公路隧道照明控制參數(shù)分析與控制決策研究

吳連波，張玉春，林有心，肖昭明，蔣浩鍇

（1.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518028；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518037）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得山區(qū)公路隧道的建設(shè)與日俱增，而山區(qū)公路隧道前期運(yùn)營的交通量小但費(fèi)用高，因此如何在保障行車安全的前提下，降低能源消耗、節(jié)約運(yùn)營成本成為廣大隧道科研設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營單位迫切需要解決的問題[1]。

目前，國內(nèi)對于隧道照明的節(jié)能研究不斷深入，一系列的無極調(diào)控技術(shù)出現(xiàn)，如DALI調(diào)光方式，PS485調(diào)光和電力載波技術(shù)等[2-3]，但其高額的實(shí)施成本使得現(xiàn)有的山區(qū)公路隧道大多使用基于隧道入口照明的節(jié)能控制系統(tǒng)。山區(qū)隧道照明控制主要是受光強(qiáng)檢測值、隧道交通量、車速、燈具開閉頻率等基本參數(shù)的影響，而目前大多學(xué)者沒有深入探究其具體影響，導(dǎo)致基于入口照明的山區(qū)公路隧道節(jié)能控制系統(tǒng)有待完善。

因此本文探究了這些參數(shù)對隧道智能照明控制的影響，并總結(jié)了照明燈具開閉頻率規(guī)則，不僅有利于系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)的照明控制，也有利于延長燈具的使用壽命，在燈具達(dá)到最佳照明效果的同時(shí)降低電力的消耗，達(dá)到安全節(jié)能的目的。

1 照明智能控制策略及其參數(shù)分析

1.1 隧道照明智能控制流程

山區(qū)隧道照明節(jié)能控制模型的總體架構(gòu)的基本原理[4]主要基于光強(qiáng)檢測值、隧道交通量、車速等照明環(huán)境基本控制參數(shù)，利用亮度計(jì)算模型自動計(jì)算出隧道內(nèi)的所需照明亮度。根據(jù)所需的照明亮度和洞內(nèi)亮度，判斷對應(yīng)的照明開啟等級，再根據(jù)該照明等級，調(diào)節(jié)相應(yīng)照明燈具，圖1為隧道自動控制策略流程。

圖1 隧道自動控制策略流程Fig.1 Tunnel automatic control strategy flow

1.2 交通量對公路隧道照明控制的影響

為分析不同交通量條件下，洞外亮度對隧道內(nèi)所需亮度以及照明燈具開啟后產(chǎn)生的亮度的影響。開展了交通量對燈具開啟控制的影響分析，為便于說明問題，以某山區(qū)公路隧道為依托工程，每5 min為控制周期進(jìn)行燈具智能調(diào)光控制。燈具開啟方案為選擇大于所需亮度，并最接近所需亮度的燈具開啟組合。

1.2.1 交通量對洞內(nèi)所需亮度的影響

分別獲取了其晴天和陰天的洞外亮度、交通量N和洞外車速后，可計(jì)算出不同洞外亮度條件下隧道入口段所需亮度。圖2分別給出了晴天洞外亮度較高和陰天洞外亮度較低時(shí)，交通量N小于350 h·ln以及交通量N大于1 200 h·ln時(shí)某隧道入口段所需亮度隨時(shí)間變化情況。

圖2 某隧道不同天氣條件下入口段所需亮度Fig.2 The required brightness of the entrance section under different weather conditions in a tunnel

通過對比晴天和陰天時(shí)N小于350 h·ln的低交通量條件和N大于1 200 h·ln的大交通量條件下的隧道入口段的亮度需求，可以發(fā)現(xiàn)：在洞外低亮度條件下，交通量的大小對洞內(nèi)所需亮度的影響不大；在洞外亮度較高的條件下，交通量越大，洞內(nèi)入口段所需的亮度越高，如圖2（a）所示，在洞外亮度較高的同一時(shí)間段內(nèi)，N大于1 200 h·ln時(shí)洞內(nèi)所需亮度相比于N小于350 h·ln時(shí)洞內(nèi)所需亮度高約50 cd/m2。但陰天洞外亮度較低時(shí)，白天時(shí)間段內(nèi)N大于1 200 h·ln時(shí)洞內(nèi)所需亮度相比于N小于350 h·ln時(shí)洞內(nèi)所需亮度僅高約10 cd/m2。另一方面，晴天時(shí)洞外亮度能達(dá)到4 000 cd/m2甚至更高，故隧道入口段50 cd/m2的亮度差影響并不大，因此，總體來說，交通量對洞內(nèi)入口段所需的亮度的影響并不是特別顯著。

1.2.2 交通量對洞內(nèi)燈具控制的影響

如圖3所示，基于智能照明控制策略，選取了晴天和陰天的數(shù)據(jù)，分別繪制了一天內(nèi)交通量N小于350 h·ln以及交通量N大于1 200 h·ln時(shí)，隧道入口段所需亮度與開啟燈具實(shí)際亮度隨時(shí)間的變化情況。

圖3 某隧道入口段不同天氣條件下所需亮度與開啟燈具實(shí)際亮度Fig.3 The required brightness and the actual brightness of the open lamp under different weather conditions in the entrance section of a tunnel

由圖3可以看出，照明燈具的開啟較好地適應(yīng)了洞內(nèi)亮度的需求，當(dāng)洞外亮度較高時(shí)，大交通量所需亮度較高，但受到燈具本身功率大小的限制，其開啟燈具亮度與交通量較小時(shí)差別不大，如圖3（a）所示，在10：00 — 15：00時(shí)間段內(nèi)，交通量N大于1 200 h·ln時(shí)燈具開啟亮度與所需亮度最大相差75 cd/m2，且與相同洞外亮度條件下、交通量N小于350 h·ln時(shí)燈具開啟亮度相差不多；當(dāng)洞外亮度較低時(shí)，如圖3（b）所示，交通量的大小對燈具開閉的影響較小，僅在12：00 — 14：00有10 cd/m2左右的亮度差。因此，交通量大小對燈具的控制有一定影響，但受隧道燈具本身功率限制，導(dǎo)致總體影響范圍較小。

1.2.3 車速對公路隧道智能照明控制的影響

為探究車速對公路隧道智能照明控制的影響，以某隧道為例，收集全天的洞外亮度變化，并根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）選取不同車速不同交通量條件下的k值，并根據(jù)式（1）[5]計(jì)算對應(yīng)條件下隧道入口所需亮度。

式中：Lth是入口段TH的亮度，cd/m2；k是入口段亮度折減系數(shù)；L20（S）是洞外亮度，cd/m2。

而高速公路通行車輛的車速與道路條件、交通量以及限速規(guī)定有關(guān)，針對山區(qū)高速公路隧道的特點(diǎn)，車輛的通行速度一般限制在60～100 km/h之間。因此分別設(shè)置了60、80、100 km/h三種車速，且考慮到小于350 h·ln的低交通量和大于1 200h·ln的大交通量，繪制了隧道入口亮度隨車速的變化圖，如圖4所示。

圖4 隧道入口亮度隨車速的變化圖Fig.4 Change in tunnel entrance brightness with vehicle speed

由此可以發(fā)現(xiàn)：無論隧道內(nèi)交通量的大小，隧道入口處所需亮度都會隨著車速的增加而增加。因此需要在隧道入口設(shè)置微波車檢測器或者線圈車檢測器，實(shí)時(shí)測量車速，不斷調(diào)整隧道內(nèi)的照明控制，達(dá)到安全節(jié)能的目的。

2 照明燈具開閉頻率規(guī)則研究

山區(qū)高速公路隧道群一般采用高壓鈉燈成組開閉控制照明回路實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)的亮度調(diào)節(jié)，而快速的開閉控制高壓鈉燈，不僅達(dá)不到最佳的照明效果，減少高壓鈉燈的使用壽命，還增加電力消耗；而開閉時(shí)間過長，也將影響隧道的節(jié)能效果。為了合理設(shè)計(jì)山區(qū)高速公路隧道照明燈具的開閉頻率規(guī)則，以某隧道為依托工程，開展了不同燈具開閉時(shí)間條件下的洞內(nèi)亮度變化分析。

2.1 陰天燈具開閉頻率對所需亮度的影響

圖5、6分別給出了不同交通量在陰天洞外亮度較低的情況下，分別以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h的開閉頻率調(diào)節(jié)隧道入口段照明燈具時(shí)隧道內(nèi)實(shí)際亮度隨時(shí)間的變化情況。

圖5 低交通量條件下燈具開閉頻率對洞內(nèi)實(shí)際亮度的影響Fig.5 Effects of the opening and closing frequency of the lamp on the actual brightness in the hole under low traffic conditions

圖6 大交通量條件下燈具開閉頻率對洞內(nèi)實(shí)際亮度的影響Fig.6 Effects of the opening and closing frequency of the lamp on the actual brightness in the hole under large traffic conditions

陰天洞外亮度總體較低，通過模型計(jì)算，在低交通量（≤ 350 h·ln）和大交通量（≥1 200 h·ln）兩種條件下，由于洞外亮度較低，其洞內(nèi)照明所需亮度較低，亮度隨時(shí)間的波動從數(shù)值上看并不大，即使是大交通量的情況下（N ≥ 1 200 h·ln），隧道內(nèi)所需最大亮度也僅約27 cd/m2。故以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h的頻率調(diào)節(jié)隧道燈具，其隧道燈具開啟后的控制亮度都較好地滿足了洞內(nèi)所需亮度的要求。

2.2 晴天燈具開閉頻率對實(shí)際亮度的影響

圖7、8分別給出了不同交通量在晴天洞外亮度較高且亮度波動較大的情況下，通過計(jì)算模擬，分別以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h的開閉頻率調(diào)節(jié)隧道入口段照明燈具時(shí)隧道內(nèi)實(shí)際亮度隨時(shí)間變化的情況。

圖7 低交通量條件下燈具開閉頻率對洞內(nèi)實(shí)際亮度的影響Fig.7 Effects of the opening and closing frequency of the lamp on the actual brightness in the hole under low traffic conditions

圖8 大交通量條件下燈具開閉頻率對洞內(nèi)實(shí)際亮度的影響Fig.8 Effects of the opening and closing frequency of the lamp on the actual brightness in the hole under large traffic conditions

在低交通量（≤ 350 h·ln）條件時(shí)，如圖7所示，當(dāng)以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h開閉頻率調(diào)節(jié)隧道燈具時(shí)，其隧道燈具開啟后的控制亮度都能夠適應(yīng)洞內(nèi)所需亮度的要求。但1 h開閉頻率調(diào)節(jié)的工況的適應(yīng)度比其他工況要差，如圖7中虛線框所示，燈具以1 h開閉頻率調(diào)節(jié)時(shí)會出現(xiàn)明顯調(diào)光滯后現(xiàn)象。

在大交通量（≥1 200 h·ln）條件時(shí)，如圖8所示，燈具以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h頻率開閉時(shí)，產(chǎn)生的洞內(nèi)亮度與洞內(nèi)所需亮度的對應(yīng)關(guān)系變化基本一致。在洞外亮度相對較低時(shí)，五種工況基本都滿足了洞內(nèi)所需亮度的要求；但在大交通量且洞外亮度持續(xù)較高的情況下（10：00—15：00），受燈具自身功率限制，該五種工況產(chǎn)生的洞內(nèi)亮度已經(jīng)達(dá)到了燈具最大亮度，但與所需的洞內(nèi)亮度還是有一定的差距，最大亮度差約83 cd/m2。綜合考慮安全、建設(shè)規(guī)模、成本經(jīng)濟(jì)等多種因素，如果因?yàn)橐恍O端的情況，而大幅提高建設(shè)規(guī)模和成本，也是不實(shí)際的，故照明設(shè)計(jì)是合理的。對于控制策略來說，該條件下，燈具開閉頻率為5 min、10 min、20 min、30 min、1 h時(shí)，總體上來說都能夠適應(yīng)洞內(nèi)的亮度要求。

2.3 燈具開閉周期總結(jié)及規(guī)則制定

基于洞外不同天氣樣本和不同開閉周期條件下的燈具產(chǎn)生照明亮度與所需亮度的匹配關(guān)系，可發(fā)現(xiàn)：5 min、10 min、20 min、30 min的隧道照明燈具開閉頻率，其燈具開啟后的實(shí)際亮度基本都能較好地適應(yīng)洞內(nèi)所需亮度的要求，同時(shí)20 min、30 min的燈具控制頻率，還比5 min工況體現(xiàn)出較好的平穩(wěn)性，避免過頻的照明波動；而1 h工況，受交通量影響，洞外亮度變化呈現(xiàn)一定的調(diào)光滯后性?；谝陨弦?guī)律，燈具開閉頻率的基本原則如下：

（1）因缺乏燈具開啟頻率對燈具損壞的基本概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，故應(yīng)盡量在滿足洞內(nèi)所需照明的要求上，提高燈具開閉的時(shí)間。

（2）山區(qū)高速公路隧道燈具的最低開閉時(shí)間為30 min，同時(shí)結(jié)合交通量、亮度隨時(shí)間的變化關(guān)系，每天時(shí)間點(diǎn)等多種因素，確定延遲開閉的時(shí)間。

（3）每天11：00以前為洞外亮度大部分上升時(shí)間，15：00以后為洞外亮度大部分下降時(shí)間，該時(shí)間段內(nèi)應(yīng)分別設(shè)定一定暫停時(shí)間和開啟時(shí)間。

3 結(jié)語

現(xiàn)有的山區(qū)公路隧道大多使用基于隧道入口照明的節(jié)能控制系統(tǒng)，為了增強(qiáng)該系統(tǒng)的智能化程度，本文結(jié)合實(shí)體隧道數(shù)據(jù)，探究了洞外亮度、交通量、車速、燈具的開閉頻率等環(huán)境參數(shù)對隧道智能照明控制的影響，得出以下結(jié)論：

在洞外低亮度條件下，交通量的大小對洞內(nèi)所需亮度以及燈具控制的影響不大；在洞外亮度較高的條件下，大交通量會對公路隧道的智能照明控制產(chǎn)生一定的影響，但總體來說，交通量對隧道燈具控制影響不顯著或影響范圍不大。

無論隧道內(nèi)交通量的大小，隧道入口處所需亮度都會隨著車速的增加而增加。

山區(qū)高速公路隧道燈具的最低開閉時(shí)間為30 min，也可以結(jié)合交通量、亮度隨時(shí)間的變化關(guān)系、每天時(shí)間點(diǎn)等多種因素，在盡量在滿足洞內(nèi)所需照明的要求上，確定延遲開閉的時(shí)間。

可以在每天11：00以前和15：00以后分別設(shè)定一定暫停時(shí)間和開啟時(shí)間。