高速公路隧道照明监控系统的研究.docx

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高速公路隧道照明监控系统的研究

高速公路隧道照明监控系统的研究

湖南稀土新能源材料有限责任公司照明事业部

2014-4-22

高速公路隧道照明监控系统的研究

一、研究意义

随着国家基础设施的大力发展，尤其是公路交通建设步伐的加快，高速公路隧道越来越多，长、大隧道的数量也在不断增加。

随着公路隧道建设的发展，对隧道照明、监控等方面提出了越来越多的要求，新的技术手段不断的被应用到隧道的建设中。

而这些先进手段的应用大大的提高了隧道的节能性、可维护性和安全性。

目前公路隧道由于采用传统照明产品，约有80％的能耗被浪费掉了。

长期以来，隧道照明节能主要是从提高光源光效、优化系统设计、加强能耗管理等方面入手，这在一定程度上起到了较好地节能效果；但如果要在这传统的节能基础上再节能50%，传统的方式是无法实现的。

传统照明与智能化无级调光照明两者节能方式不同，因此节能效果也大相径庭。

前者由于亮度不可控，因此完全依靠提高灯具光效来实现节能，这种简单的节能方式现在已没有太大的节能空间；如果想节能10个百分点，就需要用户付出更多地代价。

而后者通过智能化无级调光，实现按需照明，为隧道照明节能打开了一片广阔的空间。

我们通过将LED智能化无级调光照明系统及道路流量监测和闭路电视监控等系统有机的组合一个完整的系统，协调控制。

我们的方案在张家界老木峪隧道通过了理论和实践的检验，成功的将大部分电能节省下来，达到比改造前节能60%-70%的水平。

目前国内很多隧道都配备了隧道监控系统。

隧道监控系统能及时的采集路段内的各种信息，充分的利用隧道资源处理各种突发事件、保障交通安全。

公路隧道监控系统能够通过采集隧道内的各种信息获取隧道的运行状态，并对其采集的数据进行分析、判断、决策，根据分析的结果采取相应的控制措施，保障隧道内车辆的平稳、安全运行。

隧道照明监控管理系统的关键是集中的管理和监控，隧道监控系统是一个比较复杂的集成系统，由照明监控系统、通风系统、闭路电视监控系统、火灾报警系统、交通控制系统、供电系统和消防系统七个子系统等组成。

隧道监控管理系统对各个系统进行综合，协调各个系统的顺利运行，并对各个系统中出现的紧急情况，进行处理，并可以人为的干预各个系统的运行，重新设计运行参数等。

一个优秀的隧道监控管理系统，可以提高隧道营运的科学管理水平，增强各个部门对于隧道内异常事件的处理能力，保证隧道营运的高效、节能，大大的降低运营成本，综合提高整个隧道运行的经济效益和社会效益。

二、国内隧道监控发展状况

在国内，近年来随着交通的发展，隧道监控系统也采用了大量先进的技术，监控水平和运营经济性得到了很大的提高，但就目前而言，国内隧道监控系统还存在以下的一些问题：

①目前公路隧道由于基本上采用传统照明产品，比如高压钠灯和高压汞灯，约有80％的能耗被浪费掉了。

且使用寿命短，维护成本高。

②缺乏对隧道各系统功能需求进行系统研究，对系统可靠性要求、环境设备要求缺乏研究。

各系统各自独立，造成隧道的各系统功能不完善、可靠性低，系统经常处于半失效状态。

③由于各系统各自独立，大多数隧道采用的集散式布线复杂、施工困难、维修养护不便、可靠性差、效率低、管线长、投资高。

④监控系统智能化水平较低，通风控制仅以CO2浓度与能见度为控制参数，没有考虑交通状态。

④设备运转平衡及节能问题考虑不足，增加了隧道运营费用，增加了设备维护难度。

⑤火灾报警系统效果不理想，很多隧道运营不久系统就处于瘫痪状态，一些隧道已拆除既有的火灾报警系统，更新为感温光纤火灾报警系统。

三、麓山智能化照明监控系统简介

高速公路隧道是高速公路路网的咽喉地段，极易发生交通事故和交通阻塞。

对于高速公路隧道的照明监控方案主要考虑隧道的进口、中间段、出口处的照明控制、实时图像状况、隧道内车流量和流速检测、通风设备工作状态检测、电力设备参数检测等环节；照明监控系统大致可分为：

照明监控系统、通风系统、闭路电视监控系统、火灾报警系统、交通控制系统、供电系统和消防系统七个子系统。

为了降低能耗，消除浪费，我们需要让调光越精细越好；为了实现调光，通过将LED智能化无级调光照明系统及道路流量监测和闭路电视监控等系统有机的组合一个完整的系统，协调控制。

随着LED灯具的运用普及，在公路隧道照明领域产生了可喜的节能效果。

如用于隧道基本和应急照明，通常可节能30-50％，但用于加强照明，其节能幅度仅有约25％。

通过我们不懈努力，研发了一种新兴的亮度可控型LED无级调光隧道灯。

它的问世，为智能化的无级调光照明奠定了基础。

我们再将照明监控系统、通风系统、闭路电视监控系统、交通控制系统、供电系统和消防系统等系统进行综合，信息在各个系统共享，并对各个系统中出现的紧急情况，进行处理，并可以人为的在现场和通过互联网远程进行干预各个系统的运行，调整运行参数等。

保证隧道营运的高效、节能，大大的降低运营成本，综合提高整个隧道运行的经济效益和社会效益。

2103年底，在张家界老木峪隧道实施了LED智能化无级调光照明，通风系统、闭路电视监控系统、交通控制系统的改造，各项指标均达到设计水平，各项功能均能有效实现，均取得了满意的节能和控制效果。

通过一个月的比对测试，达到比改造前节能67.6%的水平。

而且可以远程操作控制、远程隧道图像监控。

麓山智能化照明监控系统具有以下特点：

①系统集成性--是集计算机技术、计算机网络通信技术、自动控制技术、微电子技术、数据库技术和系统集成技术于一体的现代控制系统。

②智能化--具有实时数据信息采集、数据统计分析、数据存储及报表输出、智能分析推理及反馈控制等智能特征的控制系统。

③网络化--传统的照明控制系统大都是独立的、本地的、局部的系统，不需要利用专门的网络进行连接，而智能照明控制系统可以是大范围的控制系统，具有远程监控功能，需要包括硬件技术和软件技术的计算机网络通信技术支持，以进行必要的控制信息交换和通信。

④来车检测：

能自动检测路段是否有车经过，根据情况自动调节路灯照明亮度，可以进行来车数量统计，节能率统计，以达到节能效果，可以完成以下功能：

对视频设备进行管理，包括新建、删除、修改、查看、导出视频设备信息角色管理。

对道路区间进行管理，包括新建、删除、修改、查询、导出道路区间信息，同时对区间可执行开启监控和关闭监控功能。

对区间进行控制策略配置，包括新建、删除、修改、查询、导出配置信息，配置策略主要有开灯、调光、回路控制设置。

查看操作的日志信息，包括用户对视频设备、道路区间等操作的信息。

使用方便--由于各种控制信息可以以图形化的形式显示，所以控制方便，显示直观，并可以利用编程的方法灵活改变照明效果。

各个系统功能介绍：

※照明监测控制子系统

车辆进入隧道的过程是一个从明亮进入黑洞，又从黑洞走向明亮的过程。

而晚上情况又刚好相反，如果人眼变化过程时间太短，人眼的视觉功能不能立即适应，在进入隧道内往往会产生“黑洞效应”，快速驶出时又容易产生“白洞”效应，驾车人看不清路面上的交通情况，极易发生交通事故。

因此，在隧道内各段采用不同强度的照明来改善隧道内的光照及其分布，创造洞内良好的工作视觉环境，确保在白天和夜间行驶的车辆以设计速度能够安全地通过，保证隧道的正常运营，就是隧道照明控制系统要解决的问题。

同时隧道照明也是隧道运营费用中最大的日常开支项目之一，安全、舒适又经济节能的照明技术正是我们需要达到的目的。

照明系统设备主要包括用于引道洞口检测器（车辆、光强）、用于洞内照明的隧道灯、亮度检测器、智能照明控制器、PLC、继电器、耐火或阻燃电缆等，从主控机上可控制和观察到洞口灯的开关情况。

适于图如下：

系统特点：

该套系统采用麓山照明先进的技术，能够实现单灯或组控、群控的控制，可以通过服务中心下发的命令，执行相关的命令。

并且可以对光源进行灯功率、工作状态等进行检测，上传至服务中心，以实现智能控制与节能。

同时还可以通过不定时上报数据，实现对灯具的巡检，监控灯具的开、关和亮度，从而显著延长灯具的有效寿命，减少灯具更换次数，节省运营成本。

☆照明策略管理：

综合考虑和分析与道路照明密切相关的时间、路段、环境照度等因素，制定照明策略，按照预设的控制策略，对隧道道路照明进行动态智能化管理，控制隧道灯（精确到单灯）在不同情况下实现多样化的道路照明场景，从而在提高照明质量的同时获得最佳的节能效果；

☆控制系统中的每个回路具有计量功能，通过RS485通讯、网络等方式来实现远传数据，远程或就地自动调光实现节能控制；控制系统将每个回路的用电量最终传输到相应能源监管平台控制室,可自动生成用电量日报表、月报表和年报表，并可与能源监管平台对接。

☆回路过载自动保护功能，不影响、不损坏任何设备及灯具。

☆故障报警：

路灯故障是即时自动将照明设备故障系统上报业务系统，业务系统根据报警信息类型通过短信预警、邮件预警等方式提醒；

☆现场管理功能

☆预设管理功能

※通风检测控制系统

隧道通风控制系统直接决定隧道行车安全性和舒适性,起到稀释有害气体和污染物质浓度的作用,对隧道的行车安全、运营管理质量以及隧道的运营成本有直接影响。

在隧道内，由于其结构相对封闭，加之行驶经过的车辆排放出大量含有有害物质的粉尘和尾气，因此对视线和环境污染较为严重，尤其对于长大隧道而言更是如此，目前国内大多数隧道内的通风系统采用的是定流量继电器恒流控制系统。

这种系统虽然简便，但是不能根据车流、照度及其它突发事件进行通风，耗能大，而且故障率高，不易发现问题。

为此必须采取措施，保证隧道内的环境状况能够长期维持在安全水平之上。

故隧道设置通风设备及相应控制系统。

通风照明检测控制系统的控制对象为隧道内设置的风机及照明装置，一个良好的通风控制系统必须在满足隧道内空气净化标准的情况下,尽量减少风机开启台数,并尽量减少风机的频繁启停,因此其控制任务是寻找启动风机的最小数目,使得CO浓度和烟雾透过率满足要求。

在一定风量变化范围内,可以进行转速调节进而控制风量,以达到节能的目的。

在转速调节无法满足风量变化时,应该增加启动风机的组数,当车流量较小时所启动的风机组数应该少些,在车流量很少时可以不启动风机。

工作原理：

系统可以通过CO检测仪、环行线圈检测器（车辆检测计）以及火灾报警系统的数据，决定打开或关闭风机。

操作员可根据情况通过主控计算机打开风机，进行通风。

出于对设备的保护，同组两个风机之间应延时20秒。

通风照明检测控制系统提供手动和自动两种控制方式，但因其中的通风控制计算较为复杂，故一般以自动方式为主。

例如老木峪隧道中车流量与风机运行关系：

A、当隧道内车数量在1-29辆，风机以20HZ频率运行 

B、当隧道内车数量在30-59辆，风机以25HZ运行 

C、当隧道内车数量在60-89辆，风机以35HZ运行

D、当隧道内车数量在90-120辆，风机以40HZ运行 

E、当车数量大于120辆，在触摸屏上显示报警信号，表明隧道内发生堵塞，且各组主副电机同时全速50HZ运行

系统特点：

☆本系统具有对通风机的电动机启动与运行，进行监控、联锁和过热保护等功能。

系统与车流量、烟尘、CO传感器以及温度传感器配合使用，提高了设备的运转效率，也使通风机运行的故障率大大降低。

☆具有现场控制方式、状态显示以及故障报警等功能。

☆系统的监控及控制均在电脑上进行。

☆具有延时启动和电子过流保护。

☆当隧道内因烟尘或大雾，造成能见度降低，各组风机以全速50HZ运行，直到环境恢复正常，并显示报警。

☆各组主副风机如有一台发生故障，另一台自动投入运行。

※隧道闭路电视监控系统设计

高速公路隧道网络视频监控系统的建立，可实施高速公路咽喉地段交通流量和交通运行监视，对关键路段实施交通适时控制，及时发现各种异常情况并采取应急措施，以确保高速公路高速、安全、舒适、经济地运营。

在道路的视频信息给交通管理部门提供了及时的、关键的、可靠的信息，帮助交管部门做出突发事件应急处理等关键性决策的同时，作为交通决策支持系统的关键信息源——视频信息还必须在各决策部门中共享。

视频服务器对前端监控点摄像机采集的由矩阵回路输出的视频信号进行编码压缩处理后，将各类数据信号上传到分控中心局域网，再经交换机通过广域网上传至监控中心安装有监控服务器端软件的主监控系统服务器。

分控中心设置一台监控主机，安装客户端监控软件，监控管理员，由系统管理员授权，通过软件对前端监控摄像机、云台进行监视浏览及遥控操作。

整个网络采用光传输系统，稳定可靠、抗干扰能力强。

并且指定使用单路光端机实现传输功能，为了保证图像传输的质量，避免光纤色散和光纤回波干扰的问题和背靠背造成的视频衰减，1路视频+1路数据光端机传输1路视频和1路环境监控数据。

隧道监控系统的整体结构示意图

系统设计思路：

在隧道的广场、进口、中间段、出口处分别布设两组车辆检测器和高清摄像机；

在隧道入口处设置一个可变限速标志和一个可变情报板，用于控制进入隧道的车流量，以避免或排除隧道内交通阻塞，引导车辆运行，并当突发事件发生时关闭隧道；

为防止发生隧道内一氧化碳中毒现象，需设置检测隧道通风和照明情况的相关设备，并将检测情况反馈给系统主机，与照明系统和通风系统联动；

在隧道入口处安装隧道控制器，它接受来自于车辆检测器、通风设备和电力设备工作状态检测到的数据，并将这些数据进行综合处理后上传监控分中心，由监控分中心作出控制方案后，驱动可变情报板和可变限速标志，进行交通控制和诱导；

※可变情报板显示系统可变情报板显示系统：

中控室内设有24小时值班人员，可根据当时的情况编辑和发送交通信息、运营指令、路面情况和气象资料，同时可将多幅信息缓存、循环播放，每幅信息的显示顺序及停留时间均可由监控人员决定，另外还可根据环境光亮自动选择三档发光亮度。

※行车调度指挥子系统

为控制和引导隧道的过往客货列车，保证隧道中的行车安全与畅通，在隧道设置行车调度指挥系统。

由一套行车调度指挥系统同时对两个单线隧道实行监控，以节约系统的建设与运营成本。

当检测出隧道内发生事故或火灾时，自动开启隧道内区域控制机，信号指示灯显示禁行信号。

同时两隧道洞入口信号机显示禁行信号，阻止后续列车进入隧道。

※火灾报警、消防子系统

隧道内消防系统考虑自动消防，消防总管自隧道外消防池分别引入两个单线隧道，隧道内消防管采用钢管，沿隧道两侧布置。

自喷系统在左、右线隧道内各设立4个定点消防点，每处设置消防长度为600米，每50米为一个消防单元，每个定点消防点由I个电磁阀控制，发生灾害时，根据火灾情况开启相应消防单元内的电磁阀喷淋灭火。

※供配电系统

用于对中心及外场设备的电能供应与分配，主要包括不间断供电电源（UPS）、电力稳压器、配电箱（柜）、供电电缆等，对于系统规模较大、组成较复杂的往往还配置有电力监控自动化系统用于对供配电设备运行状态的遥测、遥信与遥控。

※系统组网方式

各个隧道灯通过RS485接口和控制主机连接，进行数据交换，各个摄像机监控点通过光纤设备与控制主机连接，各监控点的光纤设备提供多种信号接口，以便采集隧道的实时状况，控制主机通过以太网接口上传至监控中心。

或者要求监控点或分控中心和监控中心通过广域网相连。

监控点的图像经视频服务器通过以太网经过各级路由器、交换机或HUB上传至监控中心。

控制主机还应对上述过程中收到或产生的各种数据、信息进行记录，存储于本机硬盘中并可通过刻录机备份至光盘，或进行相反的数据恢复。

四、效益分析

通过麓山智能化照明监控系统的建设，预计将在以下几方面产生巨大的社会及经济效益。

※帮助实现节能减排

麓山智能化照明监控系统采用先进的节电设备和完善的电力方案来节省有限的电力使用量，节能率高达60%以上，在不增加额外能耗情况下对隧道灯进行分组控制，实现分时间、分路段、分情景控制，达到绿色节能。

※符合政府大力发展LED、物联网等新兴产业战略的要求

麓山智能化照明监控系统采用基于互联网技术的公共管理平台，结合了LED等高新技术，促进了这些新兴产业的发展。

※满足政府的改进城市建设要求

麓山智能化照明监控系统还可以提升政府的服务质量，对智慧路灯、隧道灯的成熟发展产生积极的推动作用。

它能够及时反映现场和远程低压网络的整体信息，进行运转监测。

※帮助提升隧道运营管理效率

麓山智能化照明监控系统大大提高了隧道照明的易管理性，有效降低电力部门的运营成本及供电成本，促进电力信息一体化的建设，从而改善电力部门的服务质量，提高电力部门的竞争力。

预期效果

麓山智能化照明监控系统项目建设完成后，将显著提高高速公路公共照明设施的管理水平，全面推进公共照明设施的智能化建设。

项目建设前后效果对比如下：

表1系统建设前后效果分析

系统特点

建设之前

建设之后

节能环保

隧道灯全天亮灯，且24小时都以最高亮度照明，浪费了大量的电能

根据设定的条件自动调节隧道灯亮度；来车控制功能，车辆流量大时隧道灯亮度逐渐增强，采用本产品的智能调节方案，最高可节能70%以上；

智能化管理，故障自动诊断

人工定期巡查工作量大；隧道灯发生故障不能及时知晓

支持故障自动侦测、报警，具有实时数据信息采集、数据统计分析、数据存储及报表输出、智能分析推理及反馈控制等智能特征的控制系统

支持远程管理

各系统各自独立，造成隧道的各系统功能不完善、可靠性低，系统经常处于半失效状态。

智能照明控制系统可以是大范围的控制系统，具有远程监控功能，可以进行必要的控制信息交换和通信

实测节能数据-老木峪隧道（仅照明，不含通风系统节能）

对比

灯具种类、数量

开灯状态

电费/天

电费/年

节能率

节约标准煤（吨）/年

减排二氧化碳（吨）/年

改造前

250W高压钠灯36盏

100W高压钠灯32盏

70W金卤灯灯438盏

全天24小时

1067元

389470元

----

----

----

采用LED隧道灯

120WLED隧道灯36盏

60WLED隧道灯32盏

50WLED隧道灯438盏

全天24小时，全功率工作

675.3元

246500元

36.71%

57.19

142.54

采用智能隧道灯控制系统

120WLED隧道灯36盏

60WLED隧道灯32盏

50WLED隧道灯438盏

7:

00-19:

00亮度90%

19:

00-23:

00亮度75%

23:

00-02:

00亮度50%

02:

00-07:

00亮度30%

洞口照明根据天气自动调节

472.68元

172528元

55.7%

86.78

216.3

采用来车检测功能

120WLED隧道灯36盏

60WLED隧道灯32盏

50WLED隧道灯438盏

隧道内车数量在10辆以下，亮度50%；隧道内车数量在10-50辆，亮度75%；大于50辆按智能控制方案

345.72元

126188.3元

67.6%

105.3

262.5

电费标准：

1元/度，计算标准：

1度电=0.4千克“标准煤”=0.997千克“二氧化碳”

注1：

250W高压钠灯实际运行功率为290W（含镇流器功率）,100W高压钠灯实际运行功率为125W，70W金卤灯实际运行功率为90W。

注2：

以上仅照明部分节能，不含通风系统节能，如果计算通风智能控制（变频调速、开启台数等），节能更多。

五、实施方案

麓山智能化照明监控系统的实施包括以下三大部分内容：

1、根据路段已有隧道灯的情况（未安装隧道灯的新建隧道；已经安装高压钠灯的路段；已经安装LED灯的路段），对照明设施、通风系统、监控系统进行必要的升级改造，建立软硬件接口。

2、铺设通信控制线及光纤线缆。

构建节点控制器、集中控制器、车辆检测器等智能隧道灯系统，通过485控制器对每盏照明灯具进行监控，进而实现对照明灯具系统的智能化管理。

通过光端机对摄像机、各种检测器（车辆、光强、烟雾、CO检测仪）信号的传递与控制，实现隧道照明监控系统的智能控制。

3、安装后台管理软件，控制主机通过以太网接口上传至监控中心。

或者要求监控点或分控中心和监控中心通过广域网相连。

后台控制系统通过联网对每盏照明器进行监控管理，是大范围的控制系统，具有远程监控功能。

实施目标

组建由照明监控系统、通风系统、闭路电视监控系统、火灾报警系统、交通控制系统、供电系统和消防系统组成的隧道照明监控管理系统，协调各个系统的顺利运行，并对各个系统中出现的紧急情况，进行处理，并可以人为的干预各个系统的运行，可以提高隧道营运的科学管理水平，增强各个部门对于隧道内异常事件的处理能力，保证隧道营运的高效、节能，大大的降低运营成本，综合提高整个隧道运行的经济效益和社会效益。

构建一套隧道智慧照明系统的技术支持体系，形成最佳运营服务模式，为智慧化的道路建设做出示范性作用。

本项目具体建设目标如下：

●改变传统的隧道灯设施管理方式，将隧道照明系统智慧化，通过信息化管理的手段实现对隧道灯的智能控制，能够按需、按时的点亮每一盏隧道灯；

●通过智能照明监控系统实现对隧道照明的全局监控调节和远程控制，降低公共照明设施的维护难度和成本，并建立有效的预警机制；

●通过来车感应、亮度自动调节、CO监测及其它智能调节方案，有效地控制能源消耗，提高电能利用率，延长隧道灯使用寿命。

六、系统的技术支持及服务体系

湖南稀土新能源材料有限责任公司照明事业部

2014-4-22