通過PLC對隧道燈具進行開啟關閉操作，實現(xiàn)車來燈亮且車走燈滅的功能；⑵隧道內燈具亮度具有時間自適應性，通過控制系統(tǒng)對不同時段、不同天氣下燈具提供不同的照明功率，具有自動時序控制特性；⑶提供人工手動控制和常規(guī)模式下的自動控制模式；⑷系統(tǒng)出現(xiàn)故障時具備警告功能，具有設備故障自檢功能并能提供遠程故障提示；⑸其他安全性、維護性及兼容性達到設計要求。
2.2 控制系統(tǒng)結構
隧道照明控制系統(tǒng)的結構分五部分：車輛檢測器、主控制器、控制總線、調光控制器、燈具控制器，應用PLC對整個控制系統(tǒng)進行編程設計，實現(xiàn)對車輛感應的自動甚至智能照明控制。車輛檢測器是負責對行進車輛進行檢測，并實時向控制系統(tǒng)傳遞車輛的速度、通過時間、數(shù)目、車道號等參數(shù)；主控制器負責接收車檢信息并對信息進行分析運算，進而發(fā)出照明調光指令，此外主控制器還具有實時時序控制功能，當來往車輛開燈時對應開燈亮度會根據(jù)時序控制策略進行自動調節(jié)，達到較好的節(jié)能效果，此功能由時序控制器傳遞時序信號；調光控制器則是接收主控器的指令，對燈具進行調光控制；燈具控制器接受總線上的調光信號，按照指令完成LED的照明調節(jié)控制。
圖1：中短隧道照明控制系統(tǒng)
圖2：隧道車輛檢測裝置配置圖
3.1 車輛檢測技術
車輛檢測技術主要以車輛為目標，對車輛狀態(tài)及交通狀態(tài)進行檢測，目前，車輛檢測技術主要包括：雷達檢測、紅外檢測、視頻檢測和感應線圈檢測等，每個技術都有其自身優(yōu)缺點和應用限制條件，需要結合工程實際選擇最優(yōu)檢測方法。相比而言，雷達、激光以及超聲波檢測都是利用波反射頻率變化來進行監(jiān)控，上述技術存在造價高、易受環(huán)境氣候因素影響等缺點，而感應線圈檢測技術則比較成熟且應用效果較好，因此可考慮選擇感應線圈檢測技術。
3.2 照明控制技術
照明控制技術是隧道照明技能控制系統(tǒng)的關鍵組成，其控制精度、運行穩(wěn)定性影響整個系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性。由于實際運營中，交通情況存在隨機性、突發(fā)性，因此照明控制系統(tǒng)設計應充分考慮各類情況，有必要將控制策略分三部分設計：正常工作控制模塊、暫時交通流量大控制模塊和突發(fā)應急控制模塊。
對于正常工作狀態(tài)依照常規(guī)模式進行控制。應急突發(fā)情況下可能存在漏檢、故障等情況，該狀態(tài)下應進行補充設計增加一套自檢系統(tǒng)，根據(jù)隧道長度和車輛速度計算通過時間，若該時間內車輛仍未駛出則對計數(shù)進行清“0”保證照明的節(jié)能控制，若檢測出故障狀態(tài)則發(fā)出警報并進入時序控制狀態(tài)直到警報解除。對于暫時交通大流量情況，若按常規(guī)狀態(tài)控制則燈具不斷重復開關影響燈具壽命，對此可計算車輛間隔時間，根據(jù)開關燈間隔平均時間做出判斷，一旦確定為交通大流量情況則進入持續(xù)開燈狀態(tài)。
3.3 照明燈具控制
LED燈的調光控制主要有三種模式：無極調控、燈管陣列調控和燈群組控制。結合各方法的優(yōu)缺點及中短隧道照明的需求，燈具控制采用燈群組控制模式，主要控制策略采用單燈控制：利用LED燈具控制器直接對每個燈具進行漸變控制，不會產生電流沖擊影響使用壽命，能有效提高系統(tǒng)長期運營的穩(wěn)定性，由于實現(xiàn)漸變控制能滿足各類狀況的照明亮度需求，更好地實現(xiàn)照明節(jié)能控制，但是該方案的鋪設成本較高。
本文針對中短隧道照明節(jié)能控制技術進行研究，應用車輛檢測技術、PLC設計、照明控制技術和LED技術等，實現(xiàn)了中短隧道照明的車輛燈亮、車走燈滅的節(jié)能控制，為其工程運用提供技術支持。
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（編輯：蔡海霄）
中圖分類號：U453
文獻標識碼：B
收稿日期：2016-01-11
作者簡介：胡松潔（1978—），男，工程師，研究方向為交通工程。
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