公路隧道照明中央布燈參數優化研究

范士娟

（華東交通大學交通運輸與物流學院，江西 南昌330013）

公路隧道照明中央布燈參數優化研究

范士娟

（華東交通大學交通運輸與物流學院，江西 南昌330013）

高速公路隧道照明系統的布燈參數決定著路面照度，影響著交通安全和照明能耗。為了得到高速公路隧道中間段中央布燈方式下最節能的布燈參數，以燈具安裝高度、縱向安裝間距和單燈功率為優化參數，以總功耗最小為目標，建立了隧道中間段中央布燈方式的參數優化模型。以九景高速公路雁列山隧道為例，通過優化模型得到該隧道中間段在中央布燈方式的優化布燈參數，并將優化結果與該隧道的布燈情況進行了比較。結果表明，基于優化布燈參數的LED燈照明系統，即使滿負荷工作，比原高壓鈉燈照明系統節能超過51%，比改造后的電磁感應燈照明系統節能超過39%，節能效果顯著；LED燈光衰30%以后路面照度及均勻度依然滿足隧道照明要求。利用Dialux軟件根據優化布燈參數建立了照明仿真系統并進行了仿真實驗，仿真結果與優化計算結果基本一致，均滿足隧道照明要求，證明了優化模型的正確性。

隧道照明；參數優化；中央布燈；節能

近幾年，隨著我國高速公路建設步伐的加快，高速公路隧道里程也不斷增加。截至2015年底，我國高速公路隧道總長12 683.9 km，其中，長隧道和特長隧道共8 676.6 km［1］。根據我國《公路隧道照明設計細則JTGJ D70/2-01-2014》［2］，長度大于200 m的隧道和長度大于100 m的光學隧道均應設置照明。隧道照明系統是隧道運營中的高能耗系統［3］，是造成運營成本巨大的重要原因。重慶市公路隧道用電量統計表明，隧道每公里年電費為40余萬元［4］；按此計算，2015年全國公路隧道年電費高達43億元。如何在保證行車安全的同時降低電能消耗，已成為迫切需要解決的問題。采用節能燈具、優化布燈參數、對燈具實行智能控制等均可實現隧道照明節能。如在隧道中間照明段，60 W的LED燈能接近達到100 W的高壓鈉燈的照明效果［5］，在燈具布燈方案不變的情況下，僅更換隧道照明燈具就能節省電能約40%。近幾年，大部分專家和學者對隧道照明的節能研究，主要集中在照明控制方面，而在布燈優化方面的研究相對較少。

Angel Pachamanov針對隧道照明節能問題建立了優化模型，得出燈具功率固定時的最優布置參數［6］。任神河對LED隧道燈的安裝高度和角度進行了節能實驗研究，得出了LED燈的最優安裝方式［7］。季佳俊仿真研究了LED燈與高壓鈉燈不同布燈形式、不同高度、不同間距對燈具利用系數、路面平均照度、路面照度總均勻度的影響規律［8］。任神河和季佳俊都沒有建立布燈參數優化模型。李寧以照明系統耗能最小作為目標函數，使各照明燈具照度分配達到最優，建立了基于遺傳算法的隧道照明智能優化模型，并對其進行了仿真驗證［9］。常用的布燈方式有兩側對稱布燈、兩側交錯布燈、中央布燈、拱頂側偏布燈（由中央布燈方式演變而來）和逆光布燈，盡管中央布燈方式存在維修不便的缺點，但其照明效果和節能效果均優于兩側布燈方式［10］。拱頂側偏布燈解決了中央布燈維修不便的缺點，但其照明效果和節能效果不如中央布燈，所以，中央布燈方式依然是一種不錯的照明布燈方式。本文以燈具安裝高度、縱向安裝間距以及單燈功率為優化參數，以公路隧道中間段中央布燈方式的照明總功耗最小為目標，建立布燈參數優化模型，并在照明設計軟件Dialux中對優化布燈方案進行仿真實驗，以檢驗模型的正確性。

1　照明公式

1.1照度

當燈具垂直照射路面時（如圖1），單個燈具在路面b（x，y）點產生的水平照度為

式中：Eb為單個燈具在路面點b處的水平照度，lx；h為燈具中心至路面的垂直距離，m；γ同為b點入射光線與燈具光軸線的夾角，rad；θ為平面AOy和平面AOb的夾角，rad；Ic（γ，θ）為燈具在Ab方向的光強，cd。

圖1　單燈照明示意圖Fig.1　Schematic diagram of one lamp lighting

1.2燈具發光強度

如果燈具的配光曲線圖（表）已知，且考慮燈具的光衰和利用情況，則偏離燈具光軸線γ角處的實際光強Ic（γ，θ）按式（2）計算

式中：I1 000（γ，θ）為燈具配光曲線表中與γ和θ對應的光強，cd；η為燈具的光線輸出率；η0為燈具利用系數；M為燈具養護系數；Φ為燈具額定光通量，lm。

2　布燈參數優化模型

如圖2，設A1～A4是隧道中間段相鄰的4個燈具，以相鄰的2個燈具A2和A3間的路面區域B1～B4為計算區域，A1和A4為計算區域外相鄰的2個燈具。這些燈具有相同的型號，相同的功率p，相同的安裝高度h；縱向布燈間距為s，隧道內行車道路面寬度為d0，整個隧道的寬度為d。以路面縱向中心線為X軸，以路面寬度方向為Y軸，以隧道高度方向為Z軸，計算區域的中心點為原點O，建立空間直角坐標系，如圖2所示。

圖2　隧道照明中央布燈示意圖Fig.2　Schematic diagram of tunnel central lamp distribution

計算區域內b（x，y）點處的總水平照度為

式中：Eb1～Eb4分別為燈具A1～A4在計算區域b點產生的水平照度

式中：γ1～γ4分別為燈具A1～A4到路面計算點b（x，y）的光線與相應燈具光軸線的夾角；θ1～θ4分別為燈具A1～A4到路面計算點b（x，y）的光線與相應光軸線所構成的平面與C0/180配光剖面之間的夾角。

依據文獻［2］，隧道中間段照明系統設計技術指標如下：

1）照明燈具布置間距應滿足頻閃f≤2.5 Hz或f≥15 Hz的要求。頻閃f=v/s，其中：v為行車速度，m·s-1；對于隧道中間段，取f≤2.5 Hz。

2）中間段路面亮度應不低于在設定的行車速度和交通流量下的規范最小值。

3）路面亮度總均勻度和路面中線亮度縱向均勻度應不低于文獻［2］所示規范值。

4）隧道墻壁2 m以下的平均照度，應不低于路面平均照度的60%。

綜上所述，可以建立隧道中間段照明中央布燈參數優化模型為

式中：α，β分別為燈具在X方向和Y方向發光角度的一半；hmin，hmax分別為燈具安裝高度的最小值和最大值；P為n個燈具的總功率；L為隧道中間段長度；Emin為隧道路面計算區域最小照度值；Ec min為隧道路面中線最小照度值；Ec max為隧道路面中線最大照度值；E0為滿足交通要求的中間段最小照度值；U0為路面亮度總均勻度；U1為路面中線亮度縱向均勻度；Eav為隧道路面計算區域的平均照度。

3　優化實例與仿真

3.1優化對象

以江西九景高速公路雁列山隧道作為研究對象［11－12］，該隧道為雙洞單向交通設計，由1號、2號兩座隧道構成，全長3 352 m，其中1號隧道長1 533 m，2號隧道長1 819 m；隧道路寬10.25 m，凈高7.425 m，行車道寬8.5 m，設有人行檢修道，設計交通量≥1 200輛·h-1，設計車速80 km·h-1。以2號隧道為例，其隧道中間段長度約為1 383 m。隧道中間段亮度要求值為3.5 cd·m-2，U0取0.4，U1取0.6；路面鋪設水泥混凝土，照度和亮度的換算關系為10 lx·cd-1·m2，滿足交通要求的中間段最小照度值E0為35 lx。考慮燈具的安裝、維護和車輛能正常通過，hmin取5 m，hmax取7 m。

圖3　LED燈配光曲線Fig.3　Light distribution curve of LED lamp

3.2燈具配光系數及光強

采用雷士照明LED燈系列，燈具型號為NHLED101～NHLED103，該類型燈具發光效率為100 lm/W，發光角度為120°，光線輸出率η=100%，其配光曲線如圖3所示。從圖3可以看出，燈具在C0/180和C90/270兩個配光剖面的配光曲線很接近，為簡化計算，將其處理為軸向對稱的配光曲線。M取0.7，LED燈的η0可達到0.8～0.913［13-14］，這里取η0為0.85。

燈具的實際光強為

式中：f（γ）為根據LED燈光強表，γ=0～π/2的光強值I1 000（γ，θ）擬合得到的配光系數，cd·lm-1。

3.3優化結果與分析

將隧道已知參數代入優化模型式（8）中，得LED燈的優化布置參數，如表1所示。

表1　中央布燈參數優化結果Tab.1　Optimized results of central lamp distribution

表2列出了該隧道優化后的布燈參數及總功率、采用60 W的LED燈代替100 W的高壓鈉燈的布燈參數及總功率、改造后的布燈參數及總功率和原布燈參數及總功率，以及節電率。從表2可以看出，原布燈方案耗電量最大，使用80 W的電磁感應燈替換100 W的高壓鈉燈可節省電能20%，使用60 W 的LED燈替換高壓鈉燈可節省電能40%，使用107 W的LED燈按照優化參數布燈，即使滿負荷工作，也比使用高壓鈉燈的原布燈方案節省電能51%以上，比使用電磁感應燈的改造方案節省電能39%以上，比使用60 W的LED燈替換高壓鈉燈的照明方案節省電能19%以上。優化后的布燈方案節能效果顯著。

表2　4種布燈方案的總功耗比較Tab.2　Comparison of total power consumption of four lamp distribution styles

3.4優化結果的仿真驗證

根據九景高速雁列山隧道的結構參數在Dialux軟件里建立隧道仿真模型，并依據優化的布燈參數在其中建立照明系統。采用雷士照明LED燈，型號為NVC NHLED102 120W/120°，燈具功率為120 W，發光角度為120°；燈具安裝間距為8.89 m，燈具安裝高度為7 m；計算區域在X、Y方向均10等分，得到121個計算點。仿真得到各計算點照度結果如表3所示。將表3中數據乘以（107/120）即可得到107W LED燈的仿真照度值和照度均勻度，結果如表4所示，括號內的數據為LED燈光衰30%以后路面計算點的照度值。

從表4可以看出，使用LED燈按照優化參數布燈后，在LED燈光衰＜30%前，隧道路面的照度和照度均勻度的優化計算值和仿真值均滿足隧道照明要求；在LED燈光衰30%后，只有路面最小照度（隧道墻壁側的行車道邊上）的仿真值略小于規范要求值和優化計算值，此時，最小照度仿真值與優化計算值、規范要求值的誤差均小于2%；其余仿真照度值均大于優化計算照度值，且都滿足隧道照明要求。

誤差產生的原因是：①燈具配光曲線是近似對稱的，但在優化模型中處理成完全軸對稱，優化計算時利用擬合的配光系數公式計算路面照度值，而仿真時路面照度值是利用燈具光強表直接計算的；② 優化模型中沒有考慮隧道墻壁對光線的反射，而在仿真模型里考慮了隧道墻壁對光線的反射，造成隧道路面的照度仿真值大于優化計算值。優化計算結果滿足隧道照明要求，且與仿真結果基本一致，驗證了布燈參數優化模型的正確性。

4　結束語

建立了隧道中間段中央布燈參數優化模型，并以江西九景高速公路雁列山隧道為例，通過優化模型得到該隧道中間段采用LED燈的最優布燈參數。LED燈光衰30%時，優化計算的路面照度和照度均勻度均滿足隧道照明要求；與原高壓鈉燈布燈方案、改造后的電磁感應燈布燈方案，以及用60 W LED燈代替100 W高壓鈉燈的布燈方案相比，即使優化布燈方案滿負荷工作，節能效果也非常顯著。

采用Dialux軟件對優化布燈方案進行了仿真，仿真結果與優化計算結果基本一致，驗證了布燈參數優化模型的正確性。

［1］中華人民共和國交通運輸部.2015年交通運輸行業發展統計公報［EB/OL］.http：//www.china high way.com/news/2016/101772 7.php.

［2］中華人民共和國交通運輸部.公路隧道照明設計細則JTGJ D70/2-01-2014［S］.北京：人民交通出版社，2014.

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［5］白欣欣.高速公路長大隧道照明系統改進研究［D］.西安：長安大學，2013.

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（責任編輯姜紅貴）

Study on Parameters Optimization of Highway Tunnel Central Lamp Distribution

Fan Shijuan
（School of Railway Tracks and Transportation，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Lamp-installation-parameters（LIPs）of highway tunnel lighting system determine illuminance of road surface and influence traffic safety and lighting power consumption.In order to acquire the most energy-saving LIPs of central lamp distribution（CLD）lighting system in highway tunnel interior zone，the parameters optimization model（POM）of CLD for tunnel interior zone was established，with lamp installation height，longitudinal installation spacing and lamp power as optimization parameters，and with minimum total power consumption of the CLD lighting system as objective function.Yanlieshan Tunnel of Jiujing Highway was taken as the example for the optimization.The optimal LIPs of the CLD lighting system of the tunnel interior zone were obtained by the POM，and comparison between the optimization results and that of Yanlieshan Tunnel lighting system was performed，which showed that the optimized CLD lighting system with LED lamps installed based on the optimized LIPs could save more 51%electric energy than the original lighting system installed with high pressure sodium lamps and could save more 39%electric energy than the transformed lighting system installed with electromagnetic induction lamps even under full-capacity lighting condition，the energy-saving effect is remarkable.Illuminance and illuminance uniformity of the tunnel road surface still met the lighting demands even the LED lamp’s luminance decreased 30%.A CLD lighting simulation experiment with the optimized CLD LIPs for Yanlieshan Tunnel was accomplished in the software Dialux，and the simulated results were obtained and met the lighting demands and basically agreed with the optimization calculation results，which proved the correctness of the CLD POM.

tunnel lighting；parameters optimization；central lamp distribution；energy-saving

U453.7

A

1005-0523（2016）04-0067-06

2016－03－23

國家自然科學基金項目（61463015）

范士娟（1969—），女，副教授，碩士，主要研究方向為隧道照明節能優化。