基于光纖引光照明的低功耗隧道調(diào)光系統(tǒng)研究

針對(duì)高速隧道白天出入口段視覺適應(yīng)性安全需求與照明高能耗的矛盾問題，文章闡述了隧道調(diào)光系統(tǒng)的發(fā)展歷程，基于太陽(yáng)光的清潔安全和隧道洞口內(nèi)外亮度變化的自適應(yīng)性原則對(duì)單燈珠隧道光纖引光照明系統(tǒng)展開搭建和測(cè)試分析研究，試驗(yàn)得出：當(dāng)洞外的照度為84 367.66 lx、色溫為5 100時(shí)，洞內(nèi)的引光單燈珠亮度可達(dá)到6 866 261.50 lx，而洞內(nèi)常規(guī)的LED單燈照度為1 180 999.00 lx，這表明隧道單光纖照明燈珠相當(dāng)于6個(gè)常規(guī)LED燈珠的照明效果?；诖?，研究創(chuàng)新性地提出了采用超低功耗隧道光纖引光照明系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有調(diào)光系統(tǒng)的照明新方案，以下田隧道工程模型為依托，通過Dialux軟件模擬多元照明調(diào)光布設(shè)系統(tǒng)，得到隧道壁兩側(cè)安裝各10個(gè)引光燈可滿足隧道入口段行車照明需求，有效解決了隧道調(diào)光照明高能耗的難題。

光纖引光；隧道調(diào)光；超低能耗

U453.7A270914

基金項(xiàng)目：

中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)“廣西智慧道路機(jī)電系統(tǒng)新技術(shù)綜合平臺(tái)建設(shè)”（編號(hào)：桂科ZY20111015）

作者簡(jiǎn)介：

白" 謀（1994—），碩士，工程師，研究方向：面向智能交通應(yīng)用的集成光電子傳感器件。

0" 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的縱深發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的需要，曾經(jīng)較為偏遠(yuǎn)的山區(qū)成為高速公路建設(shè)新的主戰(zhàn)場(chǎng)。而隧道作為山區(qū)高速公路的一個(gè)重要組成部分，隧道所占比例非常高，其運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也正處于不斷攀升的狀態(tài)［1］。根據(jù)現(xiàn)行隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范，規(guī)定高速公路隧道和一級(jí)公路隧道長(zhǎng)度＞200 m時(shí)應(yīng)設(shè)置照明［2］，目的是減少“適應(yīng)滯后”現(xiàn)象，即白天車輛進(jìn)出隧道時(shí)由于洞內(nèi)外環(huán)境明暗差異過大而導(dǎo)致駕駛員的眼睛出現(xiàn)明暗適應(yīng)間期。此外，可增強(qiáng)隧道安全可視距離，公路隧道屬于密閉性空間，容易產(chǎn)生壓抑感，極度影響行車安全。因此，公路隧道照明成為公路機(jī)電研究的焦點(diǎn)［3］。

隧道照明從最初的白熾燈簡(jiǎn)單照明發(fā)展到低壓鈉燈和高壓鈉燈高效照明，再到現(xiàn)在常見的無(wú)級(jí)調(diào)光LED燈照明系統(tǒng)［4］。目前，公路隧道照明主要是基于節(jié)能照明LED燈和智能控制主機(jī)處理車輛行駛信息的隧道無(wú)級(jí)調(diào)光系統(tǒng)［5］。近些年，隨著隧道無(wú)級(jí)調(diào)光系統(tǒng)的更新迭代，其為隧道照明的安全節(jié)能起到積極效果，但以消耗電能的隧道照明形式依舊耗費(fèi)巨大，給高速公路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大的壓力。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示隧道內(nèi)照明費(fèi)用比普通高速公路道路照明費(fèi)用每月高出上百萬(wàn)元［6］。因此，降低隧道照明能耗一直是公路交通行業(yè)的不懈追求。光纖隧道引光照明是以無(wú)能量轉(zhuǎn)換、純綠色環(huán)保、光電完全分離等優(yōu)勢(shì)將光能經(jīng)光纖引入隧道內(nèi)提供安全與節(jié)能的直接照明，屬于純自然光傳輸照明，能夠節(jié)省大量成本，亦不存在傳統(tǒng)電光照明燈具由于光衰或壓差不穩(wěn)定等問題而產(chǎn)生的產(chǎn)品老化過快等現(xiàn)象，繼而一度成為空間綠色節(jié)能照明研究的焦點(diǎn)。

針對(duì)以上問題，本文基于太陽(yáng)光的清潔安全和隧道洞口內(nèi)外亮度變化的自適應(yīng)性原則開展隧道新型調(diào)光系統(tǒng)的研制。深入探究光纖引光照明分立器件機(jī)理，并在隧道口搭建一套單燈隧道光纖引光照明系統(tǒng)，通過測(cè)試引光系統(tǒng)單燈珠和常規(guī)LED調(diào)光單燈珠的照度和色溫，對(duì)比分析得到單個(gè)光纖照明燈珠相當(dāng)于6個(gè)LED燈珠照明的良好效果的結(jié)論。基于這些測(cè)試結(jié)果和引光器件特性參數(shù)，本文創(chuàng)新性地提出采用基于光纖引光照明的隧道調(diào)光應(yīng)用系統(tǒng)。并根據(jù)隧道安全行車可視距離的光學(xué)特性要求，利用軟件模擬仿真隧道低功耗多元照明架構(gòu)方案。有效解決了白天隧道出入口段視覺適應(yīng)性安全需求與照明高能耗的矛盾問題，為高速公路隧道交通實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排照明提供全新的解決思路。

1" 光纖引光照明原理及測(cè)試

光纖引光照明是利用光纖把匯聚后的太陽(yáng)光引至隧道指定區(qū)域照明的一種形式。引光照明系統(tǒng)由光線采集器、導(dǎo)光系統(tǒng)和光發(fā)散裝置等器件組成［7］，基于強(qiáng)光線在傳輸路徑上的低功耗壓縮與擴(kuò)散原理。具體表現(xiàn)為攜帶一定強(qiáng)度的太陽(yáng)光線通過聚光透鏡與特殊光纖實(shí)現(xiàn)低損端面耦合，由光波的非相干特性，使不同波長(zhǎng)的光在光纖的芯界面發(fā)生全反射而不斷傳遞，在輸出端利用特殊結(jié)構(gòu)尾燈對(duì)傳輸光進(jìn)行放大使輸出光達(dá)到所需的照明效果。該系統(tǒng)的引光效果極大地依賴于各個(gè)分離器件的工作效率。主要的影響因素有采光面板收集聚光能力、光線耦合效率以及傳導(dǎo)光纖的損耗。

本文通過引進(jìn)新一代的聚光面板、耦合器插件、導(dǎo)光光纖以及散光燈珠等器件，并在模擬隧道搭建如下頁(yè)圖1所示的引光照明系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)整聚光部分到導(dǎo)光光纖的

光學(xué)耦合效率以獲得良好的散光照明效果。其中，光線采集器是采用多芯徑的微小型菲涅爾透鏡集合而成的采光面板，多芯徑的微小型菲涅爾透鏡能夠在有限的面板中充分采集不同入射角度的光能量，減少光線反射而造成的浪費(fèi)。光線采集器安裝于洞外空曠位置以便光線更充分照射和收集［8］，在光線強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，導(dǎo)光器在控制電路的管理下能夠?qū)μ?yáng)光線進(jìn)行精確的追蹤，追蹤精度可以達(dá)到±0.2度，使太陽(yáng)光線能最大限度地照射到集光器微小型多芯徑的菲涅爾光學(xué)玻璃透鏡上，通過該透鏡的聚焦作用，使陽(yáng)光匯聚于光纖與透鏡之間的焦點(diǎn)，再根據(jù)入射角度的差異相繼匯入導(dǎo)光光纖中。

在低損耗導(dǎo)光器件中，本文采用高純度多模、大芯徑以及大數(shù)值孔徑的特種石英導(dǎo)光光纖，每股照明光纜中含有50束細(xì)光芯，總直徑為2 cm，具有耐高低溫、防火防潮和抗拉伸擠壓的特質(zhì)。導(dǎo)光光纖外芯結(jié)構(gòu)采用具有高反射和高純度的合成石英薄膜，確保石英光纖通光量大、柔韌性強(qiáng)，其有著近直角的敷設(shè)可彎曲弧度，且光的傳輸損耗極低，每100 m的光通量傳輸損耗為0.5%。在實(shí)際搭建過程中，根據(jù)隧道照明亮度和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，每股光纜作為一個(gè)燈珠出光端，由八個(gè)燈珠組成一個(gè)散光板（一盞燈）。光纖引光系統(tǒng)搭建和調(diào)試完成之后，開展出光端光照度測(cè)試研究，測(cè)試設(shè)備為HPCS-320照度計(jì)，將測(cè)試設(shè)備逐一對(duì)準(zhǔn)每一個(gè)燈珠并記錄光譜、光照度以及色溫等信息。分析發(fā)現(xiàn)，出光端的亮度取決于各個(gè)分離器件傳導(dǎo)過程光線的損耗，而固定式器件如聚光菲涅爾透鏡和傳導(dǎo)光纖均受限于加工工藝水準(zhǔn)，后期搭建和調(diào)試基本無(wú)法調(diào)優(yōu)。因此，本文主要根據(jù)光纖燈珠出光端實(shí)時(shí)的輸出照度值為參考，不斷優(yōu)化調(diào)整光纖插件的位置，以確保光纖插件安置于最佳的位置，繼而使透鏡所能匯集到的光線最大化地被耦合進(jìn)入傳導(dǎo)光纖中。

基于光纖引光照明的低功耗隧道調(diào)光系統(tǒng)研究/白" 謀，凌曄華，趙希逸，夏光亮，李小勇

測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，對(duì)于單燈珠而言，光纖引光照明亮度明顯大于傳統(tǒng)LED燈的亮度；對(duì)比圖2（b）和圖2（c）的光譜圖可得，光纖引光照明的光譜范圍更寬，其包含所有的可見光波長(zhǎng)，因此無(wú)明顯頻閃現(xiàn)象，不會(huì)誘發(fā)駕駛員的眩暈感受。

試驗(yàn)可知，在天氣狀況良好的情況下，洞外采光面板處的太陽(yáng)光照度為84 367.66 lx，色溫為5 100 k。經(jīng)過多個(gè)微透鏡聚光后傳輸?shù)絾螣糁槌龉舛说恼斩葹? 866 261.50 lx，色溫為5 687 k。表明透鏡聚光能力強(qiáng)、光線耦合高以及光線在光線中傳輸損耗低。測(cè)試隧道中已經(jīng)安裝好的傳統(tǒng)LED隧道照明燈，其照度為1 180 999.00 lx，色溫為4 953 k。通過對(duì)比分析可知，在光線較為充足的情況下，光纖引光的照度（6 866 261.50 lx）約為左邊LED燈單燈照度（1 180 999.00 lx）的六倍，見表1。

2" 隧道低功耗多元調(diào)光系統(tǒng)

為了解決目前公路隧道照明中電能消耗大的難題，本文根據(jù)光纖引光系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)并結(jié)合隧道照明的基本

特征，以賀巴高速公路的下田隧道為依托，提出基于光纖引光的隧道低功耗多元調(diào)光系統(tǒng)策略并通過Dialux模擬軟件驗(yàn)證其可行性。單一光纖引光照明其亮度受環(huán)境的影響大，在陰雨天會(huì)因光線弱而失去部分照明功能。特別是多云天氣，光線時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，導(dǎo)入隧道內(nèi)的光功率隨機(jī)波動(dòng)，需要隧道傳統(tǒng)電力照明迅速工作并自動(dòng)調(diào)整配電功率以補(bǔ)償隧道安全行車亮度需求。

本文提出的基于光纖引光照明的隧道低功耗調(diào)光系統(tǒng)是由PWM控制器模塊、光照感應(yīng)與數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)光算法與策略模塊、光纖引光系統(tǒng)模塊、傳統(tǒng)電力照明系統(tǒng)與運(yùn)管監(jiān)控模塊等組成。如圖3所示，光纖引光燈珠（淺色）和傳統(tǒng)隧道LED照明燈具（黑色）間隔布設(shè)。通過在隧道入口、出口及內(nèi)部關(guān)鍵位置部署高精度光強(qiáng)和色溫傳感器，如洞內(nèi)外亮度儀、視頻車檢器和色溫檢測(cè)器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)外的光照條件，包括自然光強(qiáng)度、色溫變化、陰雨天等特殊天氣狀況，為調(diào)光決策提供數(shù)據(jù)支持。利用視頻車檢器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)車流量、車輛類型、行駛速度等信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整照明強(qiáng)度以適應(yīng)不同交通流量需求。同時(shí)光纖引光系統(tǒng)中的采光器結(jié)合授時(shí)系統(tǒng)和精準(zhǔn)位置信息實(shí)時(shí)追蹤光線以滿足最大化的引光照明。

PWM控制器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、濾波及校準(zhǔn)等預(yù)處理。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)最佳照明水平，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化的照明控制。設(shè)置多種節(jié)能模式，如低峰時(shí)段自動(dòng)降低照明強(qiáng)度；無(wú)人時(shí)段僅保留基礎(chǔ)照明等，最大限度地減少無(wú)效照明。在滿足道路照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下，優(yōu)化色溫、照度分布，減少眩光，提高駕駛員視覺舒適度，降低交通事故風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷，可與運(yùn)管監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與聯(lián)動(dòng)控制，根據(jù)整體運(yùn)營(yíng)狀態(tài)優(yōu)化照明策略，如火災(zāi)發(fā)生時(shí)自動(dòng)切換至應(yīng)急照明模式。

3 "隧道低功耗照明效果評(píng)估

本文針對(duì)當(dāng)?shù)厝照諣顩r設(shè)定光平均輻射強(qiáng)度為300 w/m2；圖4（a）所示為根據(jù)廣西隧道設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)置隧道傳統(tǒng)的LED照明燈具安裝高度為5.6 m，測(cè)試面距地面2 m；基于搭建的引光系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果設(shè)定每個(gè)引光燈珠的光通量為6 500 lm，光輸出比為100%，光效率為118.2 lm/W。利用Dialux軟件模擬下田隧道入口段的安全行車照明情況。該隧道長(zhǎng)795 m，設(shè)計(jì)行車速度為120 km/h，隧道內(nèi)凈空高度為5 m，路面寬度為9.5 m，入口段亮度折減系數(shù)k=0.054，照明停車視距Ds為232 m， LED燈具發(fā)光效率為150 lm/W。

由設(shè)計(jì)文件可知，其入口段平均亮度為189 cd/m2，不考慮過渡段計(jì)算。因此入口段的平均照度為Eth=2 835 lx，入口段的照明范圍為115 m2，根據(jù)文獻(xiàn)［2］公路隧道兩側(cè)墻面2 m范圍內(nèi)的平均亮度不低于路面平均亮度的60%，則隧道光通量可表示為式（1）［9］：

Φs=Φr+Φw=Eth·Sth+Eth.w·Sth.w=

（W+1.2hw）（Eth·Dth）（1）

式中：Φs——該短隧道所需總光通量（lm）；

Φr——路面所需光通量（lm）；

Φw——兩側(cè)墻面所需光通量（lm）；

Dth ——隧道入口段長(zhǎng)度，D=30 m；

Sth——隧道入口段路面2 m高范圍內(nèi)的面積（m2）；

W——隧道路面寬度，W=9.5 m；

Eth——入口段路面照度，由交通量和設(shè)計(jì)時(shí)速?zèng)Q定（lx）；

hW ——墻面高度，hW =2 m。

在光照充足且隧道入口段光通量需求為400 000 lm時(shí)，將隧道模型參數(shù)代入式（1）求得照明需求為1 837 080 lx。

根據(jù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、隧道的照明需求和光纖照明的光利用率（多個(gè)微透鏡聚光后傳輸?shù)絾螣糁槌龉舛说恼斩葹? 866 261.50 lx）計(jì)算仿真出隧道照明需求的系統(tǒng)規(guī)模N：

N=ΦsES·ηQ（2）

式中：ES——洞外照度（lx）；

ηQ——光纖照明系統(tǒng)總效率（%）。

經(jīng)過計(jì)算得出所需的太陽(yáng)光光纖尾燈數(shù)量為20個(gè)。單燈珠50芯的光纖引光照明單元和傳統(tǒng)LED燈互補(bǔ)調(diào)光的仿真安裝照明情況如圖5（a）所示，在隧道入口15 m位置開始，在兩側(cè)壁約5 m高位置共安裝10個(gè)太陽(yáng)光引光光纖燈珠，其位置低于LED燈60 cm，并與LED燈進(jìn)行交互間隔布設(shè)，布設(shè)間距為1 m，其測(cè)試值為1 000 lx，滿足隧道對(duì)安全行車的照明要求，結(jié)果如圖5（b）所示。本研究表明，基于光纖引光的隧道多元照明系統(tǒng)不僅能滿足隧道行車安全的需求，還具有低碳節(jié)能、綠色環(huán)保和行車無(wú)眩暈等優(yōu)點(diǎn)，成為公路隧道安全與節(jié)能照明的發(fā)展趨勢(shì)。

4" 結(jié)語(yǔ)

隨著高速公路向山區(qū)延伸，隧道照明能耗問題越發(fā)突出。因此，本文在當(dāng)前國(guó)家“碳中和”方針的指引下，依據(jù)光纖引光照明無(wú)能量轉(zhuǎn)換、純綠色環(huán)保、光電完全分離等優(yōu)勢(shì)開展系統(tǒng)搭建、耦合調(diào)參以及測(cè)試分析等系列工作。得到在光線充足的情況下，洞內(nèi)的引光單燈珠可達(dá)到亮度6 866 261.50 lx和色溫5 687 k的良好節(jié)能照明效果?；诖藴y(cè)試研究結(jié)果，本文還結(jié)合現(xiàn)有無(wú)級(jí)調(diào)光系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新性地提出了基于光纖引光照明的隧道多元調(diào)光系統(tǒng)方案，并利用軟件模擬得到超低能耗隧道安全照明的設(shè)計(jì)效果，能夠有效緩解隧道調(diào)光照明高能耗的難題。

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20230608