直流智能調(diào)光系統(tǒng)在城市隧道照明中的應(yīng)用
——以重慶市某隧道為例

陳凱麟

廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361000

0 引言

隨著LED照明技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，其性能和安全標(biāo)準(zhǔn)無論在國家層面、行業(yè)層面還是地方層面都得到了充分的認(rèn)可，使其廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外各類場所的照明。在社會大眾對照明高品質(zhì)的追求下，隧道照明已呈現(xiàn)多樣化的功能性應(yīng)用趨勢，如節(jié)能性、安全性、舒適性等[1]。傳統(tǒng)的隧道LED供電方式是在末端通過驅(qū)動電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為燈具所需要的直流電，而隨著直流照明技術(shù)的不斷成熟，采用直流電直接供電，從而省去末端轉(zhuǎn)化的過程。從光環(huán)境質(zhì)量的角度來看，通過集中處理直流供電照明能夠更好地避免燈具的頻閃，從而營造更為舒適健康的光環(huán)境；從控制的角度來看，直流供電具有更好的控制靈活性，在智能化技術(shù)應(yīng)用方面具有明顯的優(yōu)勢；從安全的角度來看，人體對直流電流的耐受極限值遠(yuǎn)高于交流電流，其安全性明顯優(yōu)于交流電[2-3]。文章以重慶沿山大道文峰山隧道為例，針對直流智能調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目概況

文峰山隧道為上下行分離的長隧道，隧道左線總長1 500 m，右線總長1 600 m。隧道南端洞口采用端墻式洞門，北端洞口采用削竹式洞門。隧道凈空為17.5 m×5.0 m。道路等級為城市主干道，雙向8車道，設(shè)計(jì)行車速度為60 km/h。該項(xiàng)目采用直流供電系統(tǒng)，直流柜具備交流輸入、防雷、整流、分路輸出、采樣、控制等功能。采用IT系統(tǒng)接線型式，在直流柜內(nèi)部完成交流變直流，優(yōu)選值DC 220 V，對每個(gè)LED燈具供電。

2 直流智能調(diào)光系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 調(diào)光方案

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）、《LED城市道路照明應(yīng)用技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31832—2015）的相關(guān)規(guī)定，將隧道照明區(qū)段分為入口Ⅰ段、入口Ⅱ段、過渡Ⅰ段、過渡Ⅱ段、中間段、出口Ⅰ段、出口Ⅱ段，洞外亮度取3 500 cd/m2，入口段亮度折減系數(shù)取0.022，各段亮度標(biāo)準(zhǔn)要求如下：入口Ⅰ段Lth1=77.0 cd/m2；入口Ⅱ段Lth2=38.5 cd/m2；過渡Ⅰ段Ltr1=23.1 cd/m2；過渡Ⅱ段Ltr2=7.7 cd/m2；中間段Lin=6.0 cd/m2；出口Ⅰ段Lex1=18.0 cd/m2；出口Ⅱ段Lex2=30.0 cd/m2。

設(shè)計(jì)階段采用晴天、云天、陰天、重陰（晚上）、深夜五種調(diào)整方案，運(yùn)營期間可根據(jù)交通量變化、洞外亮度變化、不同季節(jié)等制訂適宜的調(diào)光及運(yùn)營管理方案，以確保隧道照明系統(tǒng)在不同運(yùn)營條件下的安全與節(jié)能運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理。不同調(diào)光模式下各照明區(qū)段的亮度及調(diào)光比例如表1所示。

表1 不同調(diào)光模式下各照明區(qū)段的亮度及調(diào)光比例表

隧道LED照明采用無級調(diào)光方式，集中控制器應(yīng)具有直流電力載波接口，采用曼徹斯特編碼協(xié)議，通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式實(shí)現(xiàn)隧道LED照明的調(diào)光，亮度調(diào)節(jié)范圍為0～100%?？傮w控制策略如下：根據(jù)洞口亮度和夜間時(shí)段，對不同照明區(qū)段的燈具的調(diào)光比例進(jìn)行設(shè)定后自動調(diào)光。洞外亮度越高，洞內(nèi)照明亮度也越高，反之亦然。當(dāng)洞口亮度監(jiān)測儀采樣的亮度值在3 500 cd/m2（L20＞1 750 cd/m2）時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為晴天模式；在1 750 cd/m2（875＜L20≤1 750 cd/m2）時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為云天模式；在875 cd/m2（455＜L≤875 cd/m2）時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為陰天模式；在455 cd/m2（L≤455 cd/m2）或者進(jìn)入夜間時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定為重陰（晚上）模式；晚上12點(diǎn)之后，系統(tǒng)認(rèn)定為深夜模式。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼又稱裂相碼、同步碼、相位編碼，是一種用電平跳變來表示“1”或“0”的編碼方式，其變化規(guī)則很簡單，即每個(gè)碼元（一個(gè)時(shí)鐘位）均用兩個(gè)不同相位的電平信號表示，也就是一個(gè)周期的方波，但“0”碼和“1”碼的相位正好相反。五種調(diào)光模式下的曼徹斯特編碼如圖1所示。

圖1 五種調(diào)光模式下的曼徹斯特編碼

直流智能調(diào)光系統(tǒng)采用曼徹斯特編碼進(jìn)行開關(guān)及調(diào)光控制，設(shè)定如下：高電平為DC 220～290 V，低電平為高電平-10 V；系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，輸出電壓為高電平；一個(gè)時(shí)鐘位內(nèi)輸出電壓由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)表示“1”，由低電平轉(zhuǎn)為高電平時(shí)表示“0”。

（2）直流電力載波通信（直流PLC）。電力線載波通信是以輸電線路作為載波信號的傳輸媒介的一種通信方式，最大的特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，通過現(xiàn)有電力線傳輸控制信號，減少所需布線量，節(jié)省成本與部署時(shí)間。直流電力載波通信即將載有信息的信號調(diào)制到直流電上，利用現(xiàn)有線路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

（3）智能驅(qū)動電源。相對于傳統(tǒng)電力載波通信（PLC）智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單燈控制器與DC/DC驅(qū)動電源集成設(shè)計(jì)的方案，PLC通信模塊內(nèi)置于驅(qū)動電源中，省去單燈控制器的投入，在驅(qū)動電源上增加部分成本，即可實(shí)現(xiàn)通信與調(diào)光功能，從而節(jié)省設(shè)備的成本投入。此外，相對于傳統(tǒng)方案，該方案省去單燈控制器的體積，燈具的體積也可變小，從而降低燈具的成本。傳統(tǒng)調(diào)光方案和智能驅(qū)動電源方案分別如圖2、圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)調(diào)光方案

圖3 智能驅(qū)動電源方案

2.3 技術(shù)路線

直流智能調(diào)光系統(tǒng)主要由直流柜、集中控制器、直流LED燈具、智慧照明管理平臺組成，將智能化系統(tǒng)與直流照明相結(jié)合，利用直流PLC對隧道LED燈具進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)智慧照明。

集中控制器接收智慧照明管理平臺下發(fā)的指令，控制直流柜內(nèi)整流模塊輸出電壓的波動，每一種波動組合代表一種調(diào)光策略，再通過直流電力載波傳輸?shù)矫總€(gè)燈具，驅(qū)動電源接收并解析平臺發(fā)出的調(diào)光控制命令以調(diào)節(jié)燈具亮度，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光。同時(shí)，驅(qū)動電源將其狀態(tài)反饋至管理平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而對照明狀況進(jìn)行監(jiān)測和分析，為管理人員的決策提供支撐，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。集中控制器設(shè)置于直流柜中，既可與隧道監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)通信，當(dāng)通信中斷時(shí)，也可獨(dú)立于監(jiān)控中心自行調(diào)光工作。

3 結(jié)論

智能控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測、精細(xì)管理、高效節(jié)能和綠色環(huán)保已經(jīng)成為現(xiàn)代城市隧道照明控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。直流智能調(diào)光系統(tǒng)跟隨時(shí)代發(fā)展的潮流，采用直流懸浮供電，與大地隔離，提高了用電安全性；采用DC/DC智能驅(qū)動，集成化設(shè)計(jì)，節(jié)約燈具成本；采用直流電力載波通信，減少了通信線纜投入，從而實(shí)現(xiàn)照明的節(jié)能環(huán)保、智能調(diào)光、安全運(yùn)行以及精準(zhǔn)維護(hù)。