智能化背景下智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)設計研究

摘要 該文主要研究了智能化背景下智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)的設計與實施，以應對日益增長的節(jié)能與環(huán)保需求。研究內(nèi)容致力于開發(fā)一套高效的照明控制系統(tǒng)，包括無級調(diào)光自動控制、自定義半自動分級控制以及針對特殊工況的照明控制策略。通過實現(xiàn)智能調(diào)光、緊急功能控制以及對特殊工況的靈活響應，提升了能源利用率，保證了隧道安全。研究結(jié)果表明：該智能照明系統(tǒng)能顯著降低能耗，同時保證隧道內(nèi)的照明質(zhì)量和安全標準。研究成果展現(xiàn)了智能技術在現(xiàn)代交通基礎設施中的應用潛力，可為未來高速公路隧道照明系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供有力的理論和實踐支持。

關鍵詞 智能化；高速公路隧道；節(jié)能照明；系統(tǒng)設計

中圖分類號 U453 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0136-03

0 引言

隨著全球?qū)δ茉葱屎铜h(huán)保要求的提升，高速公路隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能化已成為一個重要的研究領域[1]。傳統(tǒng)的隧道照明方式面臨著能源浪費和安全性問題，迫切需要通過現(xiàn)代智能化技術進行改進。該研究旨在探討智能化背景下，如何通過智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)的設計來提升能效和安全性，并針對不同的交通和環(huán)境條件進行照明調(diào)整，以實現(xiàn)最優(yōu)的能源使用和提高駕駛安全性。

1 設計背景

在智能化背景下，高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)的設計，可提高隧道照明效果與節(jié)能效果。傳統(tǒng)的隧道照明系統(tǒng)面臨安全性與節(jié)能性的矛盾，而現(xiàn)代隧道照明控制系統(tǒng)的出現(xiàn)便是為了解決該問題[2]。該系統(tǒng)能根據(jù)外部環(huán)境及交通流量自動調(diào)整LED燈的功率，實現(xiàn)靈活調(diào)光，既滿足照明需求也顯著降低能耗。貴州省結(jié)合《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）中對照明智能控制的描述智能控制方式是在自動控制的基礎上，于2020年6月，正式啟動了“高速公路隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)、碳匯核算模型及低碳評價指標體系研究（項目編號：2021-122-022）”，展示了智能控制系統(tǒng)的成效，該系統(tǒng)在納晴高速公路的應用中顯著提高了照明效率并降低了運維成本。該研究以實現(xiàn)高速公路隧道節(jié)能照明為目標，旨在優(yōu)化隧道內(nèi)的光環(huán)境，提升行車安全與舒適性。研究成果為綠色低碳發(fā)展指明了方向，集成了智能技術與節(jié)能控制的系統(tǒng)模式，展示了未來高速公路隧道照明設計的發(fā)展趨勢[3]。

2 智能化背景下智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)構(gòu)成

智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)由多種先進設備組成，其核心為智能照明控制器，配備亮度檢測儀、車輛檢測器、可控LED隧道燈、通信系統(tǒng)及上位機監(jiān)控管理軟件等。該系統(tǒng)通過洞內(nèi)外的亮度和車輛數(shù)據(jù)，實現(xiàn)照明的動態(tài)調(diào)控。在隧道長度超于1 km單座隧道及隧道群，系統(tǒng)中增設了伴隨式智能調(diào)光控制系統(tǒng)，通過洞外的主控雷達與洞內(nèi)分段雷達檢測車輛，以“車來燈亮，車走燈暗”的模式調(diào)整照明，優(yōu)化能源使用并減少排放。

隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)分為四級架構(gòu)，包括平臺管理層、本地管理層、通信傳輸層和設備終端層。如圖1所示，平臺管理層主要功能為通過軟件平臺遠程控制隧道照明，同時進行設備管理、參數(shù)設置，收集并展示隧道照明與能耗數(shù)據(jù)。本地管理層位于變電所，負責隧道照明的直接控制與設備維護。通信傳輸層則確保數(shù)據(jù)在本地管理層與設備終端之間的穩(wěn)定傳輸。設備終端層包括亮度檢測器、車輛檢測器及分段調(diào)光控制箱，實時監(jiān)測交通和環(huán)境亮度，根據(jù)實際需求調(diào)整照明。智能照明控制器設于隧道變電站內(nèi)的中控室，與LED亮度智能無級控制裝置通過以太網(wǎng)通信。上位機使用無級調(diào)光監(jiān)控管理軟件，進行參數(shù)設定與命令下發(fā)，保障隧道照明系統(tǒng)的精確與響應速度。此外，該控制器還能采集隧道內(nèi)的事件檢測與火災報警狀態(tài)，確保在各種通行狀態(tài)下的預警照明需求得到滿足。在通信訊號中斷的情況下，控制器可依據(jù)內(nèi)置軟件自行調(diào)光，保證隧道內(nèi)的照明連續(xù)性與安全性。

3 智能化背景下智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)調(diào)光控制設計

3.1 無級調(diào)光自動控制

智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)設計中，對無級調(diào)光自動控制系統(tǒng)進行具體設計，該系統(tǒng)利用高精度傳感器與先進的控制算法，確保隧道內(nèi)的照明既滿足安全標準也極大程度地節(jié)約能源。通過在隧道入口和內(nèi)部安裝亮度檢測儀和車流檢測儀，實時采集洞內(nèi)外的亮度和車流量信息。以上數(shù)據(jù)通過420mA或RS485信號傳送至照明控制主機，主控制器根據(jù)數(shù)據(jù)信息計算出各個照明段所需的調(diào)光功率，并將其轉(zhuǎn)換為DC05V或DC0～10V的直流模擬信號，精確控制隧道內(nèi)加強照明和基本照明燈具的輸出功率。

系統(tǒng)的核心在于智能照明控制器，該控制器依托于國家交通運輸部的調(diào)光控制標準算法，能夠自適應地動態(tài)調(diào)整LED照明燈具的輸出功率和路面亮度，以適應不斷變化的環(huán)境和交通條件。此外，當照明燈具光衰或?qū)崪y亮度結(jié)果低于標準要求時，控制器會自動增加基本照明的亮度，確保隧道內(nèi)照明符合安全規(guī)范。同時，隧道智能照明系統(tǒng)控制器通過以太網(wǎng)與監(jiān)控中心的上位機通信，使得遠程監(jiān)控和管理成為可能。上位機使用無級調(diào)光監(jiān)控管理軟件進行參數(shù)設置、指令下達、實時信號讀取和數(shù)據(jù)存儲，有效提高隧道管理效率和響應速度。該控制系統(tǒng)通過精確的數(shù)據(jù)反饋和算法運算，自動調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)節(jié)能目標，同時減少了因頻繁調(diào)整照明造成的車流干擾和燈具壽命縮短問題，確保了隧道照明的連續(xù)性和可靠性。

3.2 自定義半自動分級控制

3.2.1 照明控制

自定義半自動分級控制關鍵在于精確調(diào)整隧道入口段和過渡段的加強照明，根據(jù)《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014），加強照明的控制取決于洞外亮度、車流量、季節(jié)時段以及設計冗余。洞外亮度和車流量是主要考量因素，洞外亮度較高時，隧道內(nèi)的照明功率及亮度相應增強，以確保從明亮的外部環(huán)境進入較暗的隧道時駕駛員的視覺舒適性和安全性；相反，較低的外部亮度則減少內(nèi)部照明強度。此外，車流量增加時，為應對更頻繁的車輛進出，照明功率也相應提高。

系統(tǒng)允許操作者根據(jù)需要設置加強照明的開啟及關閉時間，增加了系統(tǒng)的靈活性和應用范圍。在傳感器失效或維護時，系統(tǒng)可轉(zhuǎn)為時間控制模式，依據(jù)夏季晴天的洞外亮度變化曲線自動調(diào)整照明強度，確保隧道照明的連續(xù)性和適宜性。調(diào)光參數(shù)是通過專業(yè)軟件按《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）自動計算得到，保障了照明系統(tǒng)的科學性和標準化，同時夜間系統(tǒng)能自動降低照明功率，以滿足最低的照明需求，進一步實現(xiàn)節(jié)能目標，表1為白晝加強照明調(diào)光的參考值，該研究照明控制設計靈活且智能，為隧道照明系統(tǒng)提供了高效、安全且經(jīng)濟的解決方案。

3.2.2 出口段加強照明亮度控制

在高速公路隧道出口段，在照明系統(tǒng)設計時加強了照明亮度控制能力，確保車輛在離開隧道時視覺適應性和安全性。該控制策略根據(jù)《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）設定，將出口段加強照明與基本照明放在同一控制邏輯中處理，通過一個控制回路來實現(xiàn)。照明系統(tǒng)依賴于實時的車流量數(shù)據(jù)和預設的時間參數(shù)，以及通過軟件自動計算的調(diào)光參數(shù)，來調(diào)整出口段的照明強度。下表為基本照明調(diào)光的參考值。

系統(tǒng)允許操作者自定義基本照明的開啟和關閉時間，同時可以設置不同的照明功率，以適應夜晚及白天不同的照明需求，該調(diào)控方式可根據(jù)車流量自動調(diào)節(jié)照明強度，也允許根據(jù)時間變化進行手動設置，確保隧道出口段在不同時間和不同交通狀況下都能提供適宜的照明環(huán)境。此外，半自動分級控制模式結(jié)合了自動計算與用戶自定義設置，提升了系統(tǒng)的適應性和節(jié)能效果。隧道照明系統(tǒng)通過出口段加強照明亮度控制方法，確保從隧道內(nèi)至外部環(huán)境的過渡不僅安全而且平滑，從而有效減少因照明不當引起的交通事故，同時達到節(jié)能減排的目標。

3.2.3 伴隨式分段自動調(diào)光控制

在智能無級調(diào)光控制系統(tǒng)中，伴隨式分段自動調(diào)光控制作為具體的調(diào)光控制系統(tǒng)，主要是為了實現(xiàn)在車流量較小的路段中，照明系統(tǒng)達到節(jié)能效果。該系統(tǒng)通過實時檢測和跟蹤隧道內(nèi)車輛，動態(tài)控制LED隧道燈的開關和亮度，實現(xiàn)“車來燈亮、車走燈暗、燈隨車走”的節(jié)能照明效果。伴隨式分段自動調(diào)光控制方式可以顯著減少LED隧道燈在無車輛或車流量小的狀態(tài)下的能耗，支持運行管理單位根據(jù)實際通行情況選擇是否啟動該系統(tǒng)。系統(tǒng)的設計依據(jù)《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）以及最新的《公路隧道LED照明調(diào)光系統(tǒng)設計標準》（T/CECS G：D85-11—2022），考慮隧道內(nèi)外實時亮度與車流情況，自動調(diào)整照明強度。當雷達探測到車輛即將進入隧道時，控制服務主機激活自動調(diào)節(jié)控制算法。此算法基于實時的車輛通行數(shù)據(jù)和照明亮度信息，生成必要的亮度控制及調(diào)節(jié)信號。從隧道入口至出口，照明系統(tǒng)依次在車輛前后一定距離內(nèi)調(diào)整照明強度，形成一條光亮的路徑伴隨車輛前行，避免照明系統(tǒng)無效運行，從而有效節(jié)約能源。該系統(tǒng)配置不僅提高了隧道的能效，也確保了通過隧道時的駕駛安全。

3.3 控制功能設計

3.3.1 緊急功能控制

當隧道內(nèi)發(fā)生如火災或車禍等緊急情況時，系統(tǒng)可以迅速反應，通過多種激活方式調(diào)節(jié)照明。緊急功能可通過監(jiān)控中心或隧道管理站的軟件平臺、照明控制柜的觸控屏、隧道內(nèi)的觸發(fā)按鈕以及火災報警系統(tǒng)的觸發(fā)條件來激活。一旦觸發(fā)，控制系統(tǒng)將隧道照明LED燈調(diào)至應急模式，通常是調(diào)光至設定的100%最大功率輸出狀態(tài)。以上設計確保在視覺上最大限度地支持緊急響應和撤離需求，提高隧道內(nèi)的安全性，保障人員的迅速疏散和緊急情況下的有效處理。

3.3.2 特殊工況照明控制

充分考慮特殊工況下的照明控制需求，系統(tǒng)中設置了多種照明模式以應對不同情形：首先，在隧道養(yǎng)護維修作業(yè)期間，為確保作業(yè)人員的安全和工作效率，作業(yè)地點前后的照明燈具需開啟至最大程度[4]。其次，當隧道內(nèi)發(fā)生交通事故、火災或進行交通管制時，所有照明燈具也應開啟至最大亮度，以提高駕駛者的可見度和事故處理的安全性。此外，遇到惡劣天氣或其他緊急情況時，系統(tǒng)將同樣提升照明至最大輸出，確保隧道內(nèi)部環(huán)境的安全與清晰可見。在國家法定節(jié)假日期間，系統(tǒng)亦會根據(jù)白晝和夜間的不同需求調(diào)整照明亮度，白晝時所有燈具開啟至最大程度，夜間則同時激活基本與應急照明，確保節(jié)日期間隧道的行車安全。各項控制策略均按現(xiàn)行相關規(guī)范執(zhí)行，旨在通過靈活的照明控制滿足不同特殊工況下的需求，同時確保節(jié)能效果的最大化。

3.3.3 系統(tǒng)故障控制

在智能化背景下設計的高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)中，特殊工況照明控制策略確保在系統(tǒng)故障情況下的安全性與可靠性[5]。當智能無極調(diào)光控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)設計要求加強照明和基本照明燈具自動達到100%輸出功率，以維持隧道內(nèi)的光環(huán)境和確保行車安全。此外，操作人員可以通過軟件界面手動操作，開啟或關閉各照明回路。系統(tǒng)同時確保在發(fā)生斷路或其他故障時，所有加強照明和基本照明回路自動全開，并在此狀態(tài)下運行。應急預案中包括對燈具調(diào)光控制線的自主實時檢測功能，一旦檢測到斷路或其他故障，燈具將自動轉(zhuǎn)入最高亮度模式。此外，系統(tǒng)設計包含異常立即上報的機制，確保運維團隊能夠迅速響應并處理任何異常情況。自動化的故障響應和控制功能的實施，不僅提高了隧道的運行效率，還顯著增強了使用過程中的安全性，確保在任何特殊情況下均能保持良好的照明條件。

4 結(jié)束語

該研究深入探討了智能化背景下智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)的設計，成功整合了無級調(diào)光自動控制、自定義半自動分級控制及特殊工況照明控制等關鍵技術。通過智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對隧道照明的精準管理，有效應對了緊急情況和特殊工況下的照明需求，確保了隧道內(nèi)的安全與舒適性。研究成果展示了在節(jié)能和環(huán)保要求日益增加的當下，通過智能化技術優(yōu)化隧道照明系統(tǒng)的可能性和實效性。該系統(tǒng)的應用可望推廣至更廣泛的交通基礎設施中，為智慧交通的發(fā)展提供堅實的技術支持和創(chuàng)新思路，同時也為環(huán)境保護貢獻力量。此項研究不僅提升了隧道照明的能效和安全性，也標志著高速公路隧道照明系統(tǒng)向更智能、高效、節(jié)能方向邁出重要一步。

參考文獻

[1]許偉鋒，黃培庭.高速公路隧道照明節(jié)能與智能控制系統(tǒng)[J].中國交通信息化，2023（1）：139-141.

[2]楊帥.高速公路隧道照明節(jié)能技術的研究[J].運輸經(jīng)理世界，2023（23）：112-114.

[3]歐陽立均.高速公路隧道照明節(jié)能設計實踐[J].光源與照明，2023（3）：39-41.

[4]朱民強.高速公路隧道照明節(jié)能控制研究[J].光源與照明，2023（6）：21-23.

[5]員偉.公路隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)設計與應用[J].交通世界，2023（19）：121-123.