公路隧道智慧照明綜述

杜 峰，翁 季，彭 力

(1.重慶大學，重慶 400044；2.福建工程學院，福州 350118)

公路隧道智慧照明綜述

杜 峰1，2，翁 季1，彭 力1

(1.重慶大學，重慶 400044；2.福建工程學院，福州 350118)

從公路隧道照明研究的重要性出發，針對公路隧道照明包含的多個方面進行了論述。公路隧道照明設計主要包含照明技術、智能控制和視覺理論等多方面的知識，以往的研究多是從某一個方面進行，文章通過多角度全面論述，整合公路隧道照明知識，促進我國公路隧道智慧照明的健康發展。

隧道照明；智慧照明；照明技術；智能控制；視覺理論

0 引 言

隨著國民經濟的飛速發展，人們對照明的追求從安全、舒適以及節能向著更高的智慧照明進發，智慧照明如今逐漸成為了研究的熱點和重點。而照明和通風能耗一直以來都是建成公路隧道中能源消耗的主要部分，其中照明能耗更是居高不下。在公路隧道中運用智慧照明可以更好地滿足安全、舒適和節能的目標。

1 公路隧道智慧照明研究概述

公路隧道智慧照明是該研究領域目前的熱點和難點問題，諸多專業人士對該方面進行了研究。國外學者對公路隧道智慧照明中動態照明的研究開始很早，在20世紀60年代，意大利和法國之間就修建了能依據車速、車流量和隧道洞外亮度進行自動調光的隧道，一時間引起了照明領域和控制領域眾多學者的關注。國內在該方面的研究近些年也逐漸增多。

2 在照明技術方面研究公路隧道智慧照明

2.1 光源選擇

公路隧道照明的光源選擇經歷了漫長的過程。從最早的白熾燈、熒光燈(FL)到后來的低壓鈉燈(LPS)和高壓鈉燈(HPS)再到汞燈(HP)、金屬鹵化物燈(MH)和發光二極管(LED)。其中，白熾燈造價低廉，光色偏暖，亮度易于控制，但其大量能耗用于發熱，能效偏低，現在不僅公路及隧道照明領域甚至公共建筑和家庭照明中都逐步取消或減少了該種光源的使用。熒光燈以及后來的緊湊型熒光燈在家庭照明中被廣泛應用，其光色大多偏冷，光效較高，但由于其單燈的功率偏低，不適用于公路隧道照明，僅適用于局部的隧道照明，如緊急停車區照明、指示照明等。氙燈是將12 V電壓增壓至23 000 V超高電壓，激穿填充在石英管的氙氣發光，然后再將電壓轉成85 V左右，穩定持續供應氙氣燈泡發光。但其燃起時間長，而且調光不易，應用較少。低壓鈉燈和高壓鈉燈由于其光效高、透霧能力強等優點現在仍然被作為道路和隧道照明光源的主力燈型，但是由于其光色偏暖偏黃，實際的光效不夠高，在同種照度下其亮度明顯偏低，所以其綜合光效不如新型光源，而且調光不便。金屬鹵化物燈和發光二極管都是新型光源，其光效高，光色好，顯色高，具有很好的發展前景。尤其是發光二極管(LED)， LED光源具有亮度高、功耗低、壽命長、啟動快、功率小、無頻閃、不容易產生視覺疲勞等優點，其光色可調性好、亮度高、光色好和壽命長等優點使其成為如今道路和隧道照明的首選。當然發光二極管也存在一些不足，如價格高、散熱不足等，但是其仍然是如今道路隧道照明中最有發展前景的一種光源。

2.2 照明方式

照明方式也從單一的照明變為順光照明、逆光照明和對稱照明等多種方式。其中逆光照明更容易顯示被照物體的輪廓，更加有利于目標物的察覺和發現，同時也相對節能。但是逆光照明如果角度處理不好，容易照到駕駛員的眼睛，產生眩光，逆光照明在車輛后方還有小車的情況下容易看不清楚小車而出現事故，從而影響駕駛的舒適性和安全性。在實際的隧道照明應用中可在隧道的不同照明段選用不同的照明方式，例如：入口段采用逆光照明，中間段采用逆光或對稱照明，而出口段采用順光照明。

2.3 光源光色及亮度

從安全和舒適的角度，隧道照明更加關注光源的光色，光色包含了色溫和顯色指數等指標。該方面的研究很多，如：劉英嬰利用司辰視覺理論研究了隧道照明中的光生物效應問題，通過視覺功效和光生物效應實驗的研究，將5種色溫的LED光源與傳統照明光源HPS、MH相比較，分析了光源色溫與反應時間和人眼瞳孔大小的變化關系，提出了適合隧道照明入口段和中間段的LED光源，為LED在隧道照明中的應用提供了實驗依據。邱凡等基于CIE推薦的隧道過渡段計算方法，分析了目前過渡段階梯式亮度分段設計的弊端，并根據洞外亮度變化推導出隧道過渡段的亮度需求公式，提出應采用新型光源結合動態無級調光技術來設置過渡段亮度，也說明了確定科學的過渡段照明指標對降低隧道運行能耗的重要性。楊韜通過對隧道內不同壁面材料的反射特性研究，以隧道照明反射增量系數對包括入口段、過渡段及中間段在內的隧道照明計算方法進行優化，獲得了材料反射疊加條件下，隧道照明平均亮度與實測平均照度的關系，并利用實測數據對計算模型加以驗證，取得了良好的節能效果。

3 在智能控制方面探討公路隧道智慧照明

在智能控制方面，研究同樣是很多的，如：王學堂等在《隧道照明控制工程研究》中分析了隧道內光強的亮度函數，建立了速度、亮度和出入口段長度之間的函數關系，設計了隧道內亮度動態控制方案，其利用光檢器和現場控制器，通過測試得出了亮度動態控制方案，擬合出了隧道照明亮度函數。王茜在《公路隧道出入口燈光配置優化及控制系統研究》中將提高公路隧道出入口照明舒適度與控制技術有機結合，參考灰色理論的隧道車流量預測算法和新陳代謝的數據處理方式，利用Matlab軟件進行了仿真，提出了隧道出入口燈光配置的優化策略，最終完成了控制系統總體設計，提高了駕駛舒適性的同時還節約了能源。闖家亮在《基于圖像處理的隧道亮度檢測系統研究》中針對隧道照明的標準與特點，分析了國內外先進的亮度檢測技術，采用了一種基于圖像處理技術的嵌入式隧道亮度在線監測系統，設計了動態圖像采集和靜態圖像處理的控制方案。該系統通過圖像處理技術和亮度檢測算法得出場景的平均亮度，并能實時顯示和上傳處理結果，滿足隧道亮度檢測要求，從控制理論方面對隧道智慧照明進行了補充。唐春在研究車輛檢測技術和照明控制策略的基礎上，采用精確的感應線圈檢測技術、燈光控制技術和感應式照明控制策略，針對交通流量小的隧道設計了車輛感應式隧道照明控制系統，實現車來燈亮、車走燈熄，平衡了安全與節能的矛盾。

楊顯立在《基于WiFi的隧道照明無線控制系統設計與實現》中分析了現有規范標準，研究了調光模型及照明曲線，對隧道照明系統進行精細化管理，不同照明區間運用不同的調光模型，建立了精確的照明曲線實現連續調光，提高了系統運行安全性，降低了能耗，開發了WiFi無線運用平臺，建設智能化隧道照明控制系統。于東東設計了一套基于Zigbee的智能LED隧道照明控制系統，通過該系統構建了一套動態調節LED燈具照明亮度的智能控制系統，采用模糊神經網絡控制算法，根據隧道洞外亮度、車流量以及車速動態調整隧道照明亮度，在保證安全性和穩定性的同時，節省了隧道的照明成本。李英舉在《基于無線傳感網絡的隧道照明控制系統研究與設計》中同樣運用了Zigbee技術，設計了隧道照明控制網絡，并從節能角度進行了分析。郭姍在《智能LED照明控制系統的設計與應用》中針對當前隧道照明控制系統存在的問題，設計了智能照明控制系統。其充分利用電子技術和通信技術，實現了對隧道照明燈具的有效控制與管理。根據車流量和洞外亮度的變化對LED隧道燈進行無級控制，使隧道內各區段照度平滑過渡，以符合人眼的適應曲線，并利用總線通信機制實現隧道數據的傳遞。

4 在視覺理論方面探討公路隧道智慧照明

眼睛里面起視覺作用的主要是錐狀細胞和桿狀細胞，明視覺狀態下起視覺作用的主要是錐狀細胞，此時人們可以分辨物體的顏色和細部；暗視覺下起視覺作用的主要是桿狀細胞，但是其不能分辨顏色和細部。而在0.01～2 cd/m2亮度之間的視覺為中間視覺，此時錐狀細胞和桿狀細胞同時起作用。公路隧道照明中的中間段以及部分過渡段照明屬于中間視覺范圍。2002年，美國布朗大學的David Berson發現了第三種視覺光感細胞——神經節細胞，它對光線不同波長的敏感度是非常不同的。我國把這種細胞作用下的視覺稱為“司辰視覺”。

Miomir Kostic等人在《基于中間視覺的道路照明解決方案的技術和經濟分析》中針對道路照明中的兩種光源指出：雖然金屬鹵化物燈比高壓鈉燈具有更好的顯色性和色表，但是由于經濟方面的原因，金屬鹵化物燈在道路照明中仍然應用很少。最近中間視覺領域的理論和實驗研究鼓勵和促使我們從技術和經濟的角度對兩種燈進行對照。基于目前對察覺亮度和視覺功效的研究發現，分析考慮了所有相關的道路照明等級、照明布置和反射等級。最終證明低照明情況和低亮度級情況下金屬鹵化物燈比高壓鈉燈更加經濟。該研究采用了視覺功效法，從經濟和技術角度進行了全生命周期經濟性分析。

M.Eloholma等人在研究夜間駕駛情況下的視覺功效時引入了一種實驗性的多功能方法以進行中間視覺光度測量研究。其將夜間駕駛的視覺功效分為三種視覺任務，引入了單色閾值和反應時間這兩個參量。這兩個參量會根據亮度從1～0.01 cd/m2的降低而降低，充分顯示了在駕駛過程中亮度級的重要影響。單色對比度閾值和反應時間對于低對比度的目標而言跟光譜作用相關，強關聯發生在低中亮度下。所有這些都顯示了“普爾金耶效應”在亮度級降低時的作用。實驗結論可用于計算新的中間視覺模型下的視覺效應。跟夜間駕駛下的V(λ)光譜曲線相比，可更好地描述依據視覺功效措施的中間視覺模型。

胡英奎為得到道路照明常用光源在中間視覺條件下的光效，采用中間視覺模型和國內外實驗數據，研究高壓鈉燈和金屬鹵化物燈在中間視覺條件下的光學特性，分析了在中間視覺條件下的光效隨適應亮度水平變化而變化的規律，提出應根據道路照明所需要的亮度水平選擇合適的照明光源。

5 小 結

公路隧道智慧照明是目前研究的熱點和重點，智慧照明包含了照明技術、智能控制和視覺理論等多個方面的知識，其不僅僅是一兩個專業能夠完成的，涉及專業包括電光源專業、照明專業、控制專業、電氣專業、材料專業、電子專業、機械專業等，需要各專業之間的通力合作。只有各專業都發揮了其專業優勢，才能讓公路隧道智慧照明更好地為駕駛安全和節能服務，從而促進我國公路隧道智慧照明的健康發展。

[1] 劉英嬰，林立勇，許景峰.隧道照明中光生物效應研究[J].燈與照明，2009，33(4)：13-16，43.

[2] 劉英嬰，張青文，胡英奎.LED光源色溫對隧道入口段和中間段的影響[J].照明工程學報，2013.24(2)：30-34.

[3] 邱凡，馬小軍，劉乃濤，等.隧道照明過渡段亮度動態需求探討[J].照明工程學報，2010(6).

[4] 楊韜.隧道照明反射增量系數研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[5] 王學堂，趙展旗.隧道照明控制工程研究[J].西安公路交通大學學報，1998(1)：88-91.

[6] 王茜.公路隧道出入口燈光配置優化及其控制系統研究[D].西安：西安建筑科技大學，2014.

[7] 闖家亮.基于圖像處理的隧道亮度檢測系統研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012.

[8] 唐春.車輛感應式隧道照明控制系統研究[D].西安：長安大學，2012.

[9] 楊顯立.基于WiFi的隧道照明無線控制系統設計與實現[D].廣州：華南理工大學，2013.

[10] 于東東.基于Zigbee的智能LED隧道照明系統的設計[D].上海：東華大學，2015.

[11] 李英舉.基于無線傳感網絡的隧道照明系統控制研究與設計[D].西安：長安大學，2013.

[12] 郭姍.智能LED照明控制系統的設計與應用[D].杭州：浙江大學，2012.

[13] Miomir Kostic， Lidija Djokic， Dejan Pojatar， et at.Technical and economic analyses of road lighting solutions based on mesopic vision[J].Building and Environment，2009(44)： 66-75.

[14] Eloholma M， Ketomaki J， Orrevetelainen P et at.Visual performance in night-time driving conditions[J].Ophthal.Physiol.Opt.2006，26：254-263.

[15] 胡英奎，陳仲林，劉英嬰.道路照明常用光源在中間視覺條件下的光效[J].重慶大學學報，2007，30(1)：139-141，146.

Areview of road tunnel smart lighting

Du Feng1，2，Weng Ji1，Peng Li1

(1.Chongqing University， Chongqing 400044，P.R.China； 2.Fujian University of Technology， Fuzhou 350118，P.R.China)

The paper began with the significance of the road tunnel lighting research， aimed at the illustration of many aspects that included in it， such aspects as lighting technology， smart design and visual theory.For the former research mostly started from one aspect， the paper hope to integrated the strengths from all these aspects and improve the healthy development of our country’s road tunnel smart lighting.

road tunnel lighting；smart lighting；lighting technology；smart control；visual theory

2016- 04-20

重慶市研究生科研創新項目(CYB16011)；國家自然科學基金資助項目(51278507)

杜峰(1980-)，男，博士研究生，副教授，主要從事道路與隧道照明研究，(E-mail)59154586@qq.com。