照明设计论文

关键词：隧道; LED照明; 智能控制; 节能效果分析;

 

　　Analysis of energy saving effect of tunnel LED lighting intelligent control

 

　　Gao Jianshan

 

　　Shanxi Transportation Information and Communication Co.,Ltd.

 

　　Abstract：Combined with the tunnel engineering project,the tunnel LED lighting design and intelligent control mode are explained,and the energy-saving effect of intelligent control is analyzed. Explain the tunnel LED lighting design scheme,compare and analyze the technical advantages of intelligent control mode with traditional control mode. By collecting information such as tunnel traffic flow and external brightness of the tunnel,and carrying out energy-saving analysis,it is concluded that intelligent control can effectively save energy and improve economic benefits.

 

　　为了保证行车安全，隧道内部必须有足够的亮度。隧道照明需要耗费大量的电能，为了节约能源，近年来隧道照明选用高亮度低能耗的LED灯具。以往隧道照明控制采用人工控制模式，能耗较高。随着技术的进步，智能控制模式被应用到隧道照明控制中，可有效节约电能消耗，节能效果好。

 

　　1 工程概况

 

　　贵州省都匀至安顺公路第DAJD-1合同段，设计起讫点桩号为DYK0+053.255～DYK39+090，本合同段共有隧道8座，其中短隧道2座、中隧道6座，1 000 m以上的隧道2座，隧道内设计车速为80 km/h。为了保证隧道内部照明亮度，通过计算确定隧道引入段、过渡段、中间段、出口段照明灯具的类型、功率和数量。隧道LED照明灯具选用大品牌大功率白光产品，发光效率不低于105 lm/W。LED的色温范围应控制在5 000K±500，使用50 000 h光通量衰减不得超过30%。LED灯具辐射小，质量好，单只灯具损坏不会影响其他灯具照明。与其他灯具相比，LED照明亮度大、功率低，为了节约能源，提高运营管理经济效益，采用智能控制对隧道照明进行控制。

 

　　2 隧道照明设计方案

 

　　在保证行车安全和舒适性的前提下，根据JTG/T D70/2—01—2014公路隧道照明设计细则和技术标准，根据隧道的位置、地形、地貌等因素，开展隧道照明设计。以牛角寨隧道为例，在对交通量开展预测的前提下，牛角寨隧道内大功率LED灯具设计数量如下:变色温120 W LED灯具124套、变色温60 W LED灯具216套、30 W LED灯具566套，横洞及停车带用30 W LED灯具61套。诱导灯采用双面发光带6个LED灯，共317套，布置断面如图1所示。为了在隧道运营后节约用电，提高隧道运营效率，隧道照明管理采用智能控制系统。

 

　　3 隧道照明智能控制模式简介

 

　　智能控制可以根据隧道内部的亮度值对隧道照明亮度进行实时调整，LED等级照明亮度不会长时间保持在某一等级，进一步节约能源。尤其在夜间交流量突然增加的情况下，可有效保证行车安全。以往采用的高压钠灯亮度调节难度比较大，可调范围也比较小。如果采用自动控制需要将照明分级，对灯具进行排列组合，通过灯具的组合确定开关数量实现自动控制。然而，高压钠灯启动时间长，频繁开关也会缩短其使用寿命，所以通常几个小时才能调节一次。因此，这种控制模式并不能达到真正的实时控制。

 

　　以往的照明自动控制仅考虑了隧道内照明亮度，主要是通过分析隧道内部和外部的亮度检测值，调节隧道内部的照明亮度，使驾驶员能够尽快适应隧道内部和外部亮度变化，保证行车安全，但没有考虑交通量、车速等因素的影响。

 

　　照度和亮度是隧道照明计算的两个重要指标，但隧道内路面和障碍物的亮度是影响行车安全的关键。为了提高行车安全，在充分考虑隧道内照明亮度、照度、交通量、车速等因素的情况下，采用智能控制系统对隧道照明进行管理，智能控制流程如图2所示。

　　将隧道内交通量、车速、隧道外部亮度等变量输入控制系统，隧道外部亮度通过洞口的数码相机采集，交通量和车速通过环形线圈检测器采集。通过既定控制策略算法计算确定隧道内各路段的亮度值，通过智能控制系统实现各路段LED灯具照明的智能无级控制。智能控制系统可以根据隧道的交通情况和洞口天空亮度随时间的变化情况，确定各参数的更新时间间隔。如果隧道内部交通量变化较大，更新时间间隔就小，以满足不同交通流的照明要求。如果隧道洞口处的天空亮度随时间变化率较大，更新时间间隔可适当增大。隧道照明智能控制可以对隧道内部LED照明灯具亮度进行实时调节，节约能源，保证隧道安全、快速、经济运行。

 

　　4 智能控制节能效果分析

 

　　4.1 隧道外部亮度测试

 

　　隧道外部亮度测试可采用人工收集、在隧道洞外布置摄像机进行收集，用于与其他隧道照明控制模式进行对比分析，隧道外部平均照度测试结果见表1。本试验采用亮度采集器对隧道外部环境亮度进行测试，测试频率为每分钟检测一次，计算确定每小时的平均照度。由于夜间隧道外部照度为0，所以本次试验检测时间段为6点～18点的白天。本次试验光照度单位为lux，本地试验时间为9月，6点～7点和17点～18点照度相对较低，中午照度较高。

 

　　表1 隧道外部平均照度测试结果     

　　

 

　　4.2 隧道车流信息测试

 

　　文章以牛角寨隧道为研究对象，模拟分析确定车流量和行车速度，统计各时间段车流信息。 

 

　

　　分析表1，表2试验数据，隧道外部最大照度11 826 lux，出现在下午13点～14点，隧道内最大车流量出现在10点～11点，为987 veh/h，最大车速为80 km/h。白天车流量较大，夜间相对较少，车速相差不大。

 

　　4.3 智能控制节能分析

 

　　本试验亮度采集器布置在距LED灯具3 m左右的位置，白天隧道内部按照《细则》中亮度曲线进行照明，夜间按中间段亮度进行照明，记录数据作为节能分析的依据。车速按80 km/h，车流量按照实测值对应国家标准的最大值确定。智能控制模式通过对隧道外亮度、车流信息进行分析计算，确定调光信息，调节隧道内部LED灯具的亮度。模拟隧道人工控制和自动控制数据，将智能控制模式的电能消耗与其他两种模式进行对比分析，三种隧道照明控制模式电能消耗随时间变化曲线如图3所示。

 

　　分析图3所示三种隧道照明控制模式电能消耗各时段变化曲线，人工控制模式电能消耗最高，其中早6点～晚18点这个时间段电能消耗最高。自动控制模式和智能控制模式相比，智能控制模式电能消耗相对较低，节能效果良好。人工控制模式一天的电能消耗为48.753 k W·h，自动控制模式为24.610 k W·h，智能控制模式为17.968 k W·h，说明智能控制模式可有效节约电能，节能效果明显。

 

　　5 结语

 

　　结合都匀至安顺公路牛角寨隧道LED照明设计与施工实践，对隧道外部亮度、车流信息进行测试，对比进行节能效果分析，得出以下结论:

 

　　1)隧道白天车流量大，隧道内部照明电能消耗也较大，夜间车流量小，电能消耗也较少;

 

　　2)与隧道照明人工控制模式和自动控制模式相比，人工控制模式一天电能消耗最高，智能控制模式电能消耗最低，说明该模式可有效减少电能消耗，节能效果明显。

 

　　参考文献

 

　　[1]陈云勇,杨治攀.安全运营条件下长大公路隧道节能指标研究[J].公路交通技术,2019,35(1):134-139.

 

　　[2]刘彬,李娜,袁磊,等.高速公路隧道照明安全节能设计研究[J].华东公路,2017(4):40-42.

 

　　[3]杜志刚,徐弯弯,孟爽,等.基于视错觉的公路隧道环境改善研究新进展[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(2):185-190.

 

　　[4]刘英婴.公路隧道照明节能技术研究[J].灯与照明,2013,37(4):8-10,30.

 

　　照明设计论文第二篇：汽车滚装船车库照明设计

 

　　摘要：根据汽车滚装船的特殊结构以及货物类型，介绍其车库区域照明设计的思路、要点。在符合船级社规范的前提下，以满足船东实际使用需求为设计目标，通过照度仿真软件模拟验证，为汽车滚装船车库照明的设计，提供安全、经济、合理的解决方案。

 

　　关键词：滚装船; 车库; 照明设计; 照度仿真;

 

　　汽车滚装船是一种通过跳板采用滚装的方式装卸车辆的特殊船舶工程。因其具有很高的装卸效率，是一种开创性的新型海洋运输方式，在全世界范围内被广泛地应用。

 

　　为装载更多数量及种类的车辆，其结构大多设计成多层车辆甲板，甲板平整全通，上下层甲板之间用斜坡道或升降平台连通，便于车辆通行。同时为了能够装载不同高度的车辆，个别甲板层设置为可升降甲板，以便调节层高。在船艉和船舷侧各布置有一个艉门和边门用于车辆进出。由于其特殊的结构和货物类型，车库照明系统的设计也有其特殊性和复杂性，是整个照明系统设计的重点和难点。鉴于此，本文以8500PCTC汽车滚装船为实例，分别从灯具的选型、照明系统布置设计、系统控制以及照度模拟仿真阐述滚装船车库的照明设计。

 

　　1 灯具选型

 

　　1.1 灯具类型

 

　　汽车滚装船的车库是全通的，且层数较多。以8500PCTC滚装船为实例，其共有14层车库，虽然车库甲板随船的线型变化，长度和宽度略有偏差，但是其灯具数量达到近2000盏。对比2400TEU集装箱船，其全船灯具不到1000盏，可见滚装船车库灯具的数量之多。在海上航行模式下，占全船近6%的电力负荷。所以高效节能的灯具是首选方案，根据中国照明学会给出的电光源技术性能指标，如表1所示。

 

　　表1 不同电光源的技术性能指标     　

 

　　注：显色指数—对光源的显色性进行评价的定量参数。标准光源的显色指数为100，其他光源的指数均小于100；显色指数越低，被其照射的物体的颜色失真度越高。色温—当光源所发出的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度开（K）来表示。

 

　　很明显，普通荧光灯的发光效率是白炽灯的4倍以上，使用寿命也远超白炽灯。同时荧光灯比白炽灯更加节能。在相同照度要求下使用荧光灯，可以减少灯具使用的数量。另外车库内的坡道以及边门和艉门，由于这些位置的光源离坡道面较高，光靠荧光灯照度稍显不足，通常采用投光灯补充。从表1可以看出，由于高压钠灯比金属卤化物灯的性能更为出色，可以采用高压钠灯作为投光灯。滚装船车库灯具选型以荧光舱顶灯和高压钠投光灯为主。若对照度有更高的要求，亦可选择LED灯具，成本更高。

 

　　1.2 灯具安装形式

 

　　常规船只由于空间有限，灯具一般为螺丝固定安装，灯具内部自带减震附件。由于滚装船车库灯具数量众多且安装空间较大，所以在灯具选型时，可采用挂钩式（如图1所示）。这种安装方式同时也兼顾了船舶航行时的震动对灯具的影响，大大缩短了安装工期。

 

　　2 照明系统布置设计

 

　　2.1 设计原则

 

　　由于汽车滚装船车库装载的货物为汽车，汽车油箱内存有汽油，从消防安全角度考虑，整个车库要分隔成数个独立防火分区。8500PCTC滚装船根据结构划分，共分成5个气密区（1-4甲板、5-7甲板、8-9甲板、10-11甲板、12-14甲板），每个区相互独立。

 

　　根据CCS船级社要求，每一主竖防火区至少需有两路独立照明馈电线，其中一路可为应急照明馈电线[1]。车库每一分区要同时布置正常照明和应急照明回路。各分区的照明要相互独立，不能跨区。

 

　　2.2 车库危险区定义

 

　　根据船级社规范，由于车辆中存有汽油，汽油挥发的油气积聚导致车库区域成为危险区。当车库通风满足10次/小时换风次数时，气密甲板往上450 mm的空间区域为Zone 1危险区，450 mm以上则为Zone 2危险区，Zone 2危险区内的电气设备在通风满足的前提下，可以使用防护等级为IP55及以上的设备，可以不用防爆设备。当通风失效时，整个区域由于油气扩散变成Zone 1危险区，如果此时该区域内的电气设备仍要使用，则须选用适用于Zone 1区的防爆设备。

 

　　在满足规范的前提下，车库正常照明可以采用IP55及以上防护等级的灯具，不需要防爆。当通风失效时，普通的灯具不能用于危险区，应切断正常照明的电源。由于应急照明要求在应急情况下也能正常使用，即使在通风故障时也不应受影响，所以该部分灯具需采用防爆形式。图2为车库通风与危险区域关系的示意图。

 

　　2.3 分电箱的布置

 

　　由车库的危险区划分可见，车库内如果要布置电气设备，其要求设备的防护等级至少达到IP55，但是对于分电箱来说常规防护等级为IP44，而且根据船级社规范，货舱内的灯具应能在货舱外切断回路。正常照明和应急照明的分电箱不能安装在同一处所内，以避免发生火灾时，两个系统同时出现故障[1]。所以车库的照明分电箱应布置在车库外的梯道中（梯道为安全区），同时注意将应急照明分电箱和正常照明分电箱分置在不同梯道内。分电箱所在位置应靠近其控制的照明分区，便于管理。分电箱备用断路器数量为总量的10%[2]。

 

　　2.4 灯具布置

 

　　2.4.1 整体布置形式

 

　　车库区域为类似长方形区域，布置形式采用纵向并行布置的方式。同时要保证当正常照明故障后，应急照明能满足基本的光照要求，所以正常照明回路和应急照明回路应交叉布置；并保证在逃生路线上都有应急照明覆盖，应急出口处必须设应急灯[2]。用于坡道照明的投光灯布置在坡道两侧的立柱上。

 

　　2.4.2 活动甲板灯具布置

 

　　为了满足不同高度车辆的装载，部分车库的甲板为活动式，可以上下调整层高。安装在活动甲板上的灯具由于要跟随甲板上下活动，所以不能和别的灯具直接固定连接。通常在滚装船上采用螺旋电缆和导线装置。螺旋电缆装置布置在两块活动甲板之间的立柱上，通过接线盒与下一块活动甲板的灯具连接。如图3所示。

 

　　3 系统控制

 

　　车库的照明除了在对应分电箱上控制外，还要求在驾驶室或者在货控室/船舶办公室进行遥控。例如8500PCTC滚装船即按照规格书的要求，在船舶办公室安装遥控板。采用施耐德HMIGTO5310系统控制，该系统PLC通过串行接口RS485将所有车库分电箱模块连接起来，控制分电箱内的接触器动作，实现对应分组照明回路的通断。船员可以在船舶办公室HMI触摸屏面板上控制对应分区的照明。

 

　　当车库通风失效时，所有区域将成为Zone 1危险区，正常照明不能使用，需要切断。所以该系统提供与对应分组风机的连锁切断信号接口。即当得到某一分区的风机系统故障信号时，自动切断对应区域的正常照明。

 

　　HMI触摸屏界面设置成几个分组：主菜单、正常照明、应急照明、投光灯和报警页面。每个照明分组里都包含5个独立分区的控制按钮，可以控制照明的开关，并显示当前的状态。

 

　　4 照度模拟仿真

 

　　照明设计的最终目的是通过合理的灯具选型和布置，达到一定的照明要求。传统的船舶照明设计一般是根据设计者的经验和习惯进行灯具布置，但是对于汽车滚装船的一些特殊位置的灯具布置为了满足船东的照度要求，通常会进行一些照度计算。

 

　　现代船舶的照度计算，通常是利用计算机软件基于对船舶照明环境的建模，灯具参数的仿真，通过计算机云计算，从而得出照明设计的仿真效果图与照度参数，进而指导照明设计。

 

　　车库照明设计中，边门和艉门的照度是比较难把握的。边艉门的照明灯具因为没有侧面结构可以安装，只能安装在坡道的正前方。由于车辆装载时要从边艉门坡道开上船，如果灯具装的太低，光线直射司机眼睛，会影响驾驶；所以灯具只能安装在较高的甲板位置，加上室外复杂环境因素的影响，照明设计是否能够满足规定的照度要求，就很难根据经验或简单的计算来判断。此时就需要进行照度模拟仿真。

 

　　以8500PCTC滚装船艉门为例，艉门的照度要求为150lx。利用DIALUX照度仿真软件，采用4盏4个模块的LED投光灯（每个模块光通量为14856lm),2盏400W的高压钠灯（每盏光通量48000lm），结合投光灯的布置高度，艉门坡道的尺寸，模拟出坡道上的平均照度为154lx，满足船东150lx的要求。后经8500PCTC滚装船实船测量，艉门坡道上的平均照度为160lx左右，验证了仿真的结论以及照明设计的合理性。

 

　　5 结束语

 

　　汽车滚装船的照明设计重点和难点在车库照明设计，对于设计人员来说，应充分熟悉船级社的规范条款，确保照明设计安全规范的前提下，结合建造经验，努力使照明系统更加经济，控制更加便捷。跟踪并采用新的技术，例如使用最新的照度仿真软件，使照明设计更加贴合实船场景。

 

　　参考文献

 

　　[1] 中国船级社.钢质海船入级规范（2018）[S].北京：人民交通出版社，2018.

 

　　[2] 船舶设计实用手册：电气分册[M]. 3版.北京：国防工业出版社，2013.