基于公路隧道提質(zhì)升級的渝東北地區(qū)照明運營應(yīng)用與研究

周武召，李苓佳，鄧禮萍，胡鵬飛

(重慶高速公路集團(tuán)有限公司東北營運分公司，重慶 401147)

2020年初爆發(fā)新冠肺炎疫情，高速公路從2月17日至5月5日實行全民免費，造成集團(tuán)營運嚴(yán)重欠收，影響企業(yè)正常發(fā)展運營。如何做到深挖潛能，確保公共服務(wù)、應(yīng)急運輸保障等公眾服務(wù)水平不下滑的同時，實現(xiàn)高速公路營運企業(yè)增收節(jié)支是當(dāng)前乃至今后一段時間工作的重中之重。

隧道電費作為山區(qū)高速公路運行的高額成本，一直是困擾高速公路運營公司的一大難題[1-2]。為響應(yīng)集團(tuán)增收節(jié)支、改革創(chuàng)新的工作要求，東北營運公司多次探討、深挖潛力，對渝東北管轄范圍的部分隧道照明控制進(jìn)行深入研究，希望通過科學(xué)研究、實踐探索，并基于設(shè)計規(guī)范對隧道養(yǎng)護(hù)的相關(guān)要求，進(jìn)一步優(yōu)化隧道照明控制[3-4]，實現(xiàn)降本增效。

1 渝東北地區(qū)公路隧道照明調(diào)控研究

東北營運分公司目前管理渝東北地區(qū)3條高速公路：一是國道G42滬蓉高速公路深入三峽庫區(qū)腹地的萬州—云陽—奉節(jié)—巫山段，二是萬州—開縣高速公路，三是奉節(jié)—巫溪高速公路，總計287 km，跨越四縣兩區(qū)，地形條件復(fù)雜。全路段共有63座隧道，其中特長隧道13座，長隧道20座，中長隧道16座，短隧道14座，除2座短隧道未設(shè)置照明設(shè)施外，其余隧道均設(shè)有照明設(shè)施。目前照明的控制方式包括時序方式和手動方式，長隧道均可由人員在監(jiān)控中心通過隧道PLC實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1.1 提質(zhì)升級前后的隧道照明運營現(xiàn)狀

2019年，東北營運公司根據(jù)交通運輸部、市政府及市交通局關(guān)于隧道提質(zhì)升級的相關(guān)要求對轄區(qū)隧道進(jìn)行了品質(zhì)提升，2019年已提升完成43座隧道，2020年將實施完成全部隧道的品質(zhì)提升。經(jīng)統(tǒng)計，提升前隧道照明總功率為4 384 kW，2020年全部隧道提升后的總功率將達(dá)到4 672 kW。若按目前隧道所采用的控制模式進(jìn)行計算，每月電費約221萬元，全年可達(dá)4 600萬元，其中節(jié)能費用約 1 948萬元，占比42.35%。因此，若能將這近一半的照明節(jié)能費用部分降低，可對隧道的綠色節(jié)能運營起到一定的推動作用。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，隧道品質(zhì)提升前，當(dāng)1 h車道流量小于或等于350 veh/(h·ln)時，中間段基本照明亮度規(guī)范值為1.5 cd/m2；當(dāng)1 h車道流量大于350 veh/(h·ln)且小于1 200 veh/(h·ln)時，中間段照明亮度規(guī)范值為2.5 cd/m2。隧道品質(zhì)提升后，中間段基本照明亮度設(shè)計值為3.5 cd/m2，實測中間段基本照明亮度(全開模式)為8 cd/m2～11 cd/m2。究其原因，隧道完成品質(zhì)提升時，短期內(nèi)實際隧道照明亮度所考慮的折減系數(shù)小于設(shè)計值，致使各路段實測照明亮度遠(yuǎn)大于設(shè)計照明亮度。以萬云路人和隧道照明運營現(xiàn)狀為例，其照明亮度見表1。

由表1可知，經(jīng)隧道品質(zhì)升級后，短期內(nèi)照明亮度實際值均大于設(shè)計值，使得照明費用不減反增，在積極響應(yīng)交通運輸部提出隧道提質(zhì)升級的同時，也應(yīng)根據(jù)改造后的實況予以優(yōu)化，實現(xiàn)隧道照明節(jié)能增效。

表1 不同燈具開啟條件下萬云路人和隧道照明實際值

1.2 各路段車流量對比研究

經(jīng)統(tǒng)計分析，東北營運公司所轄路段之間交通量差異較大，在白天，萬開、萬云路1 h車道流量基本大于350 veh/(h·ln)，夜間1 h車道流量小于350 veh/(h·ln)，而云奉、奉巫、奉溪路各時段1 h車道流量均小于350 veh/(h·ln)，具體情況見表2。

表2 各時間段平均1 h交通量統(tǒng)計

由表2可知，不同路段的車流量存在一定差異。白天與傍晚的車流量最大，黎明和傍晚次之。車流量是公路隧道照明至關(guān)重要的參數(shù)[5]，可考慮將白天與傍晚的照明燈具開啟模式設(shè)置為高于黎明與傍晚時段，以進(jìn)一步改善渝東北公路隧道照明因燈具開啟模式的不合理而造成不必要的照明浪費。

1.3 基于車流量與燈具開啟模式的照明調(diào)控運營分析

根據(jù)市交通局相關(guān)要求，東北營運公司隧道照明燈具開啟模式分為白天(6：00—19：00)全功率(13 h全部燈具開啟)和夜間(19：00—次日 6：00)半功率(11 h一半燈具開啟)2種模式。2019年8月，結(jié)合重慶季節(jié)特性，以夏至、冬至為分界點，并將1 d劃分為黎明、白天、傍晚、夜間4個時間段對照明燈具的開啟模式進(jìn)行了調(diào)整，具體情況見表3。

表3 各時間段燈具開啟情況

由表3可知，夏至與冬至各天氣模式對應(yīng)的照明燈具開啟情況一致，但開啟時間略有不同，即夏至比冬至的白天時間段推遲2 h、傍晚時間段推遲2 h、夜間時間段推遲1 h。據(jù)統(tǒng)計，按此照明燈具開啟模式調(diào)整后，平均每月電費支出減少近4萬元，占每月電費的2.5%，轄區(qū)隧道洞內(nèi)交通事故率也有所降低。因此，考慮天氣、時間因素影響后，公路隧道照明設(shè)置的合理性得以極大提高。

2 隧道照明調(diào)控應(yīng)用與優(yōu)化

基于以上研究結(jié)果，以規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[3]和上級主管部門要求為導(dǎo)向，結(jié)合隧道運行實際情況，分階段逐步優(yōu)化隧道照明控制，實現(xiàn)隧道照明控制精細(xì)化，目前采取以下措施優(yōu)化照明控制[6-8]，供其他隧道提質(zhì)升級后的照明調(diào)控參考使用，以減少不必要的照明費用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1)根據(jù)交通量對隧道中間段照明開啟模式進(jìn)行調(diào)整[9-11]。規(guī)范[3]規(guī)定了根據(jù)設(shè)計車速和交通量共同決定中間段的亮度值，但對中間段燈具的開啟情況未作規(guī)定?；谏鲜鲅芯砍晒Y(jié)合隧道實際運行情況，以1 h車流量為劃分標(biāo)準(zhǔn)，對隧道中間段照明開啟模式進(jìn)行調(diào)整，對于管轄范圍內(nèi)的隧道照明主要劃分為“應(yīng)急照明+基本照明1+基本照明2”、“應(yīng)急照明+基本照明1”2種模式。

2)根據(jù)洞外環(huán)境進(jìn)一步細(xì)化入口段、過渡段、出口段照明控制模式。根據(jù)不同季節(jié)、每天不同時段以及天氣變化等影響洞外亮度因素，細(xì)化為不同的照明燈具開啟模式。夏天適當(dāng)延長照明模式全開時間，冬天則適當(dāng)縮短全開時間，對白天的陰雨天氣，洞外照度低于200 cd/m2時，僅開啟1組加強(qiáng)。同時，將照明模式預(yù)先添加進(jìn)隧道管理軟件，由軟件自動執(zhí)行，以減輕人工負(fù)擔(dān)。

3)出現(xiàn)特殊事件時，根據(jù)事件類別，調(diào)節(jié)隧道照明模式。若隧道出現(xiàn)嚴(yán)重病害、交通事故等異常情況，采用占道施工或單道雙通交通組織形式時，根據(jù)對照明亮度的不同需求制定不同的照明模式。

4)各路段開啟照明燈具模式

(1)白天路段1 h車道流量大于350 veh/(h·ln)季節(jié)時序開啟模式(萬云路、萬開路)，具體情況見表4。

表4 各時間段燈具開啟情況

(2)全天路段1 h車道流量小于350 veh/(h·ln)季節(jié)時序開啟模式(云奉路、奉巫路、奉溪路)，具體情況見表5。

表5 各路段燈具開啟情況

(3)黎明、白天、傍晚天氣調(diào)節(jié)開啟模式，具體情況見表6。

表6 各天氣燈具開啟情況

(4)特殊情況調(diào)節(jié)開啟模式，具體情況見表7。

表7 特殊情況燈具開啟情況

通過上述照明控制模式，隧道基本段照明亮度可保持在設(shè)計的最低值3.5 cd/m2以上，全年預(yù)計可節(jié)約用電4.92×106kW·h，節(jié)約電費700萬元，按照每度電0.272 kg碳計算，全年可減少碳排放 1.34×106kg。

3 隧道照明管控成果的進(jìn)一步優(yōu)化措施

3.1 參照外部光照強(qiáng)度實現(xiàn)洞內(nèi)照明智能控制

隧道中央控制管理系統(tǒng)可自動對隧道信息子系統(tǒng)采集的交通、環(huán)境等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行判讀、分析后，選擇合理的控制措施[12]。通過安置在隧道洞外的環(huán)境采集傳感器(如天氣、車流量、車速等)實時傳輸至控制主機(jī)并上傳中心，按照預(yù)先制定的照明方案分級分段控制、調(diào)節(jié)隧道照明，可節(jié)能30%～50%；對隧道內(nèi)高清攝像機(jī)所采集的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理后，采用數(shù)學(xué)模型運算可對局部路段(如交通事故等)進(jìn)行定位并對局部區(qū)域調(diào)整亮度，配合交通誘導(dǎo)和車道控制進(jìn)行燈光引導(dǎo)。通過有計劃、有制度的亮燈方案，既能有效解決隧道常見的白洞和黑洞效應(yīng)，又能有效節(jié)約電能，同時通過燈具輪休，還能有效延長燈具使用壽命。

3.2 人機(jī)協(xié)作實現(xiàn)一隧道一照明

東北營運公司管轄路段長，隧道數(shù)量多，隧道之間存在差異性(比如隧道所處天氣不同、朝向不同、車流量不同、燈具布置不同等)，目前靠季節(jié)和時間來確定開關(guān)方式，仍可能存在資源浪費或照度不夠現(xiàn)象，公司后續(xù)將對所轄隧道逐一制定照明模式，同時加強(qiáng)人機(jī)和系統(tǒng)的協(xié)作[13-15]依靠路段上巡查的路巡和隧道值守保安，掌控現(xiàn)場氣象情況，并根據(jù)洞外亮度，對隧道照明進(jìn)行實時更新調(diào)整。

3.3 采用主動光源道釘和輪廓標(biāo)

JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》第9.3.5條中規(guī)定：長度小于500 m且設(shè)置自發(fā)光誘導(dǎo)設(shè)施和定向反光輪廓標(biāo)的高速公路隧道夜間可全部關(guān)閉燈具。針對管轄內(nèi)的短隧道，采用具有主動光源的道釘和輪廓標(biāo)，既可提升駕駛?cè)藛T視覺上的感受，又能有效減少短隧道照明耗能。

3.4 改造隧道墻面

在隧道出入口之間的內(nèi)側(cè)墻壁涂設(shè)蓄能反光層，在不增加照明功率及照明燈具的前提下能夠有效補(bǔ)充隧道內(nèi)的照明亮度[16]，從而有效降低整個隧道照明系統(tǒng)的能耗，并能設(shè)立良好的視覺參考系，豐富隧道內(nèi)的視覺環(huán)境，有效緩解駕駛疲勞。

4 結(jié)束語

隧道照明作為路段最大的耗能設(shè)施，在為運營企業(yè)減少電費支出方面最可見客觀成效。本文從路段環(huán)境、車流量、運行狀況和控制方式4個方面對隧道照明開啟的管理方式進(jìn)行了全方位的分析，并根據(jù)季節(jié)、時間段、天氣、路段車流量和緊急特殊情況等因素，對隧道照明管控方式進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)了隧道的節(jié)能照明。雖然我國在公路隧道節(jié)能照明技術(shù)方面有很大進(jìn)步，但隧道照明控制暫無明確開關(guān)控制意見，僅能通過現(xiàn)場照度測量、設(shè)計指導(dǎo)意見、路段暢通率和隧道事故率等指標(biāo)用以佐證研究結(jié)果。在以后的實踐過程中，將根據(jù)試驗情況，進(jìn)一步完善管理方案，并在保障隧道安全舒適的行車環(huán)境下，最大限度地實現(xiàn)隧道運行管理的降本增效，以期達(dá)到安全通行與節(jié)能減排、企業(yè)增收節(jié)支的雙贏。