高速公路隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)研究分析

蔣勇

廣西桂東高速公路有限公司，中國·廣西 南寧 530000

1 引言

隧道不僅是山區(qū)交通必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，在減少行車?yán)锍蹋牧脊肪€形等方面均發(fā)揮著重要作用。受到客觀條件限制，隧道自然光照明無法滿足公路運(yùn)營需求，人工照明成為了支撐隧道運(yùn)營的重要組成部分。和其他發(fā)達(dá)國家相比，中國隧道照明設(shè)計仍然固守過時理念，在耗能、環(huán)保等方面缺少考慮，甚至出現(xiàn)了照明不足或過度照明的現(xiàn)象，造成了資源浪費，和當(dāng)今提倡的綠色發(fā)展理念背道而行。截至2019年年底，中國公路隧道已有19067 座，總里程達(dá)到1896.66萬米，位居全世界第一。隨著中國公路隧道里程的不斷增加，隧道照明成本逐年遞增，照明節(jié)能已經(jīng)成為一個亟待解決的課題。

2 高速公路隧道照明節(jié)能的智能控制策略

2.1 多模式

白天和夜晚的環(huán)境亮度不同，人眼對于光線刺激的感受度也各有不同。在白天，外界亮度遠(yuǎn)高于隧道內(nèi)，當(dāng)車輛駛?cè)胨淼篮?，由于人眼對于外界不同亮度的調(diào)節(jié)需要一定的反應(yīng)時間，駕駛員暫時只會看到一片黑暗，難以注意到隧道入口附近的情況；而駛出隧道時，外界亮度遠(yuǎn)高于隧道，駕駛員眼前暫時只能看到白光，同樣無法觀察到隧道出口的情況，也難以注意到與前車間距離。作為24h 均需人工照明參與的隧道，長久以來，中國隧道照明亮度全程單一，極其容易造成駕駛者視覺疲勞，引發(fā)交通事故，對于車輛平均行駛速度較高的高速公路，這樣的弊病更加突出。因此，為了避免出現(xiàn)類似情況，徹底消除交通事故隱患，高速公路隧道應(yīng)采取多模式照明。在白天，應(yīng)采用山型照明曲線，即為隧道入口及出口亮度較高，隧道中段亮度較低；而在夜晚，應(yīng)當(dāng)采取“I”型照明曲線，保持隧道全程照明亮度均一。同時，為進(jìn)一步降低照明耗電，在車流量較稀少的深夜等時間，可以采取感應(yīng)式照明，根據(jù)隧道內(nèi)車輛通行情況，實現(xiàn)照明的開閉控制，做到有車亮燈，無車滅燈。

2.2 多等級

中國的高速公路隧道照明可分為基本照明和加強(qiáng)照明兩部分。其中基本照明主要保障隧道內(nèi)基本段的照明，加強(qiáng)照明主要為了滿足亮度適應(yīng)性的需要。除了隧道中不同區(qū)域的基準(zhǔn)照明亮度不同外，隧道全程的亮度也應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的情況進(jìn)行分等級調(diào)節(jié)。例如，天氣晴朗時，隧道內(nèi)外照明亮度差較大，駕駛者的暫盲現(xiàn)象持續(xù)時間會更長，不利于高速公路安全。在進(jìn)行節(jié)電設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)依照外部條件的不同，將基本照明和加強(qiáng)照明再次細(xì)分，設(shè)置不同的等級[1]。例如，基本照明可以根據(jù)時間段和季節(jié)的不同，分為夏季、冬季、白天、夜晚等；也可以根據(jù)車流量的不同分為不同等級。對于起到輔助作用的加強(qiáng)照明，應(yīng)當(dāng)劃分更細(xì)致的等級進(jìn)行照明亮度調(diào)節(jié)。例如，可以依據(jù)車流量較大或較小，以及晴天、云天、陰天、重陰天等天氣情況的不同劃分為不同的等級，夜晚和深夜也需要根據(jù)車流量分為較大、較小、無三個等級。通過這樣的等級劃分，實現(xiàn)針對性的照明亮度，確保照明能源得到了充分利用。

2.3 智能化

隨著中國在5G、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域居全世界領(lǐng)先地位，新型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也逐漸步入中國的各行各業(yè)。高速公路隧道照明系統(tǒng)也應(yīng)積極應(yīng)用這些技術(shù)，建立智能決策模型，確保隧道內(nèi)部照明亮度得以精確控制，實現(xiàn)針對性的智能化照明（表述有問題）。首先，智能控制模型應(yīng)當(dāng)根據(jù)事前的調(diào)查，確立隧道內(nèi)的基本照明模式和照明亮度等基礎(chǔ)信息，保障隧道整體照明運(yùn)營保持穩(wěn)定[2]。在實際運(yùn)營中，智能控制模型應(yīng)當(dāng)時刻精準(zhǔn)把握與隧道照明亮度有關(guān)的多變量信息，依據(jù)控制模型精準(zhǔn)調(diào)節(jié)照明亮度。同時，依據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)，及時記錄分析隧道的相關(guān)變量情況，形成具有本地特色的照明控制方案，避免舊有依靠運(yùn)營經(jīng)驗人工控制照明模式導(dǎo)致的照明不精準(zhǔn)、浪費能源的情況發(fā)生。

智能控制模型所需要的多變量，包含時間段、隧道內(nèi)外亮度、車流量、隧道內(nèi)行駛車速和車距幾個組成部分。依據(jù)模糊控制理論，時間段可細(xì)分為白天、夜晚、深夜三個維度；隧道內(nèi)外亮度可細(xì)分為極亮、很亮、亮、合適、暗、很暗、極暗七個維度。而車流量、隧道內(nèi)行駛車速和車距等交通狀況相關(guān)信息，則需要依據(jù)設(shè)計規(guī)范、隧道所在地地理情況和天氣數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，在隧道通車前作出預(yù)估，并在通車后借助大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行隨時修正。此外，如果發(fā)生事故等需要較強(qiáng)照明的緊急事件發(fā)生時，智能控制模型也應(yīng)及時做出反應(yīng)，構(gòu)建靈活、精準(zhǔn)的隧道照明體系，確保隧道照明隨需求隨時變化。

2.4 個性化

雖然多模式、多等級、智能化是現(xiàn)代社會對于每條高速公路隧道照明設(shè)施的要求。但想要實現(xiàn)能源的最大化利用，仍需要依據(jù)隧道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、所處環(huán)境、通行車流量、隧道內(nèi)部裝飾等客觀條件的不同，實行個性化設(shè)計和運(yùn)營。例如，長度較長的隧道，駕駛者針對亮度變化的反應(yīng)距離遠(yuǎn)小于隧道總長，耗能的重點部分在于隧道中段的照明，和隧道外天氣、照明亮度差等變量的相關(guān)性較低，應(yīng)針對中段照明制定策略[3]；而對于長度較短的隧道，對出入口照明的精準(zhǔn)控制就顯得尤為必要，應(yīng)當(dāng)制定更加細(xì)化的照明控制級別，實現(xiàn)精確對應(yīng)。此外，面對中國高速公路建設(shè)過程中逐漸增多的連續(xù)隧道群，應(yīng)做到整體考慮，實現(xiàn)群控，更好地發(fā)揮隧道照明的聯(lián)動作用。

3 系統(tǒng)能耗分析

本研究選取了中國廣西壯族自治區(qū)梧州至柳州高速公路項目盤王隧道作為研究對象，該隧道長度2879km，隧道照明按照入口段加強(qiáng)照明設(shè)置400W 隧道照明高壓鈉燈，過渡段1 加強(qiáng)照明設(shè)置160W 的LED 隧道照明燈，過渡段2 加強(qiáng)照明設(shè)置100W 的LED 隧道照明燈，隧道基本、應(yīng)急照明設(shè)置LED 隧道照明燈，該隧道總共256 套400W 高壓鈉燈，88 套160W 的LED 燈，64 套100W 的LED 燈，608 套60W 的LED 燈。其中，隧道高壓鈉燈采用分組控制方式，加強(qiáng)照明的總體控制策略為根據(jù)洞外天氣控組高壓鈉燈分組照明，隧道LED 照明采用無級調(diào)光方式，結(jié)合車輛檢測與照明聯(lián)動控制，對基本照明和加強(qiáng)照明分別進(jìn)行控制。加強(qiáng)照明的總體控制策略為:洞外亮度越亮，洞內(nèi)照明功率越大，即洞內(nèi)照明亮度也越亮，反之亦然，基本照明的亮度控制策略為:依據(jù)白天和夜晚的不同時段，對基本照明的調(diào)光功率百分比進(jìn)行設(shè)定后自動調(diào)光。該隧道全年間總能耗為641270.11度，如果按照傳統(tǒng)設(shè)計，依據(jù)白天（9:00——18:00）及夜晚（18:00——次日9:00）兩種模式進(jìn)行控制。白天所有燈具全部點亮，夜晚熄滅半數(shù)燈具，傳統(tǒng)模式下該隧道全年間總能耗為1046995.20 度，經(jīng)對比計算，盤王隧道照明節(jié)能采用智能控制方案后，節(jié)約電能40.57 萬度。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著中國高速公路總里程的逐年增加，其日益增多的能耗問題不僅提升了高速公路的運(yùn)行成本，更推動了新時代全國綠色發(fā)展的浪潮。隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)針對占高速公路能耗一大部分的隧道照明，從多模式、多等級、智能化、個性化的多方面，有效降低了高速公路隧道照明能耗，具有很大的現(xiàn)實意義。此外，選用不同的照明設(shè)備、引入自然光照明等方案對隧道照明能耗也有著不可忽視的影響，仍需后續(xù)的深入研究探索。