论文部分内容阅读
【摘 要】高速公路隧道照明是随着近年来高速公路发展的增加而被人们逐渐关注的一个问题，本文通过研究调查发现，采用LED诱导灯，不仅可以使隧道的线性轮廓变得更清晰大大緩减了驾乘人员在通过隧道是产生的心理压力，进一步提高隧道内的行驶安全性。
【关键词】高速公路；隧道；照明
0.引言
随着我国经济的快速发展，高等级公路也得到了长足发展。公路隧道是提高公路等级，实现资源节约型、环境友好型交通的重要措施之一，也是实现高速、快捷、安全运输的重要工程设施，公路隧道在现代化公路交通运输发展中起着不可替代的作用。但同时公路隧道的建设和运营费用较高，尤其是运营过程中能耗巨大，其中隧道两大能耗系统就是照明和通风系统。其中隧道照明系统占隧道总能耗的大部分。目前就隧道照明节能方面已经展开了大量的研究。
1.高速公路隧道照明发展现状
目前隧道照明的节能系统硬件方面，主要采用高功率因数的高压气体灯作为隧道照明灯具(配高效电子镇流器)、隧道内两侧铺设反射率高的装修材料、尽量缩短供电电缆长度以减少线路损耗、合理布置配电房的位置、集中调光控制、减少洞外亮度灯方法。在隧道照明控制方面，现有控制方法仍然采用回路控制，进行人工或自动的有级(整体4-6级)调光控制。纵观现有的系统解决方案，虽然有一定的节能效果，但在实际运行中还是存在着电能的浪费现象，照明系统效率低，以及营运过程中产生的与行车安全和隧道监控之间的矛后等问题。现有隧道照明系统已经不能适应当今节能型社会的发展需要。
2.隧道照明节能控制方法研究
2.1隧道照明控制关键要素
人眼适应曲线:人眼是一个复杂的自动控制系统，它能够自动适应环境光强的变化。当环境光强由亮变暗时，瞳孔直径变大，称为暗适应;当环境光强由暗变亮时，瞳孔直径变小，称为亮适应。在白天。司机驾驶车辆进入公路隧道时，由于洞外光强比洞内高出十几甚至几百倍，司机经历的是一个暗适应过程，在驶出隧道时，则会经历一个亮适应过程。但是，不管是暗适应还是亮适应，都会对隧道的交通安全产生负面影响。医学研究提供的暗适应曲线如图1虚线所示，横坐标η是环境的光强比，纵坐标t是适应时间。
图4.1人眼暗适应曲线
由图4.1可见:
当η=1时，t=0，即环境光强小改变时，眼睛不存在适应问题;
当1<η<10时，0 2.2隧道照明节能控制一般原理
隧道照明是为了给使用者提供一定的舒适性和安全度，保证行使车辆以设计速度安全顺畅地接近、穿越和通过隧道。隧道照明最根本的要求是:满足司机视觉要求，满足人眼适应曲线。隧道控制的一般原理同样是:满足司机视觉要求。
隧道照明节能控制原理，既是在一定隧道条件下，不同运营工况及外部环境条件下最优计算隧道照明需求并实时精确控制照明输出的方法。这主要包含了两个方面的内容:一是，照明需求的最优化计算;二是，实时精确的照明控制输出。
照明需求的计算跟实际采用的隧道照明设计理论及标准有直接的关系。这直接关系到照明需求曲线的获得。照明需求曲线是任何控制方式的控制算法策略的根本依据。这里我们采用《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999)作为基本的控制算法编制理论依据。
实时精确的照明控制输出对十节能的一般原理，如图2所示(x轴时间T, y轴亮度需求L)。传统的分级控制方式(曲线C1)照明亮度等级少，控制响应及调整频率低，造成能源浪费。动态调光方式整个照明控制输出接近平滑曲线，可以快速响应跟踪照明需求曲线，可以得到最优的控制效果并能够达到节能的目的。
图2照明节能控制曲线
实时精确的照明控制输出即动态调光系统的实现，依赖十可调光灯具、通讯接口等硬件的支持。硬件方面，可调光白光LED灯具、可调光高压钠灯整流器等硬件已经得到较成熟的工程应用，性能稳定可靠，硬件上已经完全可以支持该系统的实现。
3.基于LED灯隧道照明动态调光方案研究
3.1 LED技术概述
进入21世纪，LED被誊为“21世纪新光源”，是继白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯之后的“第四代光源”。是公认的当今最具发展潜力的节能环保技术。
白光LED是依据光学和色度原理，利用已知色光的LED技术合成实现的。白光LED具有色彩饱和、光衰慢、作用距离长、节能(与传统白光源相比，LED节能80%一90%)、光束不产生热量、寿命长等特点。白光LED的主要技术指标包括光通、光效、色温、显色指数、亮度、照度等。目前，己开发出光通量大、光效高且显色指数大于85的白光LED。受工艺和材料的限制，白光LED的价格较高，使用寿命也只达到10万小时。然而随着产量的飞速增长和技术的快速进步，LED的生产成本将急剧下降，使用寿命将大幅提高，在未来几年里有望提高到LED的平均寿命，即100万小时。
3.2白光LED发展前景
由于看好LED未来的发展前景，美、日、欧盟等发达国家政府纷纷制定发展LED的国家计划，并制定了相应的攻关目标。我国对LED发光技术的研发始十上世纪七十年代。上世纪九十年代开始，由于A1GaInP超高亮度及GaΗ基蓝光的出现，更多的高校、研究所加入研究开发的行列，并有很多有实力的企业投入，逐步形成目前的发展状况。国内从事LED产业的单位目前已超过400家(外商除外)，从业人员超过5万人，其中技术人员超过5000人，2003年LED产值预计超过150亿元，产量约200亿只，其中超高亮度LED有几十亿只，近几年发展速度超过30。目前LED照明应用于隧道照明仍然处于初级发展阶段，已经拥有很多工程应用案例，并且取得了巨大的经济和社会效益。
白光LED应用于隧道照明，除满足隧道对灯具光效、光通量、寿命及工作特性、光色、显色性和配光控制难易程度等主要要求外，还能节约运行和维护成本，实现稳定经济运行。尽管白光LED的价格相对较高，使用白光LED的初期成本相对较大，但白光LED在运行过程中可节约80%-90%的能源，很大程度上降低了运行成本。同时，由于LED的使用寿命长、稳定性高，也降低了维护和灯具更新的成本。根据我国每年公布的《公路水运交通行业发展统计公报》的统计数据，全国公路隧道建设增量每年的增幅均在20%以上，预计“十二五”期间我国将新增公路隧道2000公里，对新型照明系统的需求巨大，若部分或相当部分采用LED照明系统那么将节约大量能源，能够产生巨大社会经济效益。
3.3白光LED隧道照明灯单灯调光方式
LED灯都是数量不等的单个小的LED颗粒构成的LED阵列，LED灯需要直流供电，每个LED灯后面都有一个直流电源，直流电源包括整流、APFC、电压型或电流型DC-DC等。
整流:一般采用桥式不可控整流，将220 V交流电压转变为直流电源。
APFC:为保证电源输入电流为正弦波、不对电网造成谐波污染和提高电源功率因数的中间环节。
DC-DC: LED灯都是数量不等的单个小的LED颗粒构成的点阵，点阵的不同就要求输入的电压(电流)不同，DC-DC就是为这些LED点阵提供稳定的直流电压(电流)。根据控制方式的不同，DC-DC又分为电压型和电流型DC-DC。
3.4白光LED隧道照明灯集中调光方式
现在每个隧道LED灯都有一个电源，而隧道LED灯安装的时候彼此之间的间距是很近的，特别是入口段，间距不足1米，如果将距离较近的多个LED灯合用一个较大的电源，这将有效节省LED灯的成本，况且目前大多数的隧道照明节能控制理论都是以分组控制为主，隧道LED灯的布置和控制也是以分组控制为基础的，如果采用多个LED灯使用一个电源的，也与现有的控制方式不冲突。
采用多个(10个以上)LED灯共用一个电源构成成组控制后，将具有以下优点:⑴电源数量减少，电源的功率提高，总体成本降低;⑵电源功率提高和数量减少后，电源的安全性、寿命、防护等级等各种性能指标都可以大大提高;⑶多个LED灯共用一个电源后，隧道照明系统的电源减少，系统的通信节点减少，通信的复杂程度降低;⑷在隧道内使用成组调节后，隧道照明控制系统与单灯控制系统非常类似，也需要采用隧道照明中心控制器，最后的优点和功能上与单灯控制系统一致。
对隧道LED灯采用成组控制后，各个LED灯将采用低压直流供电，首先是要考虑的是供电半径和每组电源的功率。根据调查，现有LED灯中部分LED灯具采用的是350mA电流型电源供电，另外一部分采用24 V电压型电源供电，采用成组调节后，使用电流型电源供电非常难实现，应采用电压型电源供电。额定供电电压为24V时，线路终端23 V不会对LED亮度造成非常大影响。以下以24V供电为例、终端电压为23 V计算供电半径。
隧道内灯具在同一个段内(入口段、过度段1、过度段2、基本段)灯具的间距是一样的，其中入口段间距最小，LED灯采用成组供电后的供电图如图3所示。RO为单位间距的电缆电l沮，RL为LED灯在24V附近的等效直流电阻。
图3成组供电LED灯供电示意图
在入口段，采用110W LED灯，1米间距布设，考虑电缆经济性，电缆采用2×16mm2,铜缆电阻率我们取为p=0.0175Ω .mm2/m，则RO为0.0011Ω。经过计算可以得出供电半径为12米、供电范围为24米，可以满足供电电压24V、终端电压23 V。则一个分组电源为2.4kW 。
对于过度段1、过段段2，则供电范围会更远。采用分组供电后，入口段(一般不超过100米)就只有4个电源，控制就相对简单。
成组控制的LED灯电源入口段只有2.4kW，实现难度不大，目前，由于电力电子技术、通信技术和计算机网络控制技术的迅猛发展，涉及到研究LED隧道灯成组调节的各项技术已经成熟，并且得到了成功应用，有了这些技术基础，我们认为研究LED隧道灯成组调节技术上是可行的。
【参考文献】
［１］陈彥华,谭光亮.公路隧道照明光源的选择[J].灯与照明.2006.9.
［２］叶黎明.江鹤高速公路莲花山隧道照明系统的优化设计[J].广西交通科技.2002.4.
［３］荀涛.二种隧道照明节能方案的比较及应用[J].技术.2003..
［４］高杉丰献译.LED技术对照明的影响[J].中国照明电器.2003.1.
【关键词】高速公路；隧道；照明
0.引言
随着我国经济的快速发展，高等级公路也得到了长足发展。公路隧道是提高公路等级，实现资源节约型、环境友好型交通的重要措施之一，也是实现高速、快捷、安全运输的重要工程设施，公路隧道在现代化公路交通运输发展中起着不可替代的作用。但同时公路隧道的建设和运营费用较高，尤其是运营过程中能耗巨大，其中隧道两大能耗系统就是照明和通风系统。其中隧道照明系统占隧道总能耗的大部分。目前就隧道照明节能方面已经展开了大量的研究。
1.高速公路隧道照明发展现状
目前隧道照明的节能系统硬件方面，主要采用高功率因数的高压气体灯作为隧道照明灯具(配高效电子镇流器)、隧道内两侧铺设反射率高的装修材料、尽量缩短供电电缆长度以减少线路损耗、合理布置配电房的位置、集中调光控制、减少洞外亮度灯方法。在隧道照明控制方面，现有控制方法仍然采用回路控制，进行人工或自动的有级(整体4-6级)调光控制。纵观现有的系统解决方案，虽然有一定的节能效果，但在实际运行中还是存在着电能的浪费现象，照明系统效率低，以及营运过程中产生的与行车安全和隧道监控之间的矛后等问题。现有隧道照明系统已经不能适应当今节能型社会的发展需要。
2.隧道照明节能控制方法研究
2.1隧道照明控制关键要素
人眼适应曲线:人眼是一个复杂的自动控制系统，它能够自动适应环境光强的变化。当环境光强由亮变暗时，瞳孔直径变大，称为暗适应;当环境光强由暗变亮时，瞳孔直径变小，称为亮适应。在白天。司机驾驶车辆进入公路隧道时，由于洞外光强比洞内高出十几甚至几百倍，司机经历的是一个暗适应过程，在驶出隧道时，则会经历一个亮适应过程。但是，不管是暗适应还是亮适应，都会对隧道的交通安全产生负面影响。医学研究提供的暗适应曲线如图1虚线所示，横坐标η是环境的光强比，纵坐标t是适应时间。
图4.1人眼暗适应曲线
由图4.1可见:
当η=1时，t=0，即环境光强小改变时，眼睛不存在适应问题;
当1<η<10时，0
隧道照明是为了给使用者提供一定的舒适性和安全度，保证行使车辆以设计速度安全顺畅地接近、穿越和通过隧道。隧道照明最根本的要求是:满足司机视觉要求，满足人眼适应曲线。隧道控制的一般原理同样是:满足司机视觉要求。
隧道照明节能控制原理，既是在一定隧道条件下，不同运营工况及外部环境条件下最优计算隧道照明需求并实时精确控制照明输出的方法。这主要包含了两个方面的内容:一是，照明需求的最优化计算;二是，实时精确的照明控制输出。
照明需求的计算跟实际采用的隧道照明设计理论及标准有直接的关系。这直接关系到照明需求曲线的获得。照明需求曲线是任何控制方式的控制算法策略的根本依据。这里我们采用《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999)作为基本的控制算法编制理论依据。
实时精确的照明控制输出对十节能的一般原理，如图2所示(x轴时间T, y轴亮度需求L)。传统的分级控制方式(曲线C1)照明亮度等级少，控制响应及调整频率低，造成能源浪费。动态调光方式整个照明控制输出接近平滑曲线，可以快速响应跟踪照明需求曲线，可以得到最优的控制效果并能够达到节能的目的。
图2照明节能控制曲线
实时精确的照明控制输出即动态调光系统的实现，依赖十可调光灯具、通讯接口等硬件的支持。硬件方面，可调光白光LED灯具、可调光高压钠灯整流器等硬件已经得到较成熟的工程应用，性能稳定可靠，硬件上已经完全可以支持该系统的实现。
3.基于LED灯隧道照明动态调光方案研究
3.1 LED技术概述
进入21世纪，LED被誊为“21世纪新光源”，是继白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯之后的“第四代光源”。是公认的当今最具发展潜力的节能环保技术。
白光LED是依据光学和色度原理，利用已知色光的LED技术合成实现的。白光LED具有色彩饱和、光衰慢、作用距离长、节能(与传统白光源相比，LED节能80%一90%)、光束不产生热量、寿命长等特点。白光LED的主要技术指标包括光通、光效、色温、显色指数、亮度、照度等。目前，己开发出光通量大、光效高且显色指数大于85的白光LED。受工艺和材料的限制，白光LED的价格较高，使用寿命也只达到10万小时。然而随着产量的飞速增长和技术的快速进步，LED的生产成本将急剧下降，使用寿命将大幅提高，在未来几年里有望提高到LED的平均寿命，即100万小时。
3.2白光LED发展前景
由于看好LED未来的发展前景，美、日、欧盟等发达国家政府纷纷制定发展LED的国家计划，并制定了相应的攻关目标。我国对LED发光技术的研发始十上世纪七十年代。上世纪九十年代开始，由于A1GaInP超高亮度及GaΗ基蓝光的出现，更多的高校、研究所加入研究开发的行列，并有很多有实力的企业投入，逐步形成目前的发展状况。国内从事LED产业的单位目前已超过400家(外商除外)，从业人员超过5万人，其中技术人员超过5000人，2003年LED产值预计超过150亿元，产量约200亿只，其中超高亮度LED有几十亿只，近几年发展速度超过30。目前LED照明应用于隧道照明仍然处于初级发展阶段，已经拥有很多工程应用案例，并且取得了巨大的经济和社会效益。
白光LED应用于隧道照明，除满足隧道对灯具光效、光通量、寿命及工作特性、光色、显色性和配光控制难易程度等主要要求外，还能节约运行和维护成本，实现稳定经济运行。尽管白光LED的价格相对较高，使用白光LED的初期成本相对较大，但白光LED在运行过程中可节约80%-90%的能源，很大程度上降低了运行成本。同时，由于LED的使用寿命长、稳定性高，也降低了维护和灯具更新的成本。根据我国每年公布的《公路水运交通行业发展统计公报》的统计数据，全国公路隧道建设增量每年的增幅均在20%以上，预计“十二五”期间我国将新增公路隧道2000公里，对新型照明系统的需求巨大，若部分或相当部分采用LED照明系统那么将节约大量能源，能够产生巨大社会经济效益。
3.3白光LED隧道照明灯单灯调光方式
LED灯都是数量不等的单个小的LED颗粒构成的LED阵列，LED灯需要直流供电，每个LED灯后面都有一个直流电源，直流电源包括整流、APFC、电压型或电流型DC-DC等。
整流:一般采用桥式不可控整流，将220 V交流电压转变为直流电源。
APFC:为保证电源输入电流为正弦波、不对电网造成谐波污染和提高电源功率因数的中间环节。
DC-DC: LED灯都是数量不等的单个小的LED颗粒构成的点阵，点阵的不同就要求输入的电压(电流)不同，DC-DC就是为这些LED点阵提供稳定的直流电压(电流)。根据控制方式的不同，DC-DC又分为电压型和电流型DC-DC。
3.4白光LED隧道照明灯集中调光方式
现在每个隧道LED灯都有一个电源，而隧道LED灯安装的时候彼此之间的间距是很近的，特别是入口段，间距不足1米，如果将距离较近的多个LED灯合用一个较大的电源，这将有效节省LED灯的成本，况且目前大多数的隧道照明节能控制理论都是以分组控制为主，隧道LED灯的布置和控制也是以分组控制为基础的，如果采用多个LED灯使用一个电源的，也与现有的控制方式不冲突。
采用多个(10个以上)LED灯共用一个电源构成成组控制后，将具有以下优点:⑴电源数量减少，电源的功率提高，总体成本降低;⑵电源功率提高和数量减少后，电源的安全性、寿命、防护等级等各种性能指标都可以大大提高;⑶多个LED灯共用一个电源后，隧道照明系统的电源减少，系统的通信节点减少，通信的复杂程度降低;⑷在隧道内使用成组调节后，隧道照明控制系统与单灯控制系统非常类似，也需要采用隧道照明中心控制器，最后的优点和功能上与单灯控制系统一致。
对隧道LED灯采用成组控制后，各个LED灯将采用低压直流供电，首先是要考虑的是供电半径和每组电源的功率。根据调查，现有LED灯中部分LED灯具采用的是350mA电流型电源供电，另外一部分采用24 V电压型电源供电，采用成组调节后，使用电流型电源供电非常难实现，应采用电压型电源供电。额定供电电压为24V时，线路终端23 V不会对LED亮度造成非常大影响。以下以24V供电为例、终端电压为23 V计算供电半径。
隧道内灯具在同一个段内(入口段、过度段1、过度段2、基本段)灯具的间距是一样的，其中入口段间距最小，LED灯采用成组供电后的供电图如图3所示。RO为单位间距的电缆电l沮，RL为LED灯在24V附近的等效直流电阻。
图3成组供电LED灯供电示意图
在入口段，采用110W LED灯，1米间距布设，考虑电缆经济性，电缆采用2×16mm2,铜缆电阻率我们取为p=0.0175Ω .mm2/m，则RO为0.0011Ω。经过计算可以得出供电半径为12米、供电范围为24米，可以满足供电电压24V、终端电压23 V。则一个分组电源为2.4kW 。
对于过度段1、过段段2，则供电范围会更远。采用分组供电后，入口段(一般不超过100米)就只有4个电源，控制就相对简单。
成组控制的LED灯电源入口段只有2.4kW，实现难度不大，目前，由于电力电子技术、通信技术和计算机网络控制技术的迅猛发展，涉及到研究LED隧道灯成组调节的各项技术已经成熟，并且得到了成功应用，有了这些技术基础，我们认为研究LED隧道灯成组调节技术上是可行的。
【参考文献】
［１］陈彥华,谭光亮.公路隧道照明光源的选择[J].灯与照明.2006.9.
［２］叶黎明.江鹤高速公路莲花山隧道照明系统的优化设计[J].广西交通科技.2002.4.
［３］荀涛.二种隧道照明节能方案的比较及应用[J].技术.2003..
［４］高杉丰献译.LED技术对照明的影响[J].中国照明电器.2003.1.