高速公路隧道照明節(jié)能探索

李東玉 廖 江 王 帥 周 華 李良榮

（1.貴州大學 大數(shù)據(jù)與信息工程學院，貴州 貴陽550025；2.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學院 通信工程系，貴州 凱里556000）

《國家節(jié)能減排十二五規(guī)劃》中指出，突出抓好工業(yè)、建筑、交通與公共設(shè)施等重點領(lǐng)域和重點用能單位節(jié)能，大幅提高能源利用效率，有效減少主要污染物排放總量。高速公路作為交通和公共服務設(shè)施理應做好相應的節(jié)能減排工作。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國高速公路總長在2013年12月份已達到104468公里，位居世界第一位，其中新建高速公路8260公里[1]。據(jù)統(tǒng)計，2014年全國計劃新開工的高速公路共計96條，建設(shè)總里程達8150.76公里。從地區(qū)分布上看，新建項目主要集中于西部地區(qū)，建設(shè)里程達1742公里。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，預計到2015年，中國西部地區(qū)高速公路總里程將達到3.6萬公里[2]。

高速公路對國家的經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)至關(guān)重要。在我國西部山區(qū)，隧道和橋梁建設(shè)是高速公路建設(shè)的重要手段。要保證隧道行車安全，隧道照明實施是關(guān)鍵。根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細則》，以下簡稱《細則》，長度達100m以上的隧道都應設(shè)置照明[3]。山區(qū)地形、地質(zhì)、水文條件復雜，造成構(gòu)造物眾多，橋梁和隧道總長占路線長度的比例大，有些山區(qū)高速公路的橋隧比高達70%-80%[4]。而一些高速公路的車流量并不大（尤其是一些支線公路），為了行車安全24小時照明，浪費了很多能源。為響應國家節(jié)能減排的號召，隧道照明能耗問題成為隧道設(shè)計和建設(shè)過程中備受關(guān)注的一項重要內(nèi)容。

隧道是公路上的特殊路段，隧道內(nèi)外亮度變化極大，隧道入口處存在“黑洞效應”，影響駕駛員的視覺滯留時間，使其無法辨清道路狀況；隧道出口處存在“白洞效應”，對駕駛員產(chǎn)生強烈的炫光，會對視覺系統(tǒng)造成很大影響。國內(nèi)外相關(guān)資料表明，這些原因引發(fā)的交通事故比例較大[5-7]，為降低隧道照明能耗，提高隧道行車的安全性，急需在公路隧道內(nèi)設(shè)置合理的節(jié)能照明系統(tǒng)。

1 隧道照明要求

為提高高速公路隧道行車的安全性，降低或消除“黑洞效應”和“白洞效應”的影響，《細則》對隧道照明進行了相關(guān)規(guī)定。隧道照明系統(tǒng)分為入口段、過渡段、中間段和出口段，過渡段又劃分為三個小段。隧道內(nèi)各路段照明亮度要求如圖1實線所示。

圖1 隧道內(nèi)各路段亮度要求

1.1 入口段照明

隧道入口段的亮度根據(jù)隧道接近段亮度確定，計算公式：

式中Lth為入口段亮度，L20（s）即自然光采集器采集的隧道接近段亮度值，k為入口段亮度折減系數(shù)。k由行車速度、交通量共同決定，根據(jù)《細則》可知，k的最大值為0.045。

隧道入口段的長度計算公式為：

式中，Dth為入口段長度，Ds為停車視距，視距由設(shè)計的車速和洞口縱波決定，h為洞口內(nèi)凈空高度。

1.2 過渡段照明

《細則》建議將過渡段照明分為3個區(qū)段，各區(qū)段的亮度值是在入口段亮度值Lth的基礎(chǔ)上進行折減，折減系數(shù)分別為0.3、0.1和0.035。三段的亮度值分別用Ltr1、Ltr2和Ltr3表示，計算公式如下：

Ltr1=0.3LthLtr2=0.1LthLtr3=0.035Lth

過渡段的長度由設(shè)計的車速決定。《細則》提供了過渡段照明亮度與車速關(guān)系的CIE曲線，如圖2所示。關(guān)系表達式為：

式中，t為時間變量，是指車輛進入過渡段時開始計時，到達過渡段的某區(qū)段的時間，乘以車速即可得到該區(qū)段的長度。

圖2 過渡段照明亮度與車速的關(guān)系

1.3 中間段和出口段照明

中間段亮度宜取2cd/m2-15cd/m2，具體由車速、交通量和車道共同決定?！都殑t》規(guī)定，在單向交通隧道中，應設(shè)置出口段照明，照明亮度為中間段的5倍，長度一般取60m。

2 照明燈具

目前我國高速公路隧道照明系統(tǒng)多采用高壓鈉燈作為照明燈具，考慮維護系數(shù)等，通常要選用150W以上的高壓鈉燈，普遍存在過度照明的問題[8]。而在相同的視覺條件下，LED燈比高壓鈉燈節(jié)電60%-70%，光源利用率高，且光色更接近自然光。以貴州省貴陽市黔靈山隧道（長度1580m）為例，此隧道目前的照明燈具為300盞高壓鈉燈，且為長明狀態(tài)。在不改變燈具布局的前提下，把高壓鈉燈換為LED燈，年能耗比較結(jié)果如表1所示[9]。從表1可以看出，用LED燈具24小時照明可降低40%的能耗，以0.5元/度的電價計算，僅此隧道每年可節(jié)約7.9萬元的照明開支。

表1 高壓鈉燈與LED燈的年能耗比較

LED燈除了光源利用率高之外，它的色溫可以在4000K～7000K之間靈活選擇，顯像指數(shù)可達80以上。最突出的特點是LED燈不存在啟動延時問題，隨時接通隨時工作，非常適用于隧道燈的智能調(diào)節(jié)。LED燈還具有使用壽命長且無污染的優(yōu)點，是隧道照明的理想綠色光源。

有部分隧道將高壓鈉燈和LED燈混合使用。如秦嶺終南山公路隧道，該隧道被譽為“中國第一長隧”，全長18.02km，照明燈具分為用于基本照明的高壓鈉燈和用于加強照明的LED燈[10]。雖然各段照明亮度滿足《細則》要求，很大程度上降低了隧道行車的安全隱患，但照明方式并非智能方式，每年的能耗是巨大的。

3 照明方式

目前我國高速公路隧道照明系統(tǒng)普遍采用長明燈的照明方式，能夠?qū)崿F(xiàn)的自動控制非常有限，這種傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)存在能源浪費問題[11]。如陜西西漢高速公路隧道全年照明電費接近2300萬元[12]。部分隧道采取人工或時序控制方式，但人工控制方式存在人為的差異性，并存在距離上誤判可能，且人員方面也需要不小的開支。時序控制是每季度確定一個時間表自動按時控制，此控制方式雖然有一定的智能性，減少了人員開支，但只實現(xiàn)了照明亮度隨季節(jié)變化的功能。若有時天氣變陰，天空很快就暗下來，這種情況照明系統(tǒng)無法做出相應調(diào)整，對隧道內(nèi)行車會產(chǎn)生不利影響。為解決以上兩種控制方式的弊端，使隧道照明達到節(jié)能、安全的效果，需要一種“車近燈亮、車過燈滅、智能調(diào)光”的隧道智能照明系統(tǒng)。

為了使隧道內(nèi)部的亮度隨外界亮度實時改變，需要在洞口接近段放置自然光采集傳感器，隨時采集洞口亮度，用作隧道內(nèi)部亮度調(diào)節(jié)的依據(jù)，這樣可以消除洞口的“黑洞效應”帶來的安全隱患。在隧道內(nèi)部安裝通行傳感器，當某位置的傳感器檢測到所在區(qū)域有車輛通行時，車輛所在位置前后路段的燈亮；當檢測不到所在路段有車輛通行時，所在路段的燈滅。如圖3所示，當車輛行至路段1時，隧道路段1和2的燈亮，當車輛行至路段2時，隧道路段2和3的燈亮，同時路段1的燈滅。以此類推，車輛行駛于隧道內(nèi)任意位置，只有車前后一段距離的燈亮，在外界看來，就像一條“光亮帶”引導車輛在隧道內(nèi)行駛，從而實現(xiàn)隧道照明智能節(jié)能的效果。

圖3 照明方式設(shè)計

4 設(shè)計方案

現(xiàn)介紹一種智能照明系統(tǒng)，其設(shè)計架構(gòu)如圖4所示，圖中的虛線框表示隧道內(nèi)部，燈具控制器為信息處理單元。當車輛行駛接近隧道，燈具控制器1的車輛檢測傳感器檢測到車輛時，燈具控制器1開啟，燈具控制器1接收來自隧道外的控制信號（Lth），經(jīng)過控制器的信息處理單元，產(chǎn)生用于控制LED亮度的PWM信號，同時將L th及路段信息輸出至燈具控制器2。當車輛行駛至燈具控制器2的車輛檢測范圍時，燈具控制器2開始工作，工作流程和燈具控制器1相同。當車輛行駛至隧道內(nèi)，駛出燈具控制器1的車輛檢測范圍，同時也沒有車輛再次駛?cè)胲囕v檢測范圍時，燈具控制器1停止工作，所在路段的LED燈滅，從而實現(xiàn)智能照明。

圖4 智能照明系統(tǒng)架構(gòu)

隧道內(nèi)環(huán)境復雜，汽車尾氣、煙塵等都會影響LED燈光線的傳播，致使地面的亮度小于實際要求，故需要引入照度傳感器實時監(jiān)測隧道內(nèi)的亮度，將檢測到的亮度值反饋給控制器1的信號處理單元。燈具控制器1對接收到的控制信號及照度傳感器傳來的信號進行綜合處理，使輸出PWM信號的占空比做出相應改變，這是隧道內(nèi)部亮度的自適應調(diào)節(jié)過程，這樣無論隧道內(nèi)的環(huán)境多么惡劣，隧道內(nèi)的亮度都能達到指定要求。

經(jīng)查閱大量文獻發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)研究的大部分智能照明系統(tǒng)中各路段的長度都是確定的，過渡段采取三段式照明。這樣設(shè)計雖然符合《細則》對各段的照明要求，但考慮到隧道行車的安全性，各段長度均按照隧道行車的最大速度設(shè)計。當有低速車輛通過隧道時，適應距離明顯縮短，而各區(qū)段長度是固定的，使隧道內(nèi)仍存在不必要的能源浪費。且三段式照明方式仍存在較大的照度梯度，會降低行車時駕駛員視覺上的舒適性。

為實現(xiàn)隧道最大程度的節(jié)能，同時提高駕駛員視覺上的舒適性，隧道內(nèi)的部分控制器需引入由雷達測速儀組成的測速模塊。選取對應路段的最大行車速度，并將此速度信息加入到控制器間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中。當控制器接入測速模塊時，信號處理單元按照測速模塊的數(shù)據(jù)進行處理，否則按照上級控制器的速度進行信息處理。隧道內(nèi)控制器間距也要做出相應規(guī)定，如規(guī)定隧道內(nèi)燈具控制器間距為10m，各控制器可以根據(jù)段位信息計算出其在對應區(qū)段的位置。對于入口段照明中的亮度折減系數(shù)k與停車視距Ds，可以根據(jù)入口段行車的最高車速v，依據(jù)《細則》的要求進行插值，這樣入口段長度及照度值的自動調(diào)節(jié)將取決于最高車速v。當控制器接收到過渡段的數(shù)據(jù)時，各控制器可根據(jù)段位信息計算出其距過渡段初始處的距離s，再根據(jù)過渡段的行車最高速度v，計算出圖2中的橫坐標，t=s/v，從而得出段位照度值。當亮度信號在2cd/m2～15cd/m2之間時，系統(tǒng)自動切換到中間段照明，具體數(shù)值依然根據(jù)《細則》進行插值，這樣隧道內(nèi)各段位LED燈的照度值L成為關(guān)于最高速度v的函數(shù)。當隧道內(nèi)行車最高速度變化時，各區(qū)段的長度及各段位的照度值都會隨之變化，既能提高隧道內(nèi)個別高速車輛行駛的安全性，又避免隧道內(nèi)車輛均為低速時造成能源浪費，可進一步提高隧道照明的智能節(jié)能效果。

5 結(jié)語

本文就照明燈具和照明方式兩個方面介紹了隧道節(jié)能措施，選用大功率LED燈及智能的照明方式，不僅可以使隧道照明具有良好的節(jié)能效果，而且能在很大程度上提高行車的安全性。特別是在交通量較少的夜間，可避免隧道內(nèi)無車輛行駛時的無效照明。另外，論文的系統(tǒng)設(shè)計部分提出一種新穎的智能系統(tǒng)，和目前大部分學者研究的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的節(jié)能性與安全性進一步提高。隧道內(nèi)環(huán)境復雜，可能會造成照明系統(tǒng)中某單元損壞。若在系統(tǒng)中配置GSM模塊，將隧道內(nèi)的各項數(shù)據(jù)信息實時反饋到監(jiān)控中心，當隧道照明系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，便可以馬上派相關(guān)人員進行檢修。這種隧道照明遠程監(jiān)控功能是今后研究的重點，也是隧道照明更加智能的一個研究方向。

［1］中國高速公路總里程突破10萬公里，高居世界第一［EB/OL］.http://www.phbang.cn/general/143172.html.

［2］西 部高速路2015年將達3.6萬 公 里［EB/OL］.http://www.keyunzhan.com/knews-102324/.

［3］JTG/TD70/2-01—2014.公路隧道照明設(shè)計細則［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［4］韋龍林.淺析山區(qū)高速公路橋梁施工特點及技術(shù)［J］.中國科技博覽，2010（26）：304.

［5］馬聰.云南省高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應用研究［D］.重慶：重慶交通大學，2011.

［6］張生瑞，馬壯林，高速公路隧道交通環(huán)境評價指標體系［J］.長安大學學報：自然科學版，2006，26（2）：77-80.

［7］Dumbuya A D，Wood R L，Visual perceptionmodeling for intelligent virtualdriver agents in syntheticdriving simulation［J］.Journal of Experimental&Theoretical Artificial Intelligence，2003，15（1）：73-102.

［8］李丹丹.隧道照明智能控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.價值工程，2012，33（2）：102-103.

［9］潘鳴，李良榮.基于LED的隧道智能照明技術(shù)方案研究［J］.電子設(shè)計工程，2011，19（22）：157-159.

［10］王青錄.秦嶺終南山公路隧道照明系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國交通信息化，2011（4）：113-114.

［11］龔貽華.城市隧道照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

［12］陳忠良.淺談隧道照明節(jié)能控制及安全監(jiān)控方案［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46（3）：105-111.