高速公路隧道照明節能探索

李東玉 廖 江 王 帥 周 華 李良榮

（1.貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽550025；2.貴州電子信息職業技術學院 通信工程系，貴州 凱里556000）

《國家節能減排十二五規劃》中指出，突出抓好工業、建筑、交通與公共設施等重點領域和重點用能單位節能，大幅提高能源利用效率，有效減少主要污染物排放總量。高速公路作為交通和公共服務設施理應做好相應的節能減排工作。隨著經濟的高速發展，我國高速公路總長在2013年12月份已達到104468公里，位居世界第一位，其中新建高速公路8260公里[1]。據統計，2014年全國計劃新開工的高速公路共計96條，建設總里程達8150.76公里。從地區分布上看，新建項目主要集中于西部地區，建設里程達1742公里。隨著西部大開發戰略的實施，預計到2015年，中國西部地區高速公路總里程將達到3.6萬公里[2]。

高速公路對國家的經濟發展和現代化建設至關重要。在我國西部山區，隧道和橋梁建設是高速公路建設的重要手段。要保證隧道行車安全，隧道照明實施是關鍵。根據《公路隧道照明設計細則》，以下簡稱《細則》，長度達100m以上的隧道都應設置照明[3]。山區地形、地質、水文條件復雜，造成構造物眾多，橋梁和隧道總長占路線長度的比例大，有些山區高速公路的橋隧比高達70%-80%[4]。而一些高速公路的車流量并不大（尤其是一些支線公路），為了行車安全24小時照明，浪費了很多能源。為響應國家節能減排的號召，隧道照明能耗問題成為隧道設計和建設過程中備受關注的一項重要內容。

隧道是公路上的特殊路段，隧道內外亮度變化極大，隧道入口處存在“黑洞效應”，影響駕駛員的視覺滯留時間，使其無法辨清道路狀況；隧道出口處存在“白洞效應”，對駕駛員產生強烈的炫光，會對視覺系統造成很大影響。國內外相關資料表明，這些原因引發的交通事故比例較大[5-7]，為降低隧道照明能耗，提高隧道行車的安全性，急需在公路隧道內設置合理的節能照明系統。

1 隧道照明要求

為提高高速公路隧道行車的安全性，降低或消除“黑洞效應”和“白洞效應”的影響，《細則》對隧道照明進行了相關規定。隧道照明系統分為入口段、過渡段、中間段和出口段，過渡段又劃分為三個小段。隧道內各路段照明亮度要求如圖1實線所示。

圖1 隧道內各路段亮度要求

1.1 入口段照明

隧道入口段的亮度根據隧道接近段亮度確定，計算公式：

式中Lth為入口段亮度，L20（s）即自然光采集器采集的隧道接近段亮度值，k為入口段亮度折減系數。k由行車速度、交通量共同決定，根據《細則》可知，k的最大值為0.045。

隧道入口段的長度計算公式為：

式中，Dth為入口段長度，Ds為停車視距，視距由設計的車速和洞口縱波決定，h為洞口內凈空高度。

1.2 過渡段照明

《細則》建議將過渡段照明分為3個區段，各區段的亮度值是在入口段亮度值Lth的基礎上進行折減，折減系數分別為0.3、0.1和0.035。三段的亮度值分別用Ltr1、Ltr2和Ltr3表示，計算公式如下：

Ltr1=0.3LthLtr2=0.1LthLtr3=0.035Lth

過渡段的長度由設計的車速決定。《細則》提供了過渡段照明亮度與車速關系的CIE曲線，如圖2所示。關系表達式為：

式中，t為時間變量，是指車輛進入過渡段時開始計時，到達過渡段的某區段的時間，乘以車速即可得到該區段的長度。

圖2 過渡段照明亮度與車速的關系

1.3 中間段和出口段照明

中間段亮度宜取2cd/m2-15cd/m2，具體由車速、交通量和車道共同決定。《細則》規定，在單向交通隧道中，應設置出口段照明，照明亮度為中間段的5倍，長度一般取60m。

2 照明燈具

目前我國高速公路隧道照明系統多采用高壓鈉燈作為照明燈具，考慮維護系數等，通常要選用150W以上的高壓鈉燈，普遍存在過度照明的問題[8]。而在相同的視覺條件下，LED燈比高壓鈉燈節電60%-70%，光源利用率高，且光色更接近自然光。以貴州省貴陽市黔靈山隧道（長度1580m）為例，此隧道目前的照明燈具為300盞高壓鈉燈，且為長明狀態。在不改變燈具布局的前提下，把高壓鈉燈換為LED燈，年能耗比較結果如表1所示[9]。從表1可以看出，用LED燈具24小時照明可降低40%的能耗，以0.5元/度的電價計算，僅此隧道每年可節約7.9萬元的照明開支。

表1 高壓鈉燈與LED燈的年能耗比較

LED燈除了光源利用率高之外，它的色溫可以在4000K～7000K之間靈活選擇，顯像指數可達80以上。最突出的特點是LED燈不存在啟動延時問題，隨時接通隨時工作，非常適用于隧道燈的智能調節。LED燈還具有使用壽命長且無污染的優點，是隧道照明的理想綠色光源。

有部分隧道將高壓鈉燈和LED燈混合使用。如秦嶺終南山公路隧道，該隧道被譽為“中國第一長隧”，全長18.02km，照明燈具分為用于基本照明的高壓鈉燈和用于加強照明的LED燈[10]。雖然各段照明亮度滿足《細則》要求，很大程度上降低了隧道行車的安全隱患，但照明方式并非智能方式，每年的能耗是巨大的。

3 照明方式

目前我國高速公路隧道照明系統普遍采用長明燈的照明方式，能夠實現的自動控制非常有限，這種傳統的照明系統存在能源浪費問題[11]。如陜西西漢高速公路隧道全年照明電費接近2300萬元[12]。部分隧道采取人工或時序控制方式，但人工控制方式存在人為的差異性，并存在距離上誤判可能，且人員方面也需要不小的開支。時序控制是每季度確定一個時間表自動按時控制，此控制方式雖然有一定的智能性，減少了人員開支，但只實現了照明亮度隨季節變化的功能。若有時天氣變陰，天空很快就暗下來，這種情況照明系統無法做出相應調整，對隧道內行車會產生不利影響。為解決以上兩種控制方式的弊端，使隧道照明達到節能、安全的效果，需要一種“車近燈亮、車過燈滅、智能調光”的隧道智能照明系統。

為了使隧道內部的亮度隨外界亮度實時改變，需要在洞口接近段放置自然光采集傳感器，隨時采集洞口亮度，用作隧道內部亮度調節的依據，這樣可以消除洞口的“黑洞效應”帶來的安全隱患。在隧道內部安裝通行傳感器，當某位置的傳感器檢測到所在區域有車輛通行時，車輛所在位置前后路段的燈亮；當檢測不到所在路段有車輛通行時，所在路段的燈滅。如圖3所示，當車輛行至路段1時，隧道路段1和2的燈亮，當車輛行至路段2時，隧道路段2和3的燈亮，同時路段1的燈滅。以此類推，車輛行駛于隧道內任意位置，只有車前后一段距離的燈亮，在外界看來，就像一條“光亮帶”引導車輛在隧道內行駛，從而實現隧道照明智能節能的效果。

圖3 照明方式設計

4 設計方案

現介紹一種智能照明系統，其設計架構如圖4所示，圖中的虛線框表示隧道內部，燈具控制器為信息處理單元。當車輛行駛接近隧道，燈具控制器1的車輛檢測傳感器檢測到車輛時，燈具控制器1開啟，燈具控制器1接收來自隧道外的控制信號（Lth），經過控制器的信息處理單元，產生用于控制LED亮度的PWM信號，同時將L th及路段信息輸出至燈具控制器2。當車輛行駛至燈具控制器2的車輛檢測范圍時，燈具控制器2開始工作，工作流程和燈具控制器1相同。當車輛行駛至隧道內，駛出燈具控制器1的車輛檢測范圍，同時也沒有車輛再次駛入車輛檢測范圍時，燈具控制器1停止工作，所在路段的LED燈滅，從而實現智能照明。

圖4 智能照明系統架構

隧道內環境復雜，汽車尾氣、煙塵等都會影響LED燈光線的傳播，致使地面的亮度小于實際要求，故需要引入照度傳感器實時監測隧道內的亮度，將檢測到的亮度值反饋給控制器1的信號處理單元。燈具控制器1對接收到的控制信號及照度傳感器傳來的信號進行綜合處理，使輸出PWM信號的占空比做出相應改變，這是隧道內部亮度的自適應調節過程，這樣無論隧道內的環境多么惡劣，隧道內的亮度都能達到指定要求。

經查閱大量文獻發現，目前國內研究的大部分智能照明系統中各路段的長度都是確定的，過渡段采取三段式照明。這樣設計雖然符合《細則》對各段的照明要求，但考慮到隧道行車的安全性，各段長度均按照隧道行車的最大速度設計。當有低速車輛通過隧道時，適應距離明顯縮短，而各區段長度是固定的，使隧道內仍存在不必要的能源浪費。且三段式照明方式仍存在較大的照度梯度，會降低行車時駕駛員視覺上的舒適性。

為實現隧道最大程度的節能，同時提高駕駛員視覺上的舒適性，隧道內的部分控制器需引入由雷達測速儀組成的測速模塊。選取對應路段的最大行車速度，并將此速度信息加入到控制器間傳輸的數據流中。當控制器接入測速模塊時，信號處理單元按照測速模塊的數據進行處理，否則按照上級控制器的速度進行信息處理。隧道內控制器間距也要做出相應規定，如規定隧道內燈具控制器間距為10m，各控制器可以根據段位信息計算出其在對應區段的位置。對于入口段照明中的亮度折減系數k與停車視距Ds，可以根據入口段行車的最高車速v，依據《細則》的要求進行插值，這樣入口段長度及照度值的自動調節將取決于最高車速v。當控制器接收到過渡段的數據時，各控制器可根據段位信息計算出其距過渡段初始處的距離s，再根據過渡段的行車最高速度v，計算出圖2中的橫坐標，t=s/v，從而得出段位照度值。當亮度信號在2cd/m2～15cd/m2之間時，系統自動切換到中間段照明，具體數值依然根據《細則》進行插值，這樣隧道內各段位LED燈的照度值L成為關于最高速度v的函數。當隧道內行車最高速度變化時，各區段的長度及各段位的照度值都會隨之變化，既能提高隧道內個別高速車輛行駛的安全性，又避免隧道內車輛均為低速時造成能源浪費，可進一步提高隧道照明的智能節能效果。

5 結語

本文就照明燈具和照明方式兩個方面介紹了隧道節能措施，選用大功率LED燈及智能的照明方式，不僅可以使隧道照明具有良好的節能效果，而且能在很大程度上提高行車的安全性。特別是在交通量較少的夜間，可避免隧道內無車輛行駛時的無效照明。另外，論文的系統設計部分提出一種新穎的智能系統，和目前大部分學者研究的系統相比，該系統的節能性與安全性進一步提高。隧道內環境復雜，可能會造成照明系統中某單元損壞。若在系統中配置GSM模塊，將隧道內的各項數據信息實時反饋到監控中心，當隧道照明系統出現異常時，便可以馬上派相關人員進行檢修。這種隧道照明遠程監控功能是今后研究的重點，也是隧道照明更加智能的一個研究方向。

［1］中國高速公路總里程突破10萬公里，高居世界第一［EB/OL］.http://www.phbang.cn/general/143172.html.

［2］西 部高速路2015年將達3.6萬 公 里［EB/OL］.http://www.keyunzhan.com/knews-102324/.

［3］JTG/TD70/2-01—2014.公路隧道照明設計細則［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［4］韋龍林.淺析山區高速公路橋梁施工特點及技術［J］.中國科技博覽，2010（26）：304.

［5］馬聰.云南省高速公路隧道照明系統節能技術應用研究［D］.重慶：重慶交通大學，2011.

［6］張生瑞，馬壯林，高速公路隧道交通環境評價指標體系［J］.長安大學學報：自然科學版，2006，26（2）：77-80.

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［9］潘鳴，李良榮.基于LED的隧道智能照明技術方案研究［J］.電子設計工程，2011，19（22）：157-159.

［10］王青錄.秦嶺終南山公路隧道照明系統設計［J］.中國交通信息化，2011（4）：113-114.

［11］龔貽華.城市隧道照明控制系統的設計與實現［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

［12］陳忠良.淺談隧道照明節能控制及安全監控方案［J］.現代隧道技術，2009，46（3）：105-111.