汪晶

(上海隧道工程有限公司， 上海 200062)

0 引 言

近十幾年來我國大力推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，全國范圍內(nèi)廣泛開展縣縣通高速工程，為提高城鄉(xiāng)交通建設(shè)水平和加快實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過程中，受我國地理?xiàng)l件的影響，如中西部高原多山和東南部丘陵多水域等，需要建設(shè)大量的山體隧道和水底隧道。隨著通信、計(jì)算機(jī)、圖像處理和控制等技術(shù)持續(xù)革新，安全、便捷、舒適、經(jīng)濟(jì)和高效的交通環(huán)境受到廣泛關(guān)注。人們對日常交通提出了更高的要求，智慧隧道呼之欲出。隧道照明作為隧道機(jī)電設(shè)施中的必要部分，向智能化方向發(fā)展是一個(gè)必然的趨勢。一個(gè)良好的智能照明系統(tǒng)不僅能給駕駛員提供一個(gè)舒適的行車環(huán)境，提高行車安全性，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)國家節(jié)能減排的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)按需照明和降低照明的能耗，達(dá)到最大限度的節(jié)能目的。

1 隧道照明系統(tǒng)的組成

隧道作為一種特殊的密閉建筑結(jié)構(gòu)，在保障通行安全的情況下必須提供足夠的照度。駕駛員作為車輛的操作者，對道路狀況和相應(yīng)信息的接收尤為重要。當(dāng)車輛在不同時(shí)間段和氣象條件下進(jìn)入隧道，環(huán)境和光強(qiáng)的變化，會引起駕駛員的視覺變化。由于人眼視覺滯后效應(yīng),會產(chǎn)生視覺盲區(qū)。當(dāng)駕駛?cè)藛T行駛到隧道出口附近,由于洞內(nèi)外亮度差會產(chǎn)生“白洞效應(yīng)”[1],這都將對行車安全造成影響。為減小這種現(xiàn)象對駕駛員的影響，隧道內(nèi)部的照明不僅要求有足夠的照度，而且需要按照一定的亮度曲線進(jìn)行設(shè)置。隧道照明系統(tǒng)主要由隧道中間段照明、入口段照明、過渡段照明、出口段照明、接近段減光設(shè)施、應(yīng)急照明以及洞外引道照明等組成[2]。通過對這些常規(guī)的隧道照明設(shè)施進(jìn)行智能控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)隧道照明的要求。

2 隧道照明智能化控制的實(shí)現(xiàn)方式

近年來，隨著LED照明燈具的發(fā)展，隧道LED照明已經(jīng)取代隧道熒光燈和隧道鈉燈，成為隧道的主照明。相對于傳統(tǒng)的隧道照明，LED燈具和調(diào)光電源的使用使得精細(xì)化的調(diào)光功能得以實(shí)現(xiàn)。結(jié)合安裝在隧道洞內(nèi)、洞外的光照度儀和光強(qiáng)度儀，洞內(nèi)的COVI傳感器與車輛檢測器，以及視頻分析數(shù)據(jù)的處理，使隧道內(nèi)的照度能夠按照理論的光亮度曲線進(jìn)行調(diào)光，提供駕駛?cè)藛T一個(gè)最為舒適的視覺效應(yīng)，另外在車輛通行較少的時(shí)間段，降低隧道內(nèi)照明，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

以上海在建的某隧道智能照明系統(tǒng)為例，分析整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)為分層分布式結(jié)構(gòu)：第一層是上海隧道照明上級管理機(jī)構(gòu)智能照明監(jiān)控系統(tǒng)，與隧道節(jié)點(diǎn)控制中心通過專網(wǎng)或4/5G專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；第二層是隧道內(nèi)部隧道照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與隧道照明現(xiàn)場控制器通過隧道內(nèi)部敷設(shè)的光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信，亦或可以通過設(shè)置在隧道內(nèi)部的4/5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；第三層是現(xiàn)場智能照明控制層，包括現(xiàn)場控制單元、調(diào)光電源和照明燈具。整個(gè)隧道照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧道照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

按照目前通用的調(diào)光模式，隧道內(nèi)智能照明的控制結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)一步細(xì)分，有以下幾種模式：①采用0～10 V調(diào)光;②采用總線形式調(diào)光；③PWM調(diào)光。0～10 V和總線形式調(diào)光模式目前在隧道調(diào)光中得到應(yīng)用，都有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

0～10 V調(diào)光是一種模擬調(diào)光方式，具有簡單可靠、生產(chǎn)成本低和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，但也受到傳輸距離的限制。由于對應(yīng)的0～10 V 電壓在線路上產(chǎn)生壓降，長距離傳輸可能導(dǎo)致調(diào)光不勻，因此一般應(yīng)用在較短的距離范圍內(nèi)。

總線形式調(diào)光一般采用DALI協(xié)議進(jìn)行調(diào)光，該協(xié)議是一種開放式的國際標(biāo)準(zhǔn)照明控制通信協(xié)議。通信方式采用半雙工，速率為1 200 Bps, DALI 可以通過最大64個(gè)短地址和16個(gè)組地址構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),一個(gè)主機(jī)可以控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī),以半雙工方式進(jìn)行通信[3]。DALI協(xié)議控制方式相對于0～10 V調(diào)光有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是：在具體實(shí)施中，對總線的線材要求不高，不必采用屏蔽雙絞線或?qū)Ｓ玫耐ㄐ烹娎|；調(diào)光可以控制到每個(gè)LED燈，對燈具按預(yù)設(shè)的模式進(jìn)行編組調(diào)光，結(jié)合隧道內(nèi)外的傳感器可以做到按需控制，調(diào)光可以實(shí)現(xiàn)過程平滑和燈光無閃爍。 缺點(diǎn)是：電源成本較高，各個(gè)廠家的產(chǎn)品互換性可能存在問題。

針對上述調(diào)光方式，可在隧道內(nèi)按以下兩個(gè)方案進(jìn)行建設(shè)。

方案一，應(yīng)用0～10 V調(diào)光方式進(jìn)行調(diào)光控制，如圖2所示。

圖2 智慧隧道照明整體解決方案一(智慧獨(dú)立方案)

該方案是一個(gè)完整的低成本和高智能化的一體化方案。方案的優(yōu)點(diǎn)在于支持各種類型的隧道燈，支持0～10 V調(diào)光功能，同時(shí)在新建隧道時(shí)，可按照三相平衡的原則進(jìn)行安裝應(yīng)用。利用T-LCU的用電監(jiān)測能力，可以實(shí)現(xiàn)每一組LED燈具的在線監(jiān)測，如一組控制10盞50 W LED燈具，那么利用T-LCU的電參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。如果檢測到功率下降或電流下降，就可以計(jì)算出整條回路中有幾盞燈故障，方便后期隧道的管理養(yǎng)護(hù)工作。通過光纖環(huán)網(wǎng)連接的所有T-ACU區(qū)域控制器，全部接入到隧道機(jī)房內(nèi)的智能照明控制中心，形成隧道端的監(jiān)控子平臺，并遵循DG/TJ 08—2296—2019《道路照明設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中平臺與隧道內(nèi)子平臺之間的互通互聯(lián)方式。隧道端的監(jiān)控子平臺與上級行業(yè)管理平臺之間通過專網(wǎng)或4/5G網(wǎng)絡(luò)，采用VPN等方式連接。

方案二：應(yīng)用DALI總線調(diào)光方式進(jìn)行調(diào)光控制，如圖3所示。

圖3 智慧隧道照明整體解決方案二(單燈獨(dú)立方案)

該方案是一個(gè)完整的高成本和高智能化的一體化方案。利用總線區(qū)域集中控制器將隧道內(nèi)的照明分為多個(gè)區(qū)段，通過總線實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能，獨(dú)立控制到每一個(gè)燈具，每個(gè)總線區(qū)域集中器可以管理多個(gè)單燈控制器；為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和時(shí)效性，單燈控制器數(shù)量不超過50個(gè)為宜。同時(shí)利用集中器自身自帶的邏輯業(yè)務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對所管轄的所有單燈控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)時(shí)分析，并將信息主動(dòng)上報(bào)T-ACU；利用T-LCU的用電監(jiān)測能力，實(shí)現(xiàn)每一盞LED燈具的在線監(jiān)測。通過光纖環(huán)網(wǎng)連接的所有T-ACU區(qū)域控制器，全部接入到隧道機(jī)房內(nèi)的智能照明控制中心，形成隧道端的監(jiān)控子平臺，并遵循DG/TJ 08—2296—2019標(biāo)準(zhǔn)中平臺與隧道內(nèi)子平臺之間的互通互聯(lián)方式。隧道端的監(jiān)控子平臺與上級行業(yè)管理平臺之間通過專網(wǎng)或4/5G網(wǎng)絡(luò)，采用VPN等方式連接。

以上兩種控制模式在上海隧道均得到應(yīng)用，智能照明系統(tǒng)的實(shí)施不僅為駕駛?cè)藛T提供了一個(gè)安全可靠的駕駛環(huán)境，提升了駕駛?cè)藛T的滿意度、舒適度及體驗(yàn)感，而且有效降低了事故的發(fā)生，為人民的安全出行提供保障。

在前文提到的某在建隧道，智能照明控制方式將采用方案一來實(shí)施隧道照明控制。

3 隧道智能化照明的功能

(1) 系統(tǒng)包括系統(tǒng)功能、控制方式、接口、控制設(shè)備和軟件要求等，能適應(yīng)隧道特殊的使用環(huán)境。

(2) 能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制、遠(yuǎn)方遙控或就地手動(dòng)控制的功能。

(3) 能夠根據(jù)隧道外部氣候條件、隧道內(nèi)平均車速和流量進(jìn)行照明亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié), 降低照明能耗。

(4) 實(shí)現(xiàn)隧道分段亮度調(diào)節(jié)的功能：按入口段、過渡段、隧道內(nèi)部、過渡段和出口段進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(5) 系統(tǒng)對LED隧道燈的控制采用0～10 V控制。

(6) 能夠根據(jù)時(shí)間、亮度和氣候等條件所設(shè)定的運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)試和控制，根據(jù)操作員的操作權(quán)限對系統(tǒng)時(shí)控和光控等模式進(jìn)行參數(shù)按需設(shè)置。

(7) 照明系統(tǒng)具有設(shè)備自動(dòng)診斷、巡檢功能以及現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，采集的設(shè)備信息包含：各個(gè)LED隧道燈組燈的亮度等級，LED隧道燈和調(diào)光電源的故障信息，燈具、電流、電壓和功率等監(jiān)測告警。

(8) LED隧道燈與控制系統(tǒng)失去通信時(shí)，延時(shí)10 min后，燈亮度自動(dòng)調(diào)到100%，保證故障時(shí)照明。

(9) 系統(tǒng)應(yīng)支持廣播和點(diǎn)播等多種通信，同時(shí)提供必要的網(wǎng)絡(luò)安全措施。系統(tǒng)軟件支持在線升級。

(10) 隧道 LED 照明控制系統(tǒng)應(yīng)以數(shù)據(jù)、圖形和圖像等方式顯示隧道內(nèi) LED 照明系統(tǒng)的運(yùn)行情況和控制模式等[4]。自動(dòng)按照預(yù)設(shè)的模式完成備份和數(shù)據(jù)文檔存儲，滿足管理方對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和形成報(bào)表的需求。對各類日報(bào)、月報(bào)和年報(bào)自動(dòng)進(jìn)行對比分析，對設(shè)備和線路的電壓和電流等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)設(shè)置權(quán)限管理。

(11) 當(dāng)隧道一旦發(fā)生火災(zāi),調(diào)光系統(tǒng)接收到FAS火災(zāi)報(bào)警信號,聯(lián)動(dòng)控制隧道所有LED隧道燈具100%光輸出。LED調(diào)光系統(tǒng)如發(fā)生故障，故障區(qū)域內(nèi)的LED隧道燈100%光輸出[5]。

(12) 系統(tǒng)應(yīng)滿足規(guī)范對電磁兼容和諧波的要求，不應(yīng)對隧道內(nèi)設(shè)備的供電質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時(shí)也不能對供電電網(wǎng)產(chǎn)生傷害。

(13) 為將來運(yùn)營管理考慮，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和平板電腦等設(shè)備的移動(dòng)巡檢。

4 結(jié)束語

在我國道路交通設(shè)施高速發(fā)展形勢下，智能化、人工AI技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析等創(chuàng)新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，改變了以往常規(guī)的隧道設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理運(yùn)營模式。隧道不再是一個(gè)簡單的交通通道，隧道內(nèi)照明也不僅僅只提供光照功能。在目前，大量的新技術(shù)和新產(chǎn)品在隧道內(nèi)的廣泛使用將促使隧道向智能化方向發(fā)展。為了提升隧道內(nèi)各類設(shè)備的使用效率，隧道監(jiān)控引入了綜合監(jiān)控系統(tǒng)，從而提升了整個(gè)隧道設(shè)備的綜合管理能力。借助綜合監(jiān)控系統(tǒng)完成隧道內(nèi)設(shè)備工作數(shù)據(jù)監(jiān)控采集，加強(qiáng)后臺對設(shè)備的操控能力，提升了隧道設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和安全性。隧道照明作為隧道建設(shè)和運(yùn)營所必需的基本系統(tǒng)，作為一個(gè)耗電大戶,其智能控制方式可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，為國家可持續(xù)發(fā)展提供助力。