淺談LED照明燈具在循隆高速公路隧道中的應用

原曉偉

(山西省交通建設工程監(jiān)理有限責任公司，山西 太原)

0 引言

青海省G310線循化至隆務峽公路位于青海省循化撒拉自治縣和化隆回族自治縣內(nèi)，是G310線連云港至共和公路的重要組成部分，項目全長40.464 km，橋隧比占54.3%，隧道9座共計13 884 m，其中黃河庫區(qū)連續(xù)7座隧道。

高速公路隧道是一段封閉的空間，自然光無法照射其中，為了保證車輛行駛的連貫性及駕駛員的生命安全，即便是白天其內(nèi)部全程也需要照明。照明燈具在選擇過程中，根據(jù)本項目隧道的特點、結合行車安全及運營節(jié)能的綜合考慮，選取高效節(jié)能、壽命長、維護方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點的LED燈具，以便達到有效提高高速公路的照明效率,降低運營照明成本的目的。另外隧道照明與一般的道路照明不同，汽車尾氣、噪聲、振動、污濁空氣、腐蝕氣體、水分等惡劣環(huán)境形成隧道照明的特殊性，其對安全上的考慮在照明系統(tǒng)上表現(xiàn)得尤為突出。

1 隧道照明的特點

因隧道出入口段與隧道洞外色溫及顯色指數(shù)差異，從而產(chǎn)生“黑洞”、“白洞”及“適應滯后”等現(xiàn)象。為了能讓駕駛員在隧道兩端出入口處能有一個良好的視覺過渡，隧道照明采用分段照明[1]。由于隧道內(nèi)部通風條件的限制，汽車排出的廢氣不易快速稀釋，容易產(chǎn)生集聚形成煙霧，從而產(chǎn)生煙霧效應[1]。因此，在隧道照明燈具選擇上也要考慮其影響。

2 LED燈在隧道照明中的優(yōu)點

1) 實際利用光效高，LED燈的實際使用光效一般為70～80 lm/w，而高壓鈉燈一般只有40～50 lm/w，從此可以算出，在獲得相同亮度環(huán)境的情況下，LED燈所需的功率僅為高壓鈉燈的60%左右，其照明用電量也就只有60%左右。對于用電量巨大的隧道照明來說，使用LED燈可以節(jié)約照明用電，降低運營成本[3]。

2) 壽命長、光衰小，LED燈是固體的半導體產(chǎn)品，環(huán)氧樹脂封裝，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在合適的電流和電壓下LED燈可以達到上萬個小時的使用時間，是鈉燈使用壽命的一倍。另一方面，LED燈光衰與高壓鈉燈相比也較小，發(fā)光穩(wěn)定，在長時間使用過程中燈具更換次數(shù)明顯少于高壓鈉燈，所需維護成本也比較少。

3) 環(huán)保效果好，LED燈不含有金屬汞、鈉等有害元素，失效后廢棄物可回收，無環(huán)境污染后患。同時LED燈為冷光源、無熱量輻射、不產(chǎn)生紫外線和紅外線、眩光小，可以安全觸摸，屬于新型的綠色照明光源。

4) 控制方式先進方便，通過調(diào)整驅(qū)動電流，就可以對LED色溫和亮度進行調(diào)整，使燈光更加清晰、柔和，讓人感覺更加舒服。而且它融合了微處理器、網(wǎng)絡通信、嵌入式控制等技術，支持智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。

5) 顯色性高，顯色指數(shù)Ra值越高，表示在相同的亮度情況下，人們越容易看清楚物體。一般LED燈顯色性約70～80，高壓鈉燈的顯色指數(shù)Ra約20～35，因而在隧道中使用LED燈要比使用傳統(tǒng)高壓鈉燈顯得“亮”得多，給人感覺路面看起來更加明亮，換一個角度來講，在相同的辨識條件要求下，使用LED隧道燈所需的亮度更低，也可以獲得同樣的視覺效果[3]。

3 LED燈在隧道照明中存在的問題

3.1 燈具單價較高，初期投入成本較大

目前LED燈作為新型照明產(chǎn)品，單燈價格較高，是普通高壓鈉燈的3～4倍。由于隧道照明所需燈具數(shù)量多，如果隧道照明采用LED隧道燈，初期投入的成本將大幅增加，造成較大的資金壓力[3]。

3.2 “黑、白洞”效應仍未能有效解決

1) 在隧道入口段，根據(jù)隧道照明設計規(guī)范要求，入口段的加強照明所用燈具可以從洞口以內(nèi)10 m，開始布設[1]。若在采用LED隧道燈時，按洞口10 m不布燈的方式設計，將直接加劇“黑洞”效應的不良影響。

2) LED隧道燈具的光源一般采用白光LED，白光LED更接近太陽光，而入口段照明的亮度只是洞外亮度的2.2%～4.5%，在光色接近但亮度差異大的情況下，進入隧道時出現(xiàn)“黑洞”效應，出隧道時出現(xiàn)“白洞”效應。

3) 由于白光LED隧道燈具的顯色指數(shù)較高，在相同的亮度情況下，給人的感覺要亮得多，在晨、暮、雨、霧等天氣狀態(tài)下，當車從遠處向隧道內(nèi)行駛時，由于隧道內(nèi)亮度過高，對駕駛員會產(chǎn)生眩光，較難看清隧道中的交通環(huán)境，對駕駛員心理也造成很大的影響，不利于行車安全。尤其是在晚上，這種“白洞” 效應更為明顯[3]。

3.3 色溫偏低，隧道行車環(huán)境不理想

LED隧道燈的色溫一般為4 000～6 500 K，給人的感覺較為偏冷。當駕駛員進入LED隧道燈照明這種偏冷的色溫環(huán)境，在一定程度上會影響駕駛員的視覺習慣和駕駛心理，影響行車安全。同時，從人的喜好心理上來說，較為暖和、穩(wěn)重的色溫，給人的駕車環(huán)境也較為踏實，利于行車安全。另外，色溫偏低，也是“白洞”形成的一個重要因素[3]。

4 LED隧道燈的應用實例

為解決人們進入公路隧道的“適應滯后” 現(xiàn)象及LED隧道燈色溫偏低的問題，并將“黑洞”、“白洞” 效應的影響切實有效的降低，確保車輛安全、高速的接近和穿過隧道。循隆高速建設管理單位經(jīng)論證決定打造一個具有管理先進、智能管理、安全可靠、運營低耗的具有示范和標志性的隧道照明工程。將隧道入口的基本照明及入口加強和過渡段加強照明燈具采用變色溫LED隧道燈，中間基本照明使用可調(diào)光LED隧道燈，在隧道洞口設置亮度傳感探頭、色溫檢測探頭和隧道LED照明燈具的控制系統(tǒng)。

4.1 燈具選擇

在隧道入口段1、入口段2采用120WLED變色溫隧道燈，過渡段1、過渡段2采用60WLED變色溫隧道燈，隧道所有加強燈具均為隧道兩側交錯布置，安裝高度5.3 m。

隧道全線設置了基本照明，LED隧道燈各段均為間距10 m,安裝高度5.3 m，兩側交錯布置，隧道兩端入口段、過渡段和出口段內(nèi)的基本照明燈具設計采用60WLED變色溫隧道燈照明，該照明方式白天作為隧道基本照明，夜間以不同色溫與亮度作為隧道夜間照明。中間段基本照明采用40 W單色溫可調(diào)光隧道燈，色溫宜采用4 000 K；對于超長隧道，其中間段長度1 km采用5 700 K高色溫光源，以提高駕駛員的駕車注意力。

4.2 主要參數(shù)

表1 LED隧道燈主要參數(shù)

4.3 燈具光學性能

整體光衰10 000小時不超過10%，使用壽命≥50 000小時，光衰不超過初始值的30%，配套光學透鏡90×130度，整體投射角垂直不小于90度、水平不小于130度，窄長蝙蝠翼配光單燈投射面均勻度不小于0.8，燈具的配光曲線滿足公路隧道照明要求。

4.4 燈具結構性能

燈具采用模塊化設計，各模塊之間的銜接接口采用通用化設計。方便更換部件和清潔，可維護性強。燈具外殼選用強度高、韌性好的防腐鋁合金制成。光學面罩采用3.5以上高透光鋼化玻璃。燈具的安裝角度能靈活調(diào)整。燈具及電源外殼表面能承受鹽霧、汽車廢氣及清洗劑的腐蝕；燈具與電源采用分體設計，連接采用防水電纜。

4.5 燈具散熱性能

鋁拉伸模組散熱器，散熱效果好，熱阻值小，芯片結溫溫升控制在30 ℃以下。

4.6 照明控制方案

本項目對隧道燈光進行全自動控制，包括白天根據(jù)洞外亮度、色溫變化調(diào)節(jié)加強段的照明、色溫及夜間對燈光的控制，主要通過時間設置進行時序控制或通過洞外亮度、道路流量監(jiān)控、洞內(nèi)空氣質(zhì)量通風監(jiān)控、消防等信息的采集，為控制系統(tǒng)提供實時準確的數(shù)據(jù)，以便發(fā)出相應的控制命令，進行實時控制，其實施方式分兩種 ：通過控制PLC控制系統(tǒng)開關電源和通過RS485控制，進行回路調(diào)光控制。

可調(diào)光LED隧道燈通過道洞口設置亮度傳感探頭和LED隧道燈的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)LED照明燈具從0～100%功率自動變化，實現(xiàn)真正意義上的“按需照明”，達到安全可靠，節(jié)能減排的目的[2]。

變色溫LED隧道燈具是通過集中控制系統(tǒng)對電源的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)兩種不同色溫光源的亮度配比變化來實現(xiàn)，隧道采用變色溫燈具，色溫從3 000 K～6 500 K之間任意變化。集中控制器是系統(tǒng)的核心控制設備，提供燈的狀態(tài)收集、故障上報、發(fā)送和接收控制信號、定時發(fā)送控制信號、自動升級系統(tǒng)。根據(jù)洞外光環(huán)境自動實現(xiàn)燈具亮度控制，達到二次節(jié)能的效果。

變色溫LED隧道燈具根據(jù)不同的隧道周邊環(huán)境和光環(huán)境需求，通過調(diào)節(jié)不同色溫的光源，在一定范圍內(nèi)減小隧道入口段與隧道入口洞外色溫及顯色指數(shù)差異，使洞內(nèi)光環(huán)境更加舒適有利于駕駛視認，緩解駕駛員駛入隧道時因色溫變化對視覺產(chǎn)生的影響，在相同的視認效果情況下提高駕駛員視認效率，增加駕駛的安全、穩(wěn)定和舒適性，同時在相同的視認效率情況下降低安全環(huán)境亮度，可有效解決盲目調(diào)光浪費資源的問題，從而達到合理有效節(jié)能和資源利用的目的。

4.7 隧道照明控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由隧道集中調(diào)光控制器、亮度和變色溫檢測儀、照明自適應控制單元和遠程控制服務器及軟件四部分組成。

1) RS485集中調(diào)光控制器是系統(tǒng)控制調(diào)光的部件，主要負責通訊網(wǎng)絡的架構和調(diào)整，向下傳達控制命令輸出1～10 V調(diào)光信號至控制線纜，控制連接在控制線纜上的燈具；向上接收照明自適應控制單元的命令并反饋相關信息數(shù)據(jù)。安裝在隧道內(nèi)攝像機的控制箱內(nèi)，上行通訊利用隧道備份光纖自己組成隧道調(diào)光控制網(wǎng)。

2) 全密封傳感器包括亮度檢測儀和色溫檢測儀，是系統(tǒng)控制的信號采集設備，整合洞外亮度光感數(shù)據(jù)、色溫數(shù)據(jù)等信號采集，為控制系統(tǒng)提供實時準確的數(shù)據(jù)，以便發(fā)出相應的控制命令。

3) 照明自適應控制單元作為隧道照明控制的核心部件。上行通訊聯(lián)系遠程控制服務器；下行通過集中調(diào)光控制器實現(xiàn)對燈的調(diào)光控制。并提供了網(wǎng)線接口模塊，方便客戶遠程對其進行控制和操作。還可上報多種警報信息，并具有遠程升級的功能?？梢酝ㄟ^外加智能電表，實時監(jiān)控線路的電量信息；外接亮度檢測儀和色溫檢測儀設備，通過智能調(diào)光算法，根據(jù)時段、亮度、流量進行實時調(diào)整。安裝在隧道內(nèi)攝像機的控制箱內(nèi)，上行通訊通過有線(光纖)、無線(GPRS)方式；下行通訊通過有線方式。

4) 遠程監(jiān)控服務器及軟件。遠程監(jiān)控服務器作為系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)存儲設備，提供intranet、TCP/IP等接入方式，能在隧管所監(jiān)控室及任何聯(lián)網(wǎng)的PC上對集中器和節(jié)點控制器進行實時檢測和控制?？刂乒芾碥浖哂袛?shù)據(jù)備份功能，可存儲設備詳細信息和組網(wǎng)配置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用B/S架構來構件服務器和數(shù)據(jù)庫。

5 結束語

目前，在我國高速公路建設飛速發(fā)展的背景下，LED燈作為主要的高速公路隧道照明的燈具，已經(jīng)在實踐應用中體現(xiàn)出了其巨大的優(yōu)勢。它一方面能有效節(jié)約用電及維護成本，對于隧道長期運營來講經(jīng)濟效益顯著，另一方面又滿足當前綠色照明產(chǎn)品的需求，具有良好的社會效益。因此，在隧道應用LED照明燈具，無論從安全行車角度，還是經(jīng)濟、社會角度都具有重要意義。

[1] 交通部重慶公路科學研究所.JTJ 026.1-1999公路隧道通風照明設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 韓直,呂曉峰,尹林,等.公路隧道LED照明調(diào)光控制技術研究[J].中國交通信息產(chǎn)業(yè),2009(10)：99-102.

[3] 宋全威.淺談高速公路隧道LED燈具照明與應用[J].廣東公路交通，2012(2)：57-59.