一種新型隧道照明智能控制技術(shù)

劉建康，黑海旭，孔令豪

（中交二公局鐵路建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000）

引言

隧道規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，隧道營(yíng)運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)將日益突出，保證行車安全的照明運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也將面臨更大的壓力。2021 年初，“碳達(dá)峰、碳中和”被首次寫入政府工作報(bào)告，也對(duì)我國(guó)公路隧道安全與品質(zhì)與節(jié)能提出更高要求。隧道照明作為最能體現(xiàn)公路安全、綠色、品質(zhì)與科技的重點(diǎn)工程將成為建設(shè)和管養(yǎng)成效關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 技術(shù)研究依托工程概況

G7521 渝筑高速重遵段（貴州境）擴(kuò)容工程項(xiàng)目為雙向六車道在建高速公路，其中大土隧道左右兩幅分別長(zhǎng)1 112 m 和1 108 m，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，單洞為三車道，左右幅進(jìn)出洞口均為端墻式洞門。大土隧道共有人行橫通2 處，車行橫通1 處，緊急停車帶左右線各1 處。大土隧道為雙向六車道，隧道路面寬度12.5 m，照明設(shè)計(jì)速度100 是km/h，交通量為675 veh/（h.ln），為端墻式洞門，根據(jù)《隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01-2014），洞外亮度取3 500 cd/m2，亮度折減系數(shù)取0.04，選用LED 燈具的光效不小于110 lm/W。大土隧道左線照明設(shè)置的情況見表1。

表1 大土隧道左線原照明設(shè)計(jì)方案

原方案具備一定智能調(diào)光控制功能，但具有較大改進(jìn)空間。

2 新型智能控制系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

（1） 隧道照明燈具光效可進(jìn)一步提升，降低裝機(jī)功率，增強(qiáng)節(jié)能水平。

（2） 隧道照明燈具配光、布燈方式可進(jìn)一步優(yōu)化，改善隧道照明環(huán)境。

（3） 控制系統(tǒng)算法可進(jìn)一步優(yōu)化，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。

2.2 實(shí)施工藝流程

2.2.1 燈具選擇

本次依托工程應(yīng)用設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了燈具選型優(yōu)化，以高效、節(jié)能為目標(biāo)，采用基于COB 光源的LED照明燈具。該類LED 燈具采用了航天散熱技術(shù)，其散熱能力達(dá)104 W/cm2，是目前絕大多數(shù)LED 燈具型材散熱水平的1 000 倍，高效散熱器使得燈具芯片溫升更低，保障燈具使用壽命長(zhǎng)、高光效、低光衰、更節(jié)能、高質(zhì)量持續(xù)照明，具有免維護(hù)等特點(diǎn)，從而節(jié)約后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用[1]。

大土隧道照明基本照明和應(yīng)急照明使用40 W LED 單色溫隧道燈具，加強(qiáng)照明使用150 W、120 W LED 單色溫隧道燈具。燈具發(fā)光角度為130°，整燈光效1 40l m/W，色溫3 000 K（入口段、基本應(yīng)急照明）/5 000 K（其它照明），顯色指數(shù)70，燈具圖示意見圖1。

圖1 隧道LED燈具及130°蝙蝠翼型配光

2.2.2 燈具布設(shè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)高效燈具的光效和配光進(jìn)行設(shè)計(jì)，隧道照明分別設(shè)置入口加強(qiáng)段1、入口加強(qiáng)段2、過渡加強(qiáng)段1、過渡加強(qiáng)段2、中間段、出口加強(qiáng)段1、出口加強(qiáng)段2。為合理布設(shè)燈具，先將各階段需求光源強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算[2]。

入口段計(jì)算方式為

式中：Lth- 亮度，單位cd/m2；

k- 系數(shù)，取值0.035；

L- 外部設(shè)計(jì)最大亮度，單位cd/m2；

計(jì)算可得Lth=175 cd/m2。

過渡段1 計(jì)算方式

式中：Lth- 入口段亮度，單位cd/m2；

Ltr1- 過渡段1 亮度，單位cd/m2；

計(jì)算可得Ltr1=52.5cd/m2。

過渡段2 計(jì)算方式

式中：Lth- 入口段亮度，單位cd/m2；

Ltr2- 過渡段2 亮度，單位cd/m2；

計(jì)算可得Ltr1=17.5cd/m2。

中間段計(jì)算方式

Lin=4.5 cd/m2（查表可得）

出口段計(jì)算方式：

出口段亮度一般取中間段照明亮度5 倍，即：

式中：Lout- 出口段亮度，單位cd/m2；

Lin- 中間段亮度，單位cd/m2。

根據(jù)計(jì)算，在滿足亮度需求的同時(shí)，加強(qiáng)和基本照明采用兩側(cè)交錯(cuò)布置的方式（如圖2），亮度均勻度U0≥0.4，縱向均勻度U1≥0.7，燈具維護(hù)系數(shù)M=0.7。

圖2 雙側(cè)單排交錯(cuò)布設(shè)示意圖

具體優(yōu)化布設(shè)方案見表2。

表2 大土隧道左線照明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

與原方案相比，由于優(yōu)化方案使用的燈具具有更高光效的特點(diǎn)，可明顯減少左線照明燈具裝機(jī)功率，優(yōu)化前后的功率對(duì)比見表3。

表3 大土隧道左線照明優(yōu)化前后功率對(duì)比

2.2.3 多新鮮協(xié)同智能控制系統(tǒng)應(yīng)用

現(xiàn)有隧道照明智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與洞外亮度、交通量的實(shí)時(shí)控制，加之公路建成通車之初可能存在交通量較低的情況，為切實(shí)體現(xiàn)隧道照明的安全保證和最大節(jié)能效果，本項(xiàng)目提出多參數(shù)智能控制方案，見圖3。

圖3 照明智能控制方案

本次優(yōu)化在原照明控制方案的基礎(chǔ)上，增加定時(shí)控制功能。自動(dòng)控制方案優(yōu)化為根據(jù)洞外亮度、洞內(nèi)亮度、交通量、車速進(jìn)行的四元調(diào)光控制，其中洞外亮度、洞內(nèi)亮度由亮度儀測(cè)出，交通量、車速由微波車檢器測(cè)出，照明控制器分別讀取上述參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用兩級(jí)離散架構(gòu)，下位機(jī)為L(zhǎng)ED 無級(jí)調(diào)光智能控制器，具有完整的控制功能[3]。

國(guó)際照明委員會(huì)將隧道照明分為4 個(gè)部分，分別為入口段照明、過渡段照明、中間段照明和出口照明（見圖4）。隧道照明需要考慮路面本身具有一定的亮度水平，除此之外，還應(yīng)進(jìn)一步考慮速度、交通量、亮度變化等影響因素，特別是在隧道入口及隧道出口相應(yīng)區(qū)段，需要考慮人眼視覺適應(yīng)過程[4]。

圖4 隧道照明分段示意圖

普通自動(dòng)分檔控制技術(shù)，按照上述回路劃分，控制手段單一，很難起到精準(zhǔn)控制與高效節(jié)能的效果。對(duì)原控制方式的缺點(diǎn)進(jìn)行分析，以交通行業(yè)照明標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)依據(jù)，以研究獲得的隧道內(nèi)外最佳亮度結(jié)果為調(diào)節(jié)基礎(chǔ)，建立基于多信息協(xié)同的智能控制模型。

該模型整體構(gòu)架見圖5。利用基于光學(xué)技術(shù)車輛檢測(cè)裝置采集隧道外車速、車流量、車型，亮度采集設(shè)備獲取隧道內(nèi)外亮度。模型內(nèi)部對(duì)上述各種信息進(jìn)行協(xié)同與融合，對(duì)燈具回路進(jìn)行控制[5]。

圖5 隧道照明控制架構(gòu)圖

利用一種攝像機(jī)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)亮度測(cè)量的方法及裝備，通過利用亮度傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集圖像信息（布設(shè)圖見圖6、圖7），對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理得到灰度值，并采用亮度計(jì)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行光學(xué)標(biāo)定，得出曝光量與灰度值之間的具體函數(shù)關(guān)系，通過亮度計(jì)算公式求得目標(biāo)區(qū)域的亮度值。該方法與瞄點(diǎn)式亮度儀相比，更準(zhǔn)確表征人眼舒適度[6]。

圖6 入口段監(jiān)控設(shè)備布置示意圖

圖7 出口段監(jiān)控設(shè)備布置示意圖

與原方案相比，由于增加了環(huán)境亮度對(duì)亮度控制的折減作用，加之動(dòng)態(tài)交通量的實(shí)時(shí)控制，預(yù)計(jì)可進(jìn)一步減少照明運(yùn)營(yíng)成本10%以上。

3 結(jié)論

G7521 渝筑高速重遵段（貴州境）擴(kuò)容工程項(xiàng)目在山區(qū)公路運(yùn)營(yíng)期間，日均交通量較低，隧道內(nèi)無車通行的累計(jì)時(shí)間大于有車通行的累計(jì)時(shí)間，如果對(duì)隧道照明不施加有效控制，則會(huì)造成持續(xù)浪費(fèi)性電能支出，導(dǎo)致公路運(yùn)營(yíng)狀況惡化。該路段全線隧道采用本技術(shù)“智能隧道照明控制系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)隧道燈光的精細(xì)調(diào)控與精準(zhǔn)節(jié)能，達(dá)到“車來燈亮，車走燈暗”的效果。