淺談LED照明燈具在循隆高速公路隧道中的應(yīng)用

原曉偉

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，山西 太原)

0 引言

青海省G310線循化至隆務(wù)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(xiàng)目全長(zhǎng)40.464 km，橋隧比占54.3%，隧道9座共計(jì)13 884 m，其中黃河庫(kù)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(wú)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(guò)程中，根據(jù)本項(xiàng)目隧道的特點(diǎn)、結(jié)合行車安全及運(yùn)營(yíng)節(jié)能的綜合考慮，選取高效節(jié)能、壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的LED燈具，以便達(dá)到有效提高高速公路的照明效率,降低運(yùn)營(yíng)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(dòng)、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(duì)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(diǎn)

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(yīng)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(gè)良好的視覺(jué)過(guò)渡，隧道照明采用分段照明[1]。由于隧道內(nèi)部通風(fēng)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(yīng)[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(diǎn)

1) 實(shí)際利用光效高，LED燈的實(shí)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(duì)于用電量巨大的隧道照明來(lái)說(shuō)，使用LED燈可以節(jié)約照明用電，降低運(yùn)營(yíng)成本[3]。

2) 壽命長(zhǎng)、光衰小，LED燈是固體的半導(dǎo)體產(chǎn)品，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，在合適的電流和電壓下LED燈可以達(dá)到上萬(wàn)個(gè)小時(shí)的使用時(shí)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(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中燈具更換次數(shù)明顯少于高壓鈉燈，所需維護(hù)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(wú)環(huán)境污染后患。同時(shí)LED燈為冷光源、無(wú)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(jìn)方便，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流，就可以對(duì)LED色溫和亮度進(jìn)行調(diào)整，使燈光更加清晰、柔和，讓人感覺(jué)更加舒服。而且它融合了微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、嵌入式控制等技術(shù)，支持智能控制系統(tǒng)的實(shí)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?cè)饺菀卓辞宄矬w。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(jué)路面看起來(lái)更加明亮，換一個(gè)角度來(lái)講，在相同的辨識(shí)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(jué)效果[3]。

3 LED燈在隧道照明中存在的問(wèn)題

3.1 燈具單價(jià)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(jià)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(yīng)仍未能有效解決

1) 在隧道入口段，根據(jù)隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范要求，入口段的加強(qiáng)照明所用燈具可以從洞口以內(nèi)10 m，開(kāi)始布設(shè)[1]。若在采用LED隧道燈時(shí)，按洞口10 m不布燈的方式設(shè)計(jì)，將直接加劇“黑洞”效應(yīng)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(yáng)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(jìn)入隧道時(shí)出現(xiàn)“黑洞”效應(yīng)，出隧道時(shí)出現(xiàn)“白洞”效應(yīng)。

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(jué)要亮得多，在晨、暮、雨、霧等天氣狀態(tài)下，當(dāng)車從遠(yuǎn)處向隧道內(nèi)行駛時(shí)，由于隧道內(nèi)亮度過(guò)高，對(duì)駕駛員會(huì)產(chǎn)生眩光，較難看清隧道中的交通環(huán)境，對(duì)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(yīng)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(jué)較為偏冷。當(dāng)駕駛員進(jìn)入LED隧道燈照明這種偏冷的色溫環(huán)境，在一定程度上會(huì)影響駕駛員的視覺(jué)習(xí)慣和駕駛心理，影響行車安全。同時(shí)，從人的喜好心理上來(lái)說(shuō)，較為暖和、穩(wěn)重的色溫，給人的駕車環(huán)境也較為踏實(shí)，利于行車安全。另外，色溫偏低，也是“白洞”形成的一個(gè)重要因素[3]。

4 LED隧道燈的應(yīng)用實(shí)例

為解決人們進(jìn)入公路隧道的“適應(yīng)滯后” 現(xiàn)象及LED隧道燈色溫偏低的問(wèn)題，并將“黑洞”、“白洞” 效應(yīng)的影響切實(shí)有效的降低，確保車輛安全、高速的接近和穿過(guò)隧道。循隆高速建設(shè)管理單位經(jīng)論證決定打造一個(gè)具有管理先進(jìn)、智能管理、安全可靠、運(yùn)營(yíng)低耗的具有示范和標(biāo)志性的隧道照明工程。將隧道入口的基本照明及入口加強(qiáng)和過(guò)渡段加強(qiáng)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(shè)置亮度傳感探頭、色溫檢測(cè)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(guò)渡段1、過(guò)渡段2采用60WLED變色溫隧道燈，隧道所有加強(qiáng)燈具均為隧道兩側(cè)交錯(cuò)布置，安裝高度5.3 m。

隧道全線設(shè)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(cè)交錯(cuò)布置，隧道兩端入口段、過(guò)渡段和出口段內(nèi)的基本照明燈具設(shè)計(jì)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(duì)于超長(zhǎng)隧道，其中間段長(zhǎng)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(xué)性能

整體光衰10 000小時(shí)不超過(guò)10%，使用壽命≥50 000小時(shí)，光衰不超過(guò)初始值的30%，配套光學(xué)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)性能

燈具采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間的銜接接口采用通用化設(shè)計(jì)。方便更換部件和清潔，可維護(hù)性強(qiáng)。燈具外殼選用強(qiáng)度高、韌性好的防腐鋁合金制成。光學(xué)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(shè)計(jì)，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(jié)溫溫升控制在30 ℃以下。

4.6 照明控制方案

本項(xiàng)目對(duì)隧道燈光進(jìn)行全自動(dòng)控制，包括白天根據(jù)洞外亮度、色溫變化調(diào)節(jié)加強(qiáng)段的照明、色溫及夜間對(duì)燈光的控制，主要通過(guò)時(shí)間設(shè)置進(jìn)行時(shí)序控制或通過(guò)洞外亮度、道路流量監(jiān)控、洞內(nèi)空氣質(zhì)量通風(fēng)監(jiān)控、消防等信息的采集，為控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以便發(fā)出相應(yīng)的控制命令，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其實(shí)施方式分兩種 ：通過(guò)控制PLC控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源和通過(guò)RS485控制，進(jìn)行回路調(diào)光控制。

可調(diào)光LED隧道燈通過(guò)道洞口設(shè)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(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“按需照明”，達(dá)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(guò)集中控制系統(tǒng)對(duì)電源的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種不同色溫光源的亮度配比變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，隧道采用變色溫?zé)艟?，色溫? 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(shè)備，提供燈的狀態(tài)收集、故障上報(bào)、發(fā)送和接收控制信號(hào)、定時(shí)發(fā)送控制信號(hào)、自動(dòng)升級(jí)系統(tǒng)。根據(jù)洞外光環(huán)境自動(dòng)實(shí)現(xiàn)燈具亮度控制，達(dá)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(guò)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(rèn)，緩解駕駛員駛?cè)胨淼罆r(shí)因色溫變化對(duì)視覺(jué)產(chǎn)生的影響，在相同的視認(rèn)效果情況下提高駕駛員視認(rèn)效率，增加駕駛的安全、穩(wěn)定和舒適性，同時(shí)在相同的視認(rèn)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(fèi)資源的問(wèn)題，從而達(dá)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(cè)儀、照明自適應(yīng)控制單元和遠(yuǎn)程控制服務(wù)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(fù)責(zé)通訊網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和調(diào)整，向下傳達(dá)控制命令輸出1～10 V調(diào)光信號(hào)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(yīng)控制單元的命令并反饋相關(guān)信息數(shù)據(jù)。安裝在隧道內(nèi)攝像機(jī)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(cè)儀和色溫檢測(cè)儀，是系統(tǒng)控制的信號(hào)采集設(shè)備，整合洞外亮度光感數(shù)據(jù)、色溫?cái)?shù)據(jù)等信號(hào)采集，為控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以便發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

3) 照明自適應(yīng)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(yuǎn)程控制服務(wù)器；下行通過(guò)集中調(diào)光控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)燈的調(diào)光控制。并提供了網(wǎng)線接口模塊，方便客戶遠(yuǎn)程對(duì)其進(jìn)行控制和操作。還可上報(bào)多種警報(bào)信息，并具有遠(yuǎn)程升級(jí)的功能?？梢酝ㄟ^(guò)外加智能電表，實(shí)時(shí)監(jiān)控線路的電量信息；外接亮度檢測(cè)儀和色溫檢測(cè)儀設(shè)備，通過(guò)智能調(diào)光算法，根據(jù)時(shí)段、亮度、流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。安裝在隧道內(nèi)攝像機(jī)的控制箱內(nèi)，上行通訊通過(guò)有線(光纖)、無(wú)線(GPRS)方式；下行通訊通過(guò)有線方式。

4) 遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器及軟件。遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器作為系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)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(duì)集中器和節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制?？刂乒芾碥浖哂袛?shù)據(jù)備份功能，可存儲(chǔ)設(shè)備詳細(xì)信息和組網(wǎng)配置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)來(lái)構(gòu)件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，在我國(guó)高速公路建設(shè)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(shí)踐應(yīng)用中體現(xiàn)出了其巨大的優(yōu)勢(shì)。它一方面能有效節(jié)約用電及維護(hù)成本，對(duì)于隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)來(lái)講經(jīng)濟(jì)效益顯著，另一方面又滿足當(dāng)前綠色照明產(chǎn)品的需求，具有良好的社會(huì)效益。因此，在隧道應(yīng)用LED照明燈具，無(wú)論從安全行車角度，還是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)角度都具有重要意義。

[1] 交通部重慶公路科學(xué)研究所.JTJ 026.1-1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)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(shù)研究[J].中國(guó)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(yīng)用[J].廣東公路交通，2012(2)：57-59.