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1、高速公路隧道照明系统,为什么要提供隧道照明：,公路隧道的照明系统，是为了把必要的视觉信息传递给驾驶员，防止因视觉信息不足而出现交通事故，从而提高驾驶上的安全性和增加舒适感。隧道照明与道路照明的显着不同是白天也需要照明，而且白天照明问题比夜间更加复杂。为了提高这一瓶颈路段的通行能力，确保安全行车，需要设置点光照明系统。隧道照明的主要内容包括视觉特点、照明设计、照明计算、照明控制、照明供电和照明经济分析与节能等。隧道亮度主要取决于行车的速度、车流量和洞外亮度等，在照明设计过程中已经充分考虑了这些因素，而且一般都是按照不利情况考虑的，所以能够满足设计车速、设计车流量和设计洞外亮度情况下的照明要求。而
2、洞外亮度在各个季节、各个时段都是不相同的。隧道照明控制就是依据这些不同情况，开启和关闭相应数量的灯具，以提高或降低亮度，使其既能满足安全行车的需要，又有利于节能。隧道照明控制系统由光亮度检测器、车流量检测器、隧道区域控制器、照明控制计算机、隧道照明灯具、照明配电柜、照明配电箱以及照明供电电缆等组成。隧道照明系统由照明灯具、照明配电箱和供电线路组成，通过照明配电箱按照不同回路进行控制。,常用照明高压钠灯与led灯比较,高压钠灯是一种高强度气体放电光源，泡壳形状大多为圆柱形，这种灯以光效率高为特色，金黄色的发光颜色，广泛用于夜景建筑外墙照明、广场照明。由于其金黄色的发光颜色特点，透雾性能较好，特别
3、适合驾驶员喜欢的道路照明光色，因此又广泛用于道路照明。高压钠灯需要采用触发器和电子或电感镇流器点灯方式。LED的电源则需要直流的恒定电流，所以需要将220V的交流转换为直流。LED灯优势：一、省钱：运行成本决定于功耗和维护费用。二、省力：寿命长，性能稳定,环境要求不高的10年更换一次的LED灯，既省电又可避免频繁换灯之苦。三、省心：LED光源是采用直流驱动的超低功耗器件，抗震、耐冲击、无热辐射、安全、稳定、可靠，无需考虑散热；灯体灵巧，安装简便；款式新颖，工艺精良。,常用照明高压钠灯与led灯比较,高压钠灯是一种高强度气体放电光源，泡壳形状大多为圆柱形，这种灯以光效率高为特色，金黄色的发光颜色
4、，广泛用于夜景建筑外墙照明、广场照明。由于其金黄色的发光颜色特点，透雾性能较好，特别适合驾驶员喜欢的道路照明光色，因此又广泛用于道路照明。高压钠灯需要采用触发器和电子或电感镇流器点灯方式。LED的电源则需要直流的恒定电流，所以需要将220V的交流转换为直流。LED灯优势：一、省钱：运行成本决定于功耗和维护费用。二、省力：寿命长，性能稳定,环境要求不高的10年更换一次的LED灯，既省电又可避免频繁换灯之苦。三、省心：LED光源是采用直流驱动的超低功耗器件，抗震、耐冲击、无热辐射、安全、稳定、可靠，无需考虑散热；灯体灵巧，安装简便；款式新颖，工艺精良。,常用照明高压钠灯与led灯比较,高压钠灯是一
5、种高强度气体放电光源，泡壳形状大多为圆柱形，这种灯以光效率高为特色，金黄色的发光颜色，广泛用于夜景建筑外墙照明、广场照明。由于其金黄色的发光颜色特点，透雾性能较好，特别适合驾驶员喜欢的道路照明光色，因此又广泛用于道路照明。高压钠灯需要采用触发器和电子或电感镇流器点灯方式。LED的电源则需要直流的恒定电流，所以需要将220V的交流转换为直流。LED灯优势：一、省钱：运行成本决定于功耗和维护费用。二、省力：寿命长，性能稳定,环境要求不高的10年更换一次的LED灯，既省电又可避免频繁换灯之苦。三、省心：LED光源是采用直流驱动的超低功耗器件，抗震、耐冲击、无热辐射、安全、稳定、可靠，无需考虑散热；灯
6、体灵巧，安装简便；款式新颖，工艺精良。,LED 灯具相较于高压钠灯的节能效果,(1)LED 灯具的启动关闭响应时间非常快，并且半导体器件频繁开启对灯具寿命影响不大，经过合适的驱动电源设计，可实现高频 LED 灯具的无极调光，而不会出现灯具的闪烁现象，其布灯和控制方式更为灵活，节能效果将更加明显。(2)LED 灯具功率大小可任意设置，LED 隧道灯是由颗 35W 的 LED 阵列组合而成。根据隧道各段的不同要求和 LED 的光效，确定灯具的功率大小。可使洞内照度刚好符合标准要求，避免了功率不匹配产生的过度照明现象。而高压钠灯的光源的功率规格有限，在灯具布置时由于功率不匹配而产生了过度照明的现象。
7、,(3)LED 的驱动电源大多为恒流驱动电源，对电源输入电压的要求并不高，一般在 170250V 之间，并且能耗几乎不随电源电压的变化而变化，对灯具寿命影响很小。这与传统高压钠灯不同，在夜晚电源电压高达 250V 左右时，高压钠灯的功率几乎增加一倍；当电源电压低于 200V 左右时，高压钠灯就难以启动。在高电压下，钠灯的寿命会大幅折减，不足额定寿命的 30%。这就是钠灯实际功耗远远超出额定功耗的主要原因，也是晚上钠灯越点越亮的缘故。,高压钠灯方案和 LED 灯具方案的照明费用曲线图,目前可参考的合理控制方式：,照明方式一：白天全亮；夜间关闭洞口加强段，并开启洞外引道照明照明方式二：白天洞口加强
8、段全开、基本段亮二分之一；夜间关闭洞口加强段，基本段亮二分之一，并开启洞外引道照明开启照明方式三：白天洞口加强段亮三分之二、基本段亮二分之一；夜间关闭洞口加强段，基本段亮二分之一，并开启洞外引道照明开启照明方式四：白天洞口加强段亮三分之二、基本段亮二分之一；夜间关闭洞口加强段，基本段亮四分之一，并开启洞外引道照明开启照明方式五：白天洞口加强段亮三分之一、基本段亮二分之一；夜间关闭洞口加强段，基本段亮四分之一，并开启洞外引道照明,隧道目前照明方式：,白天：隧道洞口加强段及隧道内基本照明、应急照明（诱导灯）全亮，引道照明关闭；夜间：隧道基本照明、应急照明（诱导灯）全亮，隧道洞口加强段关闭，并开启洞
9、外引道照明。大部分隧道采用照明方式三照明方式，个别隧道则根据其长度、弯度做进一步调整。,研究背景,我国山地、丘陵和高原面积约占国土总面积的 69%，过去在山区修建公路，由于建设资金严重短缺，多以盘山绕行为主，公路建设非常缓慢。改革开放以来，随着国民经济的迅速发展，公路交通建设规模日益扩大，技术进步达到新的水平，公路隧道建设不仅在山区和丘陵地区公路建设中日益引起人们重视，而且在东部江河桥隧跨越也得到很大发展。安全、环保、高效、节能作为公路工程建设追求的目标，在公路隧道运营管理中尤显突出。公路隧道作为道路的特殊构造物，为了保证行车环境条件，长大公路隧道运营必不可缺的隧道照明等基本设施运营费用相当昂
10、贵。,隧道照明系统的安全性和节能性存在着此消彼长的矛盾，如何解决这个矛盾便成为照明工程师和交通安全工程师的共同目标。在安全行车的前提下，如何提高隧道的运营效率、降低能源消耗，成为隧道建设和运营单位迫切需要解决的问题。近年来能源危机成为世界各国发展面临的一个主要问题。我国的第十一个五年规划，向全党、全国提出了明确要求，要把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济发展与人口、资源、环境相协调。,研究意义,公路隧道作为高等级公路的特殊路段，具有隧道洞内外亮度差极大，空气污染严重，侧向净宽较小且高度有限，没有扩展活动的余地和噪声高等特点，加上车辆迅
11、速增长，使高等级公路的优越性大大减弱，交通问题显得十分突出，通行能力、行车速度、交通安全性能客观上比其它路段差，事故发生率，交通能耗及对环境的污染成倍增加。在此情况下要保证来往车辆的顺利通行，避免交通事故的发生，隧道照明系统显得尤为重要。在白天，当车辆在驶入隧道的过程中，会出现“黑洞效应”，在驶出隧道时情况正好相反，会出现“白洞效应”；在夜晚，同样需要清楚地看到前方路况。,因此需要在隧道内设置电光照明，使洞内亮度随洞外亮度相应变化，以消除司机的“暗适应”与“明适应”视觉问题，保证隧道通行车安全。近年来国内外高等级隧道交通事故时有发生，造成重大的生命财产损失，社会影响极为恶劣，足以引起高度重视。
12、据数据统计，隧道洞口交通事故主要是追尾，而隧道洞口光线变化不当是产生交通事故的主要影响因素。因此研究设计合理稳定的隧道照明系统需要高度重视，保证隧道行车安全。,两个隧道照明中出现的两大主要现象,（1）黑洞效应。即隧道入口处或隧道内，照明亮度太低，又没有足够的适应时间，使驾驶员在室外高亮度下接近隧道时所看到的隧道犹如“黑洞”一样。（2）闪烁效应。这是由于照明灯具的间距布置不当引起隧道内亮度分布不均造成周期性的明暗交替环境，在某种车速下产生闪光的感觉。除此外，隧道中眩光控制与路面亮度均匀度等影响照明质量的参数也应足够重视。,隧道照明控制方式,公路隧道照明灯具控制方式主要有三种：人工手动控制方式、分
13、时段进行的时序控制方式、自动实时控制方式，其又分为自动分级控制方式和自动无极调光 控制方式。在公路隧道发展建设初期，由于技术的限制，对于隧道的照明运营一般设有统一的控制柜，由专人负责管理，根据不同的时间和天气由工人决定并手动控制灯具的开关数量。,随着自动控制技术的发展，隧道照明控制领域渐渐由自动控制系统占领。首先出现的是自动分级控制，系统分为基本照明，应急照明和加强照明，这种系统能够通过洞外的亮度检测仪器检测实际亮度值从而调整隧道内部的灯具开关数量，开启相应的加强照明回路，实现实时自动的洞内亮度调节，并且洞内广泛分布的照度检测仪器为隧道内实际亮度水平进行了有效监测，当出现由于灯具损坏等原因造成
14、的洞内亮度水平不够时控制系统可以及时的进行报警。采取这种技术之后，不仅能够有效的使隧道照明满足国家规范要求，为司机提高良好的照明环境，而且因为在最大的限度内关闭了不需要的照明设备，该方法节约了很大的运营成本，特别是对于偏远隧道更是体现了它的强大优势，所以在各类公路隧道中得到了广泛应用。,分级控制不足之处：,但是，由于采用了分级控制，即系统根据外界亮度水平分级的将照明设施进行关闭，比如照明回路逐级关灯方式，必然会带来路面照度不均匀、眩光、闪烁等有害现象，给交通安全埋下了隐患。其实这是跟照明设备的技术水平进行的一种折中。当今在隧道照明中普遍采用的高压钠灯，因为高压钠灯具有光效高、寿命长，且所发出的
15、桔黄色的光线，具有强透雾功能，但高强度气体灯启动响应比较慢，要进行连续亮度调节必须通过调整电压实现，会比较困难，而且会巨大增加成本，并且难以实现；另外荧光灯由于技术限制在还很难实现连续亮度调节；大功率 LED 灯具照明不是很成熟，其连续调光控制成本较高。即使存在着不少缺陷，但分级自动控制方式仍是目前阶段国内最为流行的控制技术。,自动无极调光控制方式：,随着照明灯具技术的不断发展，出现了自动无极调光控制方式。这是新兴的一种控制方式，它在自动分级控制的基础上，采用根据外界实际亮度水平，连续对灯具进行调光，使灯具发出不同亮度水平的光能，这样就完全的克服了分级控制所带来的照明均匀性问题，这个技术在目前
16、阶段来说应用还不是很普遍，原因是能满足连续调光要求的灯具还不普遍，一般来说价格比较昂贵，因此通常只在高等级的隧道中采用这种方法。就国内来说只有为数极少的隧道（比如：厦门蔡尖尾山隧道）采用了这种控制方式。这种控制技术是未来隧道照明技术的发展趋势，对隧道照明灯具研究设计上提出了很高的要求，并且在控制系统设计上提供了新的思路。,隧道照明控制系统：,隧道照明控制系统主要可以分为以下 2 大种类：1.计算机集散控制系统，集中管理，分散控制。这种控制系统是最常见的一种控制方式，由中央计算机管理整个系统，作为系统的集中处理单元。各照明控制室由 PLC 控制，PLC 根据采集洞外的亮度值，可以自动控制隧道入口
17、段、适应段、过渡段、出口段的亮度，也可以将采集的洞外亮度值传送到中心计算机，由中心计算机来决策隧道各段的亮度值。2.分布式计算机控制系统。这种控制系统依靠某种现场总线为核心，实现无中心控制。,公路隧道照明的要求,由于隧道照明的特殊性，隧道照明的设计与普通道路照明有很大的不同。公路隧道通风照明设计规范（JTJ026.1-1999）在照明系统构成、洞外亮度和减光、隧道各照明段的长度与亮度、照明总均匀度与纵向均匀度、调光分级、光源分级、灯具及布置、照度与亮度计算推荐方法等方面做出了详细的说明。,隧道各段照明要求：,入口段照明的作用是消除“黑洞”现象，使驾驶员在洞口处能辨认障碍物。过渡段的作用是使驾驶
18、员逐渐适应隧道内部照明。隧道内中间段只设置基本照明，可按照隧道中的实际设计车速对照度的需求决定。由于隧道出口处是人眼视觉的明适应过程，适应时间很短，可作较简单的处理。隧道出口也同入口部分一样设有过渡区，要加强垂直照度，使得过渡区的亮度与洞外相近。应急照明应保证洞内亮度不小于中间段亮度的 10%。,车流量车速检测方法：,(1)电磁线圈检测 环形线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感器是一个埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈（一般为 2 米15 米）。当车辆通过环形地埋线圈或停在环形地埋线圈上时车辆自身铁质切割磁通线引起线圈回路电感量的变化。检测器通过检测该电感变化量就可以
19、检测出车辆的通过或存在。检测这个电感变化量一般来说有两种方式，一种是利用相位锁存器和相位比较器，对相位的变化进行检;另一种方式则是利用由环形地埋线圈构成回路的祸合电路对其振荡频率进行检测。线圈车辆检测器可以检测车辆速度、车长、行车间距、流量及车道占用率等数据信息。可以根据设定的统计周期对车速、车长、流量，车道占有率等数据进行统计，统计周期设定的范围为 1 分至 60 分钟。,(2)视频检测 视频车辆检测器是运用视频图像处理和计算机图形识别技术于近年开发出来的新产品，它可以取代环形线圈，进行高效益的广域视频监视并现场实时采集各种交通参数。安装一台或多台数字摄像机，将一定范围的交通图像经过一个图像
20、处理硬件。输入计算机显示器。通过控制软件，设定和叠加检测区域，经过分析和处理，得到交通量、车速、占有率等参数。,(3)红外检测 红外车辆检测器的工作原理是通过检测红外光是否被阻断来判断通过车辆的各种信息，如交通流量、车辆速度、车辆高度、车型分类、车辆分离等。红外车辆检测器通常由红外发射阵列和接收阵列组成，一般相对地安装在车道两侧主要应用在公路收费系统。用于车辆计数、车辆分离和车型分类。分型精度可达 95%以上。,(4)数字微波车辆检测 数字微波车辆检测器（Microwave Traffic Detect 以下简称 MTD）是由发射天线和发射接收器组成。安装在门架上或路边立柱上的发射天线对准检测
21、区域发出微波波束。当车辆通过时，发射波束以不同的频率返回天线检测器的发射接收器测出这种频率变化从而测定车辆的通过和存在是一种非接触式交通检测器。,综合以上检测方法的优缺点，脉冲超声检测器、雷达检测器、光电检测器的检测精度和抗干扰性能较差；红外检测、超声波检测容易被天气环境干扰,在天气恶劣的情况下灵敏度很低。雷达检测虽然不受天气环境的影响,但在车速低,周围有无线电波干扰的情况下,器件准确率会降低,甚至检测不到车辆。激光测速的准确度虽然高,但是激光有潜在的危险。视频检测器的成本较高、实时性较差，并且检测精度受到软硬件的影响。而感应线圈式检测器具有性能稳定、性价比高、工程应用方便等优点，目前全世界使
22、用较多的还是线圈车辆检测器和视频车辆检测器。,使用三种传感器：,使用感应线圈式检测器，来检测车速和车流量信息，车辆在行驶过程中周围的磁场会发生变化，传感器电路原理用感应线圈等组成耦合电路，检测原理是通过感应线圈振荡频率发出的脉冲信号来检测车辆数量和车速信息，其电路由感应线圈电路“振荡电路以及信号整形电路三部分电路组成。光照传感器，检测隧道内外光照强度，以调节隧道内光强，使人们消除白洞效应和黑洞效应的影响。烟雾传感器，汽车在隧道排除的尾气达到一定浓度后会产生烟，当隧道内烟较浓时，就会影响驾驶员的视觉效果，隧道内可见度就会受到影响，隧道内需要设置烟雾传感器，超过指定浓度后启动的隧道内排气扇。,环形
23、地感线圈检测的优点有:,环形地感线圈检测的优点有:1)技术比较成熟、成本不高、精确度较高;2)不受天气、光线等周围环境的干扰,比较可靠;3)可以获得多个交通信息,如交通量、平均车速及车的型号等。视频车辆检测器优点：本设备是基于视频分析、运动检测、目标识别、目标跟踪的一种技术，其原理是通过对摄像机视频流进行实时的分析检测，自动检测并跟踪车辆。能采集车流量和行车速度数据并监控车流等交通参数的变化，能分析实时道路状况，在需要时，可根据用户设置上传采集信息。本设备安装简单，维护方便，不需破坏路面，配备网络接口，支持 IP 联网检测功能，但是成本较高,目前隧道照明存在的方案,基于ZigBee隧道照明无线
24、控制 系统研究和设计基于 PLC 的隧道照明控制系统设计基于FPGA的公路隧道照明控制系统的设计基于 WiFi 的隧道照明无线控制系统设计与实现,基于ZigBee隧道照明无线控制优点,ZigBee是基于标准的低功耗局域网协议。目前全球使用的频段为2.4GHz，这种技术具的优点是：第一，低功耗。两节5号电池，待机模式下，可以使用6-24个月。第二，低成本。无需改变传统的电器线路，只需直接接入ZigBee无线模块就能实现智能控制。第三，网络规模大。网状拓扑结构最多能够容纳65000个设备。第四，ZigBee的网络节点能够感知其他节点的存在，确定连接关系，组织成结构化的网络，且节点有变动时也能进行自
25、我修复，对网络拓扑结构自动进行调整。第五，ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，确保各个应用中信息的安全性，相对来说有一些限制，如较低的保温吞吐率;需要支持大型网络接点的数量级(要利用WiFi连接到操作平台);低速率，专注于有限空间内的地传输应用。,基于 WiFi 的隧道照明无线控制,WiFi(Wireless Fidelity，无线保真技术)是一种可支持数据，图像、语音和多媒体且输出速率高达54Mb/s的短程无线传输技术，在几百米的范围内可让互联网接入者接收到无线电信号。其优点是传输范围广、传输速度快、健康安全、普及应用度高。在隧道照明控制系统中,由于控制中
26、心距离隧道长达几公里甚至更远,所以采用以太网技术对其访问成为必然的选择。,基于 PLC 的隧道照明控制,这种控制系统采用基于电力线载波的 Lonworks 现场总线技术实现隧道灯具的网络控制功能，根据视频车辆检测器、亮度检测仪等采集到的信息，在上位机或者 PLC中进行计算，使用电力载波技术输出计算得到的控制信息到灯具端，通过调节电流大小来调节隧道灯的功率大小，实现隧道灯的调光。该系统最大特色在于利用网络端口，实现设备组网，对现场的设备实现远程在线控制，特别适合用于一些地域分布很广或者比较偏僻环境较为恶劣的公路隧道，这些隧道照明的控制往往需要在控制中心进行上层的集中管理，使用 PLC 较为合适。本系统使用的硬件涉及 CPU 单元、电源及串行通信单元,Cpu单元，最便宜,电源模块,串行通信单元,基于FPGA的公路隧道照明控制,1)FPGA与传统控制器相比,是逻辑执行的,因此在抗干扰方面的可靠稳定性比较高。2)FPGA不是顺序执行的模式,内部程序并行运行,在一个时钟周期内可以完成更多的任务,时钟频率较高,可以满足控制的实时性需求。3)FPGA芯片是现场可升级的,在不动用外围电路的情况下,用户对FPGA可以达到反复地编程、擦除及使用,使重新配置的FPGA芯片能够适应未来的需求。,恳请各位老师、同学批评指正,谢 谢,
