基于嵌入式系統和LED 燈的隧道照明方案
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在哥本哈根世界氣候大會上溫家寶總理代表中國承諾，到2020 年，二氧化碳/GDP 總值比要在2005 年的基礎上降低40%~45%.中國多山，山區面積占全國總面積的2/3，給交通建設帶來很大的不便，截止2009 年底全國公路隧道多達6 139處，其中特長隧道190 處，長隧道905 處，隧道照明上所耗費的電能相當巨大。為此我們對高速公路隧道照明方法展開研究。
1 隧道照明設計要領
白天駕駛員駕駛車輛從隧道外接近、進入和通過隧道的過程中，如果隧道沒有照明裝置，由于隧道內外亮度差別極大，入口處將呈現一個“黑洞”，出口處則看到一個“亮洞”;夜間駕駛員行車進入和通過有照明系統的隧道，情況就又剛好相反，這些現象都會引發安全事故。為此，《公路隧道通風照明設計規范》制定了相關的規范，對入口段、過渡段、中間段、出口段的亮度做了詳細的規定，相關規定如下：
1）入口段亮度需求Lth（cd/m2）
式中k 為折減系數，L20（S）為洞外亮度（cd/m2）
2）過渡段亮度需求
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。
夜間照明分兩級控制：交通量較大時，亮度與中間段亮度Lin相等；交通量較小時，亮度為0.5Lin但不小于1 cd/m2。
1）傳統的隧道照明方案
傳統的隧道照明方案為了做到節能， 通常采用4 級照明，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量和位置來達到分級照明的目的。采用的燈也是傳統的高壓鈉燈，由于高壓鈉燈光源的功率規格通用型只有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］，普遍存在過度照明，或要人工控制的問題。
在設計燈具功率時，必須要考慮一定的維護系數，這樣才能確保在實際的運營過程中當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，其照明的強度依然能夠滿足規范的要求。
在《公路隧道通風照明設計規范》中規定，維護系數取0.7，如某隧道實際需要80 W 的燈具，那么設計的時候燈具功率最少要選115 W;同時還要考慮到燈具會隨著時間的推移，自身會有損耗，為了確保燈具能符合設計規范，就必須有一定的冗余量，一般取1.7 倍，那么設計的時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 有發光效率高、壽命長、易控制等特點。如某隧道實際需要80 W 的燈具， 用LED 智能燈就可以控制成80 W 的規格，避免過度照明。根據隧道外的亮度智能化控制隧道內LED 燈的照明亮度，特別是入口段、過渡段這兩段的亮度調節， 即根據隧道的設計行車速度來設計該路段需要多亮，照明燈具就控制多亮（LED 智能燈也必須有一定的冗余量），以避免過度照明，這樣可以節約電能，減少污染排放。
2.2 LED 模擬燈具設計
如圖1 所示為用1 W 臺灣晶元正白光大功率燈珠制成的24 W 模擬隧道燈； 燈具控制系統中采用了達林頓控制電路，使實驗中LED 燈珠達到了最佳的亮度（110 lm）；模擬燈具標準光通量為2 500 lm（Tj=25℃） ， 最大的光通量達到7 500 lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。
圖1 模擬隧道燈
3 系統方案設計
3.1 LED 智能燈電路系統方案
本方案設計有兩套控制電路，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置了一個亮度監控裝置，將自然光強度轉化為0~5 V 的直流電壓信號，再經ARM7（stm32f103vc，中央控制器）分析計算，控制LED 燈的照明亮度使之符合國家規范（段亮度控制指令）；同時在模擬隧道內也設置了亮度監控裝置，對模擬隧道內相應路段的照明亮度進行信號采集、并分析計算，如果照明亮度不足，就自動調整提高相應LED 燈的亮度，做到智能補光，以有效補償因燈具損耗或受灰塵、尾氣等因素產生的照明亮度減弱。
3.2 分段照明控制設計
來車檢測傳感器等間距設置如圖2 所示，D1為距離隧道口一段距離的感應帶，當有車行到D1處時，D1采集的信號傳到中央控制器處理后讓D2→D3路段燈組點亮； 當車行至D2時，D2采集的信號讓D3→D4燈組點亮； 當車行至D3處時，D4→D5段點亮，此時如果D1→D3段內無車經過，則熄滅D2→D3燈組；之后的燈組以同樣的原理控制。此方案在車流量較少的高速公路隧道使用，節能效果更加明顯。方案如能得到推廣，將為國家節省下大量的電能，為我國的節能減排做出巨大貢獻。
圖2 分段控制傳感器設置方法
3.3 耗能比較
文中以亞洲最長市政隧道---貴州省貴陽市黔靈山公路隧道為例，以說明本設計方案的節能優勢，隧道全長1 580 m，設計時速60 km，使用高壓鈉燈照明。
入口段：長90 m，三盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.
過渡1 段：長30 m，三盞燈一組與兩盞燈一組間隔布置，兩側對稱布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.
過渡2 段：長70 m，兩盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.
基本1 段：長610 m，一盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W， 燈組間距10 m.
基本2 段：長750 m，右側一盞燈一組，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W;左側一盞燈一組，間隔點亮，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W.
出口段：長35 m，三盞燈一組，兩側間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.
基于隧道的基本情況，為了便于計算，以高壓鈉燈間距為10 m，兩側間隔布置來進行分析，那么單洞兩側總計至少有300 盞燈。隧道高壓鈉燈功率采用150 W;為達到設計照明要求，需要考慮一定的冗余量、維護系數以及隧道建筑限界凈寬、限界凈高、燈具額定光通量等，LED 智能燈設計調整范圍為80~130 W，依據《公路隧道通風照明設計規范》以及隧道實測的亮度數據實際使用時“平均取值90 W 計算”，不改變燈的布局，對高壓鈉燈和LED 智能燈做長明燈的年能耗比較，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 小時照明可降低60%的能耗，以0.30 元/度的電價計算，僅是此段隧道每年將減少4.7 萬元照明電費開支。就目前通過該路段的車流量來算，如果實施“有車經過點亮、無車關閉”的照明方案，最少還可降低25%的能耗（1/4 的時間關閉照明）。該方案如果推廣全國高速公路隧道照明，對高速公路營運部門來說，有良好的經濟效益；對國家節能降耗戰略來說，社會效益顯著。
4 結束語
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