基于交通量和洞內外亮度的調光控制系統應用——以楚大高速公路九頂山特長隧道為例

鮑學俊， 呂曉峰， 夏　倩， 史玲娜

(1.云南省交通規劃設計研究院, 云南 昆明　650011； 2.合肥源輝光電子有限公司,

安徽 合肥　230041； 3.招商局重慶交通科研設計院有限公司交通工程與節能分院, 重慶　400067)

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基于交通量和洞內外亮度的調光控制系統應用
——以楚大高速公路九頂山特長隧道為例

鮑學俊1， 呂曉峰2,*， 夏倩2， 史玲娜3

(1.云南省交通規劃設計研究院, 云南 昆明650011； 2.合肥源輝光電子有限公司,

安徽 合肥230041； 3.招商局重慶交通科研設計院有限公司交通工程與節能分院, 重慶400067)

摘要：為將交通量和洞內外亮度參數納入無級調光照明算法中，針對楚大高速公路九頂山特長隧道交通量較大且不均勻的特點，介紹九頂山隧道在照明系統節能改造過程中的理論依據，提出公路隧道無級調光的數學模型，建立無級調光照明控制系統的架構。通過對傳統調光照明和無級調光照明的用電量實際測量值進行對比分析，得出無級調光系統照明較傳統調光方式的LED燈照明系統節能32.6%。

關鍵詞：特長公路隧道； 照明系統； 無級調光系統； 交通量變化； 洞外亮度變化

0引言

21世紀以來，國內高速公路里程越來越大，其公路隧道的總里程也越來越大，因而隧道照明的能耗也越來越高。對此，國內外隧道照明領域的研究人員做了大量的研究工作，這些研究多集中在洞外亮度L20(S)的取值和提升燈具光效上。在相關研究中，周正兵[1]提出了公路隧道照明的理想形式——按需照明；呂曉峰[2]研究了采用回路自動多級調光照明系統對交流接觸器造成的損害，并對公路隧道調光過程中存在的低于標準值的現象做了分析，提出在公路隧道調光照明中，應盡可能避免利用開閉電源回路進行調光。在自動狀態下，分回路調光即使采用可瞬間點亮的LED燈，也會因通電瞬間產生的沖擊電流使交流接觸器觸點加速損壞，甚至引發電氣火災；王少飛等[3]針對公路隧道LED燈無級調光控制系統，建立了公路隧道LED燈無級調光控制系統架構,認為采用DC 0～5 V模擬電壓信號控制LED燈輸出電流，完全能夠實現長大公路隧道照明無級調光控制需求。目前國內有關無級調光的文章雖然較多，但多數是基于洞外亮度變化條件下如何使洞內亮度跟隨洞外亮度變化的研究。這些研究大多只是介紹調光照明系統的架構和方案，并采用遠程調光方式，由上位機進行遠程的調光操作，較少提及基于車流量和洞內亮度的無級調光方法。2014年頒布的行業標準[4]已明確要求公路隧道照明應能根據車流量進行調光；但現有文獻只是從理論上進行了特定條件下的分析[5]，而在實際運營過程中，在較大車流量情況下無級調光與分級調光照明系統的節能效果尚無實測數據。

本文以九頂山特長公路隧道節能改造項目為背景，針對洞外亮度、交通量、洞內亮度參數的同時作用，分析公路隧道無級調光的數學模型和洞外亮度變化的隨機性，提出基于車流量和洞內外亮度的具有實時性和精細化調光能力的系統架構。

1公路隧道照明調光的理論依據

《公路隧道照明設計細則》[4]中規定隧道入口段1的路面亮度

Lth1=k·L20(S)。

(1)

式中：Lth1為入口段TH1的亮度；k為入口段亮度折減系數；L20(S)為洞外亮度。

洞外亮度在設計時是按夏天晴天中午的洞外亮度來取值的，它是一年當中的最大值，即L20(S)；但在運營時，一年當中洞外亮度僅有很少的時間接近或達到L20(S)，大部分時間為L20(S)的10%～80%。圖1是理想晴天條件下的洞外亮度隨時間的變化曲線，夏至曲線最頂端的亮度值即是L20(S)。在LED隧道燈出現之前，由于燈具無法調光，因而在當時的行業標準中要求利用開閉不同的電源回路來進行調光。隨著無級調光燈具及隧道智能照明系統控制器的出現，改變了傳統分回路調光的模式，使公路隧道實現按需照明成為可能。

圖1　理想晴天條件下的洞外亮度隨時間的變化曲線

Fig. 1Variations of luminance outside tunnel vs. time under ideal conditions

2加強照明調光的數學模型

白天的洞外亮度每時每刻都在變化，因此，洞外亮度實際是一個隨時間變化的變量，而非一個恒定值，即夏天晴天中午的最大值L20(S)。既然是一個隨時間變化的變量，洞外亮度實際可表示為L20(t)，即是時間t的函數，L20(t)max=L20(S)。因而式(1)可表示為

Lth1(t)=k·L20(t)。

(2)

式(2)就是根據洞外亮度進行無級調光的智能化照明的雛形，是早期無級調光的數學表達式。依據式(2)，《LED照明燈亮度控制裝置》[6]中闡述了調光控制系統的構成，并在廈蓉高速公路貴州格龍隧道中進行了應用實踐。圖1是理想晴天條件下的L20(t)隨時間的變化曲線，而實際的洞外亮度變化曲線與此相差很大。圖2為廈蓉高速公路貴州格龍隧道無級調光照明系統記錄下的某一天的L20(t)實際變化曲線。從圖2可以看出，洞外亮度的變化是完全隨機的。洞外亮度不僅會隨著云系以及日出日落的變化而變化,還與隧道朝向及洞門形式關系密切；因此,用式(2)來表征洞外亮度變化,能夠較好地體現洞外亮度變化的實際情況,若用式(1)來表征,則差距很大。

圖2　格龍隧道某一天的洞外亮度實際變化曲線

式(2)雖然能夠較好地表征公路隧道洞外亮度變化情況，但在公路隧道入口照明中，其路面亮度不僅與洞外亮度有關，而且還與其交通量密切相關。交通量越大，洞外亮度折減系數k越大；交通量越小，則亮度折減系數也相應地減小。《公路隧道照明設計細則》[4]要求隧道入口加強照明不僅能根據洞外亮度調光，還要求根據交通量調光。圖3是設計時速為80 km的公路隧道的洞外亮度折減系數隨交通量變化的曲線圖。從圖3可以看出： 交通量N≤350 veh/(h·ln)時，亮度折減系數k=0.025；交通量N≥1 200 veh/(h·ln)時，亮度折減系數k=0.035；交通量在350～1 200 veh/(h·ln)時，亮度折減系數k為一線性遞增的斜線。這表明洞外亮度折減系數是交通量N的函數，即有

[k(N)-0.025]/(N-350)=(0.035-0.025)/(1 200-350)。

整理得

k(N)=1.18×10-5N-4.12×10-3。

(3)

將式(3)中的k(N)值代入式(2)中，得

Lth1(t)=k(N)·L20(t)。

(4)

式(4)是現代公路隧道無級調光的數學模型之一，即入口段路面亮度的數學表達式。

圖3　洞外亮度折減系數隨交通量變化曲線

Fig. 3Variation of reduction factor of luminance outside tunnel vs. vehicle amount

3基本照明調光的數學模型

在《公路隧道照明設計細則》[4]中，基本照明亮度按表1取值。雖然交通量為350 veh/(h·ln)

表1　中間段Lin亮度表

注： 1)當設計速度為100 km/h時，中間段亮度可按80 km/h時對應的亮度取值； 2)當設計速度為120 km/h時，中間段亮度可按100 km/h時對應的亮度取值。

圖4　洞內基本照明亮度隨交通量變化曲線

Fig. 4Variation of basic lighting luminance inside tunnel vs. vehicle amount

根據表1和圖4，可以列出Lin(N)隨N變化的函數關系式為

[Lin(N)-1]/(N-350)=(1.75-1)/(1 200-350)。

整理得

Lin(N)=8.82×10-4N+0.69。

(5)

式(5)是現代公路隧道無級調光數學模型之一，即基本照明路面亮度的數學表達式。

4無級調光照明系統

4.1行業標準推動智能化精細調光照明系統的應用

在《公路隧道LED照明燈具》第1、2部分[7-8]和《公路隧道照明設計細則》[4]中，對公路隧道的照明設計及燈具的生產均提出了調光的具體要求。前者要求公路隧道照明系統應依據車流量和洞外亮度進行調光；后者要求公路隧道LED照明燈具應設置控制信號接收端，可隨控制信號的變化而調節發光亮度，其燈具宜采用無級調光，當采用有級調光時，不宜低于24級。這就意味著公路隧道將不再使用傳統的恒定亮度的LED燈。在《公路隧道LED照明燈具： 第5部分： 照明控制器》[9]中對公路隧道照明專用控制器的技術要求、試驗方法、檢驗規則等做了具體規定，為公路隧道照明系統加速采用新技術進行節能減排提供了標準依據。

4.2云南楚大高速九頂山特長隧道無級調光照明系統

云南楚大高速公路九頂山特長隧道全長3 200 m，雙洞雙車道單向交通。2014年下半年對隧道的照明系統進行了節能改造。項目要求調光系統依據行業標準[4]進行設計，加強照明能夠根據車流量和洞外亮度進行調光；基本照明能夠根據車流量及時間段進行調光，同時還要求能夠對洞內亮度進行檢測，并根據檢測結果自動修正洞內亮度。

圖5為九頂山隧道智能化精細調光照明系統原理圖。系統由洞外亮度檢測儀、車流量檢測儀、洞內亮度檢測儀、LED亮度智能無級控制裝置(隧道智能照明系統控制器，下同)、亮度可控型LED隧道燈、通訊系統、上位機及隧道照明監控管理軟件等組成。為了使調光系統具有較好的實時性，系統的亮度儀輸出采用4～20 mA的標準模擬信號。在采用何種信號傳輸調光控制指令方面，國內學者已做了大量的研究工作。周健等[10]針對公路隧道照明的特點以及安全需求，分析了采用DC 0～5 V模擬信號、數字信號、電力載波以及微波方式傳輸控制信號的優劣，認為采用DC 0～5 V的直流模擬電壓信號控制燈具亮度的方式優于其他信號控制模式；楊天沖等[11]針對近年來逐漸進入公路隧道照明系統的LED燈各種調光控制的調光范圍、調光分級、電源效率、信號傳輸性能等影響因素進行了對比分析，并提出了采用DC 0～5 V模擬電壓信號傳輸調光控制指令的調光方式，具有調光范圍廣、電源效率高、信號傳輸性能好等特點。課題組在對有關項目進行考察論證的基礎上，選定了具有實時性和精細化調光能力的DC 0～5 V模擬調光控制系統。該系統在洞外亮度變化時，洞內不會產生亮度跳變，其洞內亮度能夠很好地跟隨洞外亮度實時變化。與此同時，課題組對數字調光和模擬調光的優缺點做了對比，表2即是2種調光方式的技術性能對比。根據表2的對比分析，結合云南省的氣候條件，為了能讓公路隧道在確保行車安全的前提下節能，決定將DC 0～5 V模擬信號調光控制系統應用于九頂山公路特長隧道。

圖5　九頂山隧道智能化精細調光照明系統原理圖

Fig. 5Principle diagram of intelligent and fine dimming and illumination system used in Jiudingshan tunnel

表2　數字調光與模擬調光的技術性能對比

4.3系統工作原理

根據前述調光的數學模型和洞外亮度變化的隨機性特點： 首先需要在洞外設置亮度傳感器，用于實時監測洞外亮度的變化，并將其轉換為4～20 mA標準信號傳送至LED亮度智能無級控制裝置上；其次需要在隧道外距洞口3～10 km處設置交通量檢測裝置，用于檢測即將駛入隧道的車輛數并計算出交通量。由于交通量檢測裝置距隧道變電站約數km，如將信息通過光纜傳輸，施工費用相對較高，因此，現場采用GPRS移動通訊網絡將信號傳送至LED亮度智能無級控制裝置上。LED亮度智能無級控制裝置根據檢測數據和時間段等信息，分別按式(2)和式(5)進行計算，然后輸出2路DC 0～5 V的直流模擬信號，分別控制基本照明燈具和入口側加強照明燈具，從而實現控制隧道洞內亮度的目的。

系統的核心部分——隧道智能照明系統控制器設于隧道洞口外的變電站內，它內置功能強大的微處理器，可根據檢測數據和標準要求，自行完成各種復雜的識別、判斷、計算、輸出和通訊等日常工作。在行業標準[9]中規定了隧道照明控制器應具備遠程控制和本地控制2種工作方式，隧道照明控制器即使與上位機通訊中斷也不能影響其正常調光。由于調光設備設于現場，從而確保了公路隧道照明調光的精細化和實時性，也使得調光更有意義。

圖6是九頂山隧道最終實施的控制系統原理圖，也是基于車流量和洞內外亮度的具有實時性和精細化調光能力的系統架構。

圖6　九頂山隧道最終實施的控制系統原理圖

Fig. 6Principle diagram of dimming system used in Jiudingshan tunnel

4.4無級調光控制工作流程

圖7為無級調光控制工作流程圖。系統首先對洞外亮度和車流量信息進行采集，然后進行數據處理并根據時序信息和各項參數進行計算后輸出DC 0～5 V的模擬信號去控制LED隧道燈亮度。設于洞內入口段和中間段的亮度儀分別采集相應位置的路面亮度信息，經數據處理后與標準值進行比較，如符合標準要求，則程序繼續運行；如不符合標準要求，則重新調節后輸出。與此同時，各測量數據和調光數據每隔20 s向中控室上傳一次，中控室可隨時向下位機下發指令，修改參數。

4.5上位機監控管理軟件

國內目前應用的隧道照明控制軟件幾乎都是基于傳統的分回路調光，而基于LED無級調光照明方面的研究，國內還比較少。呂曉峰[12]提出了適用于智能照明系統的上位機監控管理軟件界面，在此基礎上，課題組還參照了《公路LED照明燈具： 第5部分： 照明控制器》[9]對上位機監控管理軟件的要求，并根據山區的特殊地理、氣象條件以及運營管理的需要，對監控管理軟件提出了以下要求： 1)自動化程度高；2)操作簡單，非特殊情況無須人工操作；3)調光數據具有透明性和可追溯性。

圖7　無級調光控制工作流程圖

基于上述原則，課題組設計出如圖8所示的監控管理軟件。雖然軟件界面內容較多，但在運營階段無須人工操作，只有在故障狀態下才需要人工點擊“故障處理”按鍵并使照明系統滿功率工作。故障排除后，再點擊“故障解除”，即可恢復正常的調光方式。所謂故障，即隧道運營故障，包括交通事故，火災事故，其他事故，檢修、養護等需要良好照明條件的工況，將這些工況統一歸類為一種工況，目的在于減少緊急情況下確認所屬工況的時間和在屏幕上尋找工況對應位置的時間。

在調光數據的透明性和可追溯性方面，界面能將調光曲線和洞內外亮度曲線顯示在主界面上，以方便觀察、校驗和設備運行狀態顯示；同時還將各類數據存儲在電腦硬盤上，其存儲時間可長達半年以上，只要有需要，就可以隨時調閱。

上位機通常設于中控室內，通過光纜與現場的隧道智能照明系統控制器實現通訊，上位機利用無級調光監控管理軟件，實現相關參數的設定，下達指令，實時數據讀取、顯示與儲存，并可進行緊急故障處理操作。

圖8　上位機監控軟件主界面

52種照明方式能耗對比

九頂山隧道節能改造項目已于2014年11月全部完成，有關單位對隧道采用不同調光方式的照明能耗進行了實測。為了使2種照明方式的實測數據具有可比性，洞內調光亮度是在滿足標準要求的前提下進行測試。在開燈時間的確定上，加強照明燈具每日均開燈10 h，基本照明及應急照明燈具每日按白天亮度開燈18 h、下半夜亮度開燈6 h，其照明能耗見表3。每種調光方式各通過2個周期的運行(48 h),得出上行線無級調光較分級調光節能36.7%，下行線無級調光較分級調光節能28.4%。下行線節能幅度較低的主要原因是路面為瀝青路面，要求照度較高。測試是在晴天條件下進行的,如遇陰天或多云天氣，節能幅度還將進一步提高。呂曉峰[12]詳細研究了公路隧道照明中由于車流量不足而造成的電能浪費，其加強照明電能浪費最高可達30%，而基本照明電能浪費最高可達55%。由于楚大高速公路交通量大，由交通量變化所產生的節能效益并不顯著。如果系統應用于車流量較小的公路隧道，將會產生更大的節能效果。

6結論與討論

1)在車流量較大的條件下，無級調光照明系統比LED分級調光照明系統節能32.6%。

表3九頂山隧道LED無級調光與LED分級調光照明節能對比

Table 3Comparison and contrast between LED stepless dimming system and LED stepped dimming system used in Jiudingshan tunnel in terms of energy conservation

隧道名稱調光模式照明總能耗/kWh節能率/%九頂山上行線無級調光572分級調光90436.7九頂山下行線無級調光648分級調光90528.4

注： 隧道上行線和下行線平均節能率為32.6%。

2)本文介紹的調光系統是具有實時性的精細化調光系統，它的照明控制器設于現場，解決了遠程調光的亮度等級低和實時性差的問題。

3)論述了公路隧道洞內入口段和中間段亮度的數學表達式，它將為云南乃至全國未來的公路隧道照明系統設計提供有益的借鑒。

4)本系統如應用于交通量較小的公路隧道，理論上其節能幅度將還將有進一步提升，但提升幅度有待繼續研究。

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Application of Dimming System Based on Vehicle Amount and Luminance Inside/Outside Tunnel: A Case Study on Jiudingshan Extra-long Tunnel on Chuxiong-Dali Expressway

BAO Xuejun1, LYU Xiaofeng2,*, XIA Qian2, SHI Lingna3

(1.YunnanBroadvisionEngineeringConsultants,Kunming650011,Yunnan,China; 2.HefeiYuanhuiOptoelectronicCo.,Ltd.,Hefei230041,Anhui,China; 3.TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchants

ChongqingCommunicationsTechnologyResearch&DesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing400067,China)

Abstract:The traffic characteristics of Jiudingshan Tunnel on Chuxiong-Dali Expressway are described; the theoretical reference of the adjustment of energy conservation of lighting system of the tunnel is presented. The mathematical model with stepless dimming system of the expressway tunnel is proposed; and then the structure of the stepless dimming system is established. Comparison and contrast is made between conventional dimming system and stepless dimming system in terms of power supply. The results show that by using stepless dimming system, 32.6% energy can be saved compared to the conventional dimming system.

Keywords:extra-long expressway tunnel; lighting system; stepless dimming system; vehicle amount variation; luminance variation outside tunnel

中圖分類號：U 453.7

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0143-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.004

作者簡介：第一 鮑學俊(1973—)，男，云南香格里拉人，1996年畢業于西安公路交通大學，工業電氣自動化專業，本科，高級工程師，現從事高速公路機電工程設計與研究工作。E-mail: 743392965@qq.com。*通訊作者: 呂曉峰, E-mail: hefeiyh@126.com。

收稿日期：2015-08-17; 修回日期: 2015-11-02