智能型公路隧道照明節(jié)能控制技術(shù)探析

何奇飛

貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000

0 引言

據(jù)相關(guān)報道，截至2018年底，我國公路里程達(dá)4 846 500 km，其中公路隧道里程達(dá)17 236 km，數(shù)量達(dá)17 738處，且在不斷增加[1]。由此可見，我國公路隧道正處于快速發(fā)展的階段，路網(wǎng)逐漸完善、公路隧道數(shù)量不斷增多的同時，運行消耗也隨之增加，隧道照明便是其中一項重要的運營開銷。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，高速公路電費支出占總支出的80%，而高速公路隧道照明用電電費支出占總電費的80%[2]。因此，在公路隧道建設(shè)和運營中，照明用電損耗是影響運營成本的重要因素。為保證公路隧道長遠(yuǎn)發(fā)展，需要設(shè)計和采用智能照明調(diào)光控制系統(tǒng)，節(jié)省隧道照明成本。但實際上，照明是公路隧道不可忽視的一部分，而如何在維持公路運載能力和交通安全的基礎(chǔ)上做到照明節(jié)能，是一個值得深究和思考的問題。為此，在確保公路隧道行車安全的條件下，公路運營公司需重視智能型照明節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計，更好地節(jié)省照明能源消耗和運行成本，促進(jìn)公路隧道的長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 公路隧道照明的問題

由于隧道的結(jié)構(gòu)特殊，當(dāng)駕駛員從外部環(huán)境進(jìn)入隧道時，會出現(xiàn)適應(yīng)滯后現(xiàn)象，光線亮度的交替變化導(dǎo)致駕駛員看到的隧道像一個“黑洞”，出現(xiàn)“黑洞現(xiàn)象”。在隧道出口處，陽光照射使隧道外亮度高于隧道內(nèi)亮度，而駕駛員在隧道內(nèi)的行駛過程中處于低亮度的洞內(nèi)光環(huán)境，當(dāng)行駛到洞口時，亮度發(fā)生突變，視覺上容易出現(xiàn)強烈的眩光，駕駛員只能看到障礙物剪影，無法看清具體路況和車距，即“白洞現(xiàn)象”[3]。駕駛員在隧道的“黑洞”與“白洞”效應(yīng)的視覺適應(yīng)過程中，增加了隧道運營通行的安全隱患。因此，隧道不僅晚間需要照明，而且為了行車安全，白天同樣需要照明，這使得隧道照明消耗大量的電能。隨著隧道數(shù)量與里程的不斷增多，隧道照明的電能消耗也在逐年攀升。

2 公路隧道照明系統(tǒng)的特點

目前，我國《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）要求公路隧道照明分檔控制，需要根據(jù)當(dāng)日天氣確定隧道內(nèi)燈具開關(guān)數(shù)量，同時隧道內(nèi)燈具都是人工手動開關(guān)[4]。長度大于200 m的公路隧道、長度大于1 000 m的二級隧道和一級隧道都需要設(shè)置照明系統(tǒng)，以提供高效、安全、舒適的視覺環(huán)境，確保隧道交通正常運行。公路隧道的位置隱蔽，多建于山間，隧道中通常一片漆黑，需要全天候開設(shè)照明設(shè)備，以確保車輛出行安全，同時為了避免“黑洞現(xiàn)象”和“白洞現(xiàn)象”，隧道白天照明比夜間照明更復(fù)雜。公路隧道照明系統(tǒng)具體特點如下。

2.1 分段式區(qū)間照明

為了讓車輛駕駛?cè)藛T在公路隧道中能擁有良好的視覺感受，隧道內(nèi)的照明系統(tǒng)被分為入口段、過渡段、中間段和出口段多個區(qū)段，而且每個區(qū)段照明的路面亮度要求也有所不同，隧道各段落照明亮度需求標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 隧道各段落照明亮度需求標(biāo)準(zhǔn)

2.2 洞口區(qū)段加強照明

為確保駕駛員在進(jìn)入隧道和駛出隧道時視覺清晰，提高其視覺舒適度，也減輕駕駛員心理恐懼感，隧道洞口區(qū)段需要根據(jù)白天戶外環(huán)境亮度變化情況設(shè)置入口段、過渡段和出口段照明，逐漸增強照明亮度，使隧道內(nèi)亮度與戶外自然光亮度產(chǎn)生理想的過渡與銜接。

2.3 全區(qū)段應(yīng)急照明

建筑建設(shè)中都會設(shè)置應(yīng)急照明，公路隧道也不例外，應(yīng)急照明可以預(yù)防隧道內(nèi)意外斷電而引發(fā)交通事故，其也作為基本照明的一部分，通常保持照明狀態(tài)，維持隧道安全運營。

3 公路隧道照明節(jié)能控制的意義

公路隧道照明與普通公路照明不同，公路隧道大多穿山而建，山間隧道可見度較低，因而通常需要密集、高強度的照明系統(tǒng)，保證駕駛?cè)藛T能清晰看清路段，確保行車的安全性。但長此以往，公路隧道照明成本會不斷增加，同時增加公路隧道運行成本，也阻礙公路建設(shè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。故而，公路隧道照明節(jié)能控制對高速公路建設(shè)具有重要意義。同時我國也提出了節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，而公路隧道應(yīng)用智能型照明節(jié)能控制技術(shù)符合國家發(fā)展的要求與趨勢，有利于實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約的目標(biāo)，可以體現(xiàn)公路隧道照明節(jié)能控制在當(dāng)今的重要意義。

4 公路隧道照明節(jié)能控制技術(shù)

近年來，國內(nèi)外對公路隧道照明節(jié)能控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，從視覺需求、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面入手設(shè)計照明節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)按需照明的目標(biāo)，也能實時監(jiān)測隧道照明情況，最終達(dá)到隧道安全運營和節(jié)約資源的效果。

4.1 PLC電力載波控制技術(shù)

PLC技術(shù)不僅突破了傳統(tǒng)繼電接觸控制技術(shù)的局限性，還提高了控制可靠性、靈活性、便捷性，能減少耗能情況，同時根據(jù)電氣維修人員實際操作能力與習(xí)慣，采用微機處理器設(shè)計基礎(chǔ)簡單指令，將編程變得簡易、生動形象[5]。

在隧道車輛行駛方向的右側(cè)壁洞內(nèi)安裝PLC控制器，連接光強檢測儀AI接口，并將照明控制電路與PLC功率輸出模板相連接，可以自動收集隧道檢測設(shè)備檢測的信息。當(dāng)PLC控制器收到控制指令后，會向下端發(fā)布執(zhí)行指令，進(jìn)而起到控制照明的作用。

將PLC控制器應(yīng)用于公路隧道照明節(jié)能控制中，以電力線路為傳輸通道，可通過載波的方式將模擬信號或者數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸，且整個系統(tǒng)無路由級數(shù)的限制，無須布線、施工方便、價格低廉、延伸方便，具有通道可靠性高、路由合理、可同時復(fù)用遠(yuǎn)動信號等優(yōu)點。但是，由于變壓器對通信信號有阻隔作用，導(dǎo)致傳輸距離只有數(shù)公里。

4.2 DALI數(shù)字控制方式

DALI數(shù)字控制方式下系統(tǒng)主要由控制軟件、控制主機、控制器、接收器構(gòu)成?？刂浦鳈C安裝于變電所照明配電柜，控制器安裝于隧道現(xiàn)場照明配電箱內(nèi)，接收器安裝于LED隧道燈具上，接入隧道以太環(huán)網(wǎng)與照明調(diào)光控軟件通信。控制器與控制軟件通信接口應(yīng)采用開放接口，支持開放式協(xié)議，具備自動搜索并分配燈具地址功能，支持廣播全體調(diào)光、分組調(diào)光、單燈調(diào)光。

控制器與接收器之間通信接口應(yīng)符合DALI隧道數(shù)字可尋址照明接口標(biāo)準(zhǔn)，DALI隧道數(shù)字可尋址照明控制器應(yīng)具有2～4條DALI總線，總計支持l28～256盞燈具；接收器與燈具之間調(diào)光接口采用PWM接口，接收器輸出的調(diào)光信號為PWM調(diào)光信號，接收器與控制器通信中斷時，接收器控制LED隧道燈進(jìn)入全亮狀態(tài)。

4.3 RS485總線調(diào)光技術(shù)

RS485總線調(diào)光技術(shù)以燈具亮度調(diào)節(jié)控制為主，依托RS485總線實現(xiàn)系統(tǒng)通信，采用Modbus通行協(xié)議的傳輸照明控制信號+隧道以太網(wǎng)的方式進(jìn)行調(diào)光控制，通過控制器調(diào)節(jié)受控?zé)粼戳炼扰c開關(guān)。系統(tǒng)的洞外亮度監(jiān)測裝置將檢測到的隧道洞外亮度信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號傳送至LED亮度控制裝置上，RS485通信的集中控制器接收監(jiān)控中心燈具照明智能管理系統(tǒng)平臺的指令后，將接收信息轉(zhuǎn)為DC 0～10 V的直流模擬信號輸出，與燈具通信控制LED燈上的電壓、電流，引起LED輸出功率和輸出光通量發(fā)生變化，從而達(dá)到與所連接的LED燈具分區(qū)域亮度調(diào)光控制目的。采用RS485技術(shù)與單燈控制器、電源模板進(jìn)行通信，可以實現(xiàn)無級調(diào)光，并應(yīng)用于隧道內(nèi)部、洞口的照度傳感器、車流量檢測器，有助于根據(jù)車流量和隧道外亮度控制隧道照明。RS485總線調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RS485總線調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.4 Wi-Fi無線調(diào)光技術(shù)

Wi-Fi無線調(diào)光主要將無線信號作為傳輸媒介，通過借助無級調(diào)光方式，將Wi-Fi調(diào)光光纖收發(fā)器連接公路隧道、洞口光照亮度感應(yīng)器和交通量檢測傳感器，在電源線上建立Wi-Fi基站，實現(xiàn)與LED控制器、電源模塊的無線通信，進(jìn)而可以根據(jù)隧道交通量和隧道內(nèi)外亮度智能調(diào)節(jié)照明，同時能監(jiān)測燈具的電流、電壓等參數(shù)，實時遠(yuǎn)程報警燈具故障[6]。Wi-Fi無線可以根據(jù)需求拓展，能在任意位置上補充節(jié)電燈具，故具有帶載能力好、驅(qū)動能力強的特點，即使在隧道封閉空間也能抵抗干擾，維持正常工作運行。

4.5 隧道“按需照明”控制技術(shù)

隧道“按需照明”控制技術(shù)能在無極調(diào)光控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)天氣變化、短時交通量變化等，通過洞內(nèi)外亮度檢測器和毫米波雷達(dá)或者車輛檢測器等，對隧道內(nèi)車輛進(jìn)行實時檢測與跟蹤，運用跟隨算法及邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)LED照明燈具開光和亮度的實時控制，達(dá)到“車來燈亮，車走燈暗、燈隨車走”的“按需照明”效果。該技術(shù)對于車流量小、長度越長的隧道，所達(dá)到的節(jié)能效果更明顯。

系統(tǒng)可具備科學(xué)智能調(diào)光、能耗監(jiān)測等功能，在實現(xiàn)智能調(diào)光控制的同時，可以通過不定時上報數(shù)據(jù)實現(xiàn)對燈具的巡檢，節(jié)省運營成本，有效避免LED隧道照明燈長期處于全開狀況。但是目前照明設(shè)計規(guī)范對洞外亮度和交通量調(diào)光具有一個低限指標(biāo)要求，現(xiàn)提出的控制理論對規(guī)范的交通量的低限指標(biāo)略有突破。當(dāng)下對于采用短時交通流預(yù)測控制的“按需照明”系統(tǒng)仍停留在理論與課題上，期望未來有相關(guān)的文件和標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)設(shè)計和實踐。

5 結(jié)束語

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，公路隧道照明節(jié)能控制技術(shù)也豐富多樣。目前隧道照明節(jié)能控制技術(shù)大多從可調(diào)光型燈具出發(fā)，基于隧道外光照強度、交通流量等信息，對信息進(jìn)行讀取分析后，控制器以不同的通信技術(shù)來實現(xiàn)隧道內(nèi)實時的調(diào)光控制策略，在保證隧道安全運營的情況下，能減少駕駛?cè)藛T視覺上的不適，避免因光照亮度差異化而造成交通事故，同時一定程度上實現(xiàn)隧道照明節(jié)能目標(biāo)，進(jìn)而減少隧道照明能源損耗和運營維護(hù)管理工作量。

公路隧道照明節(jié)能控制技術(shù)的選擇應(yīng)結(jié)合實際需求、運營規(guī)模和所處環(huán)境等因素綜合考慮。在傳統(tǒng)的隧道照明設(shè)計中，無論隧道中是否有車輛行駛，隧道中的照明燈具

都會持續(xù)運行，這導(dǎo)致隧道照明能耗被大量浪費。隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，未來基于隧道內(nèi)車輛識別、位置追蹤定位技術(shù)的結(jié)合，根據(jù)隧道內(nèi)交通量、洞內(nèi)外亮度環(huán)境、車輛行駛速度、天氣條件等以大數(shù)據(jù)分析新理念來計算隧道照明需求，進(jìn)而調(diào)整隧道照明實時調(diào)光控制策略，在隧道照明總體控制系統(tǒng)等方面實現(xiàn)科學(xué)化、經(jīng)濟(jì)化、人性化的照明節(jié)能控制也是隧道照明的發(fā)展趨勢。