公路隧道照明優化設計與計算方法研究

張德錢， 洪遠泉， 周永明

(韶關學院物理與機電工程學院， 廣東 韶關 512005 )

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公路隧道照明優化設計與計算方法研究

張德錢， 洪遠泉*， 周永明

(韶關學院物理與機電工程學院， 廣東 韶關 512005 )

JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》列表數據有限，無法滿足公路隧道照明按需控制連續參數取值需求，為解決上述問題，采用MATLAB曲線擬合工具，擬合了隧道入口段折減系數、中間段亮度和照明停車視距計算公式，最大擬合誤差分別為-1.43%、-1.7%和8.48%。仿真分析了不同設計時速下隧道車流量、洞外亮度和隧道坡度變化對隧道照明功率變化的影響，提出了隧道照明節能優化措施。結果表明，設計車速超過60 km/h后，車流量和洞外亮度變化引起的照明功率變化開始快速增加。公式化的隧道照明設計方法可為不同工況的隧道照明功率優化計算提供設計參考。

公路隧道； 分段式照明； 公式擬合； 照明功率； 節能優化

0 引言

根據交通運輸部門的統計，截至2016年底，我國公路隧道總數達到15 181處，總長為1 403.97萬m[1]。2014年8月1日，JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》(簡稱設計細則)作為新的隧道照明設計標準開始實施，提倡采用按需照明控制方式實現節能。公路隧道按需照明控制是根據車速、車流量和洞外亮度等實時運行參數自動調整照明功率，以滿足隧道照明節能與運營安全的要求，是當前隧道照明智能控制研究的熱點[2-4]。但該設計細則里只列出常規車速、車流量下隧道照明亮度的參考數值，無法滿足隧道照明按需控制的精確參數取值需求[5-6]。

近年來，國內外學者對公路隧道照明節能優化設計進行了大量的研究。李農等[6]采用數學擬合方法，得到入口段折減系數和照明停車視距擬合公式，最大擬合誤差分別為13.3%和13.8%。G. Parise等[7-8]提出用平均電源功率密度來分析隧道照明功率與照明亮度關系的方法，并應用在隧道照明節能優化研究上。

根據隧道實時運行參數精確估算照明需求功率，是公路隧道照明節能優化的關鍵。本文研究了公路隧道照明優化設計和計算方法。擬合了準確度更高的隧道入口段折減系數、中間段亮度和照明停車視距計算公式，提出了全公式化的分段隧道照明亮度和長度的設計方法。仿真分析了隧道照明功率與車速、車流量和隧道洞外亮度等隧道運行參數的關系曲線，提出公路隧道照明節能優化的主要措施。

1 分段式隧道照明亮度設計公式化

1.1 分段式隧道燈光照明曲線模型

單向公路隧道可分成入口段、過渡段、中間段和出口段4個部分[9]，其照明曲線如圖1所示。入口段分為TH1和TH22個分段， 過渡段分為TR1、TR2和TR33個分段，出口段分為EX1和EX22個分段。

圖1 分段式隧道燈光照明曲線

1.2 入口段亮度折減系數數學擬合

入口段2個分段亮度

LTHi=nkL20(S)/i(i=1,2)。

(1)

式中：L20(S)為隧道洞外亮度，cd/m2；k為亮度折減系數；n為修正因子(長度D>500 m的非光學長隧道及長度D>300 m的光學長隧道，n取1； 長度300 m

根據《公路隧道照明設計細則》表4.1.1列出的小流量(指單向交通車流量N≤350、雙向交通車流量N≤180，下同)與大流量(指單向交通車流量N≥1 200、雙向交通車流量N≥650，下同)折減系數標準值，利用MATLAB擬合的四階線性多項式如式(2)所示。

計算值有效位數與標準值相同時，入口段折減系數擬合誤差分布如表1所示。大流量120 km/h設計速度下誤差為-1.43%，其余誤差為0.0%，說明擬合公式能準確描述隧道入口段折減系數與速度的關系。

式中：kH(v)、kL(v)分別指大流量和小流量的折減系數值；V=[v4v3v2v1]T為速度基函數[10]，km/h。

表1 入口段折減系數擬合誤差表

Table 1 Fitting error e of illumination reduction coefficient of tunnel entrance section

流量級別類別設計速度v/(km/h)20～406080100120大標準值0．0120．0220．0350．0450．070流計算值0．0120．0220．0350．0450．069量誤差值/%0．00．00．00．0-1．43小標準值0．0100．0150．0250．0350．050流計算值0．0100．0150．0250．0350．050量誤差值/%0．00．00．00．00．0

中流量(指單向交通車流量350

(3)

式中：NL為小流量上限值，單向交通時取350，雙向交通時取180；NH為大流量下限值，單向交通取1 200，雙向交通取650。

折減系數與速度、車流量的關系曲線如圖2所示。

圖2 折減系數與速度、車流量的關系曲線

Fig. 2 Relationships between illumination reduction coefficient and design vehicle speed and vehicle flowrate

1.3 中間段亮度數學擬合

中間段3種交通流量狀態下的隧道照明目標亮度擬合公式如式(4)所示。

式(4)求出計算值取小數點后1位有效位數，相對誤差分布如表2所示。中流量120 km/h速度下的誤差為-1.7%，其余誤差為0，說明擬合的效果好，準確度高。

式中：LINH、LINM、LINL分別代表大流量、中流量和小流量的亮度值，cd/m2； 速度基函數矢量V=[v4v3v2v1]T。中間段亮度不低于1 cd/m2。

表2 中間段亮度擬合誤差表

1.4 過渡段與出口段亮度

過渡段與出口段照明目標亮度如式(5)和式(6)所示。隧道長度小于300 m，可不設置過渡段。過渡段亮度LTR3不大于中間段亮度2倍時，LTR3可與中間段亮度相等[5-6,9]。

(5)

LEXi=(1+2i)LIN(i=1,2)。

(6)

2 分段隧道長度設計公式化

2.1 入口段長度與照明停車視距數學擬合

DTHi=0.577Ds-2.837(h-1.5) (i=1,2)。

(7)

式中：DTHi為入口段長度，m；Ds為照明停車視距，m；h為隧道凈空高度，m；i=1,2代表入口段2個分段。

照明停車視距大小由道路縱坡坡度和設計速度決定。二元線性多項式擬合結果

Ds(v,θ)=-0.000 166 2v3+0.051 2v2-0.143 6v2θ-2.38v+11.33vθ+50.07。

(8)

式中：v為設計速度，km/h；θ為縱坡坡度[5-6,9]。

照明停車視距擬合誤差分布如圖3所示，速度低于60 km/h時，最大的相對誤差絕對值為8.48%； 60 km/h以上的擬合相對誤差絕對值低于4.8%。高速端的擬合準確度優于低速端的準確度。隧道主要運行在高速端，說明擬合公式效果很好。

圖3 照明停車視距擬合誤差分布

2.2 過渡段、中間段與出口段長度

(9)

式中：DTRi為3個分段過渡段長度，m；DTH為入口段長度，m；iv/1.8為2 s內的行駛距離，m；i=1,2,3代表過渡段的分段編號。

出口段2個分段的長度通常都取恒定值30 m。隧道中間段是指入口段、過渡段和出口段之外的位置[6,9]。

3 隧道照明功率仿真與優化分析

式(1)—(9)描述了隧道各分段亮度、長度與隧道設計速度、交通流量、洞外亮度、隧道坡度等參數的關系。隧道燈光照明設計要根據這些公式計算各個分段的亮度和長度，并進行照明功率配置。隧道內部單位面積上的照明功率稱為平均電源功率密度。根據文獻[7-8]，LED燈和高壓鈉燈(HPS)的平均電源功率密度與照明目標亮度的關系為

δLED≈0.19L；

(10)

δHPS≈0.24L。

(11)

式中：δ為平均電源功率密度，W/m2；L為照明目標亮度。

隧道分段區域燈光照明功率

P=δLEDwd。

(12)

式中：P為燈光照明功率，W；w為隧道寬度，m；d為隧道長度，m。

3.1 速度、車流量對照明功率的影響

假設長度為2 500 m、寬度為11.25 m、凈空高度為7.8 m的單向三通道隧道，隧道洞外亮度為3 000 cd/m2，LED照明功率曲線仿真圖如圖4所示。由圖可知，隧道的照明總功率隨設計速度、車流量非線性增長。在低速端，白天、夜間以及車流量變化對照明功率的影響比較小。速度超過60 km/h后，照明需求功率隨車流量、車速高速增長。夜間，隧道取消加強照明，按照中間段的亮度要求運行，照明功率可大幅度降低。如大流量120 km/h的速度下，照明功率白天為130.6 kW，晚上比白天降低了59%的功率，為53.5 kW。

圖4 隧道照明功率與速度、車流量曲線關系

Fig. 4 Relationships between tunnel illumination power and design vehicle speed and vehicle flowrate

3.2 隧道坡度對照明功率的影響

隧道坡度影響照明停車視距的長度。入口段與過渡段的照明功率與速度、坡度的仿真曲線如圖5所示。低于90 km/h時，坡度變化對照明功率的影響很小； 超過90 km/h后，坡度變化對照明需求功率的影響增大，且正坡度的照明功率低于負坡度的照明功率。隧道上坡時，煙霧對照明效果也會產生影響。對于煙霧影響嚴重的特殊地段，要采用透霧性能比較好的光源，如高壓鈉燈[9，11-12]。

圖5 隧道照明功率與速度、坡度曲線關系

Fig. 5 Relationships between tunnel illumination power and design vehicle speed and tunnel slope

3.3 洞外亮度、車速對照明功率變化的影響

由式(1)、(5)、(12)可知，隧道入口段和過渡段照明功率與隧道洞外亮度成線性關系。但是，由于入口段的折減系數與車速和流量的非線性關系，隧道入口段與和過渡段的照明功率對洞外亮度變化的敏感程度是不一樣的。相同速度下，照明功率與洞外亮度按照線性規律變化； 不同速度下，洞外亮度變化產生的照明功率增幅是不一樣的。高速端的增幅大于低速端的增幅。大流量下，入口段和過渡段的照明功率與洞外亮度、速度的仿真變化曲線如圖6所示。圖中，低速端60 km/h對應的照明功率最大值為14.74 kW，最小值為7.47 kW； 在高速端120 km/h對應最大照明功率為164 kW，最小照明功率為82 kW。2種速度下對應的功率差值分別為7.47 kW和82 kW。

圖6 隧道照明功率與速度、洞外亮度曲線關系

Fig. 6 Relationships between tunnel illumination power and design vehicle speed and luminance outside tunnel

3.4 隧道照明節能優化措施分析

根據隧道燈光照明需求功率的理論計算公式以及仿真分析結果，可在以下3個方面進行隧道照明節能優化。

1)采用發光效率高的新型材料照明，可節省照明功率。由式(10)和(11)可知，相同目標亮度下，LED照明功率比高壓鈉燈照明功率低。

2)降低洞外亮度L20(S)對隧道加強照明功率的影響。對于高速運行隧道，在隧道外路基兩側通過種植樹木、設置百葉天棚和斷墻洞口等方式進行減光，可有效降低隧道入口段和過渡段的照明需求功率[13]。車速越高，降低洞外亮度引起的照明功率減幅就越大。

3)采用智能控制技術，實施按需照明控制，兼容節能與安全的要求。根據設計細則，控制隧道照明功率隨車速、車流量和洞外亮度等參數實時變化，既能滿足隧道行車安全的要求，又能避免隧道過度照明，產生能源浪費[14-15]。圖4中，設計時速為100 km/h的隧道，大流量時的照明需求功率為69.11 kW。時速在±10%內波動，照明需求功率為51.49～92.08 kW。可見，完全按照設計時速確定照明功率，運行速度低于設計速度時，就產生過度照明，浪費電能； 運行速度高于設計速度，則隧道亮度不足，影響行車安全。車流量和洞外亮度的變化對隧道照明功率產生同樣的影響。因此，按需照明，是同時滿足節能與安全要求的有效控制方案。

4 結論與展望

本文以設計細則為基準，對隧道入口段折減系數、中間段照明亮度、照明停車視距公式進行了數學擬合，實現了隧道照明功率設計的全公式化，可為不同工況的隧道提供照明設計參考，并為隧道按需照明節能系統計算目標亮度提供理論支持。利用隧道分段亮度、長度和照明功率計算公式，仿真分析了不同車速下的車流量、洞外亮度和隧道坡度變化對照明功率的影響。仿真結果表明： 1)速度超過60 km/h后，車流量和洞外亮度變化對照明功率的影響明顯增強； 2)速度超過90 km/h后，隧道坡度變化對照明功率的影響開始顯著增加； 3)按需照明，能兼顧隧道照明節能與行車安全要求。

下一步，將以本文研究為基礎，進行按需照明控制系統設計，并在實際隧道中進行節能效果測試，分析節能效益與按需控制成本的關系，制定最優隧道照明節能控制方案。

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Research of Optimization Design and Calculation Method of Illumination of Highway Tunnels

ZHANG Deqian, HONG Yuanquan*, ZHOU Yongming

(SchoolofPhysicsandMechanical&ElectricalEngineering,ShaoguanUniversity,Shaoguan512005,Guangdong,China)

The list data of JTG/T D70/2-01—2014GuidelinesforDesignofIlluminationofHighwayTunnelsare limited, because of which the control of continuous parameter valuing can not meet the requirement of illumination of highway tunnels. The illumination reduction coefficient of tunnel entrance section, luminance of intermediate section and calculation formula of illumination parking stadia are fitted by curve fitting tool MATLAB, and the maximum fitting error is -1.43%, -1.7% and 8.48% respectively. The influences of vehicle flowrate in tunnel, luminance outside tunnel and tunnel slope variation on illumination power in tunnel are simulated and analyzed; and optimization methods for energy saving of illumination in tunnel are proposed. The results show that: 1) The illumination power induced by vehicle flowrate in tunnel and luminance outside tunnel increases rapidly when the design vehicle speed is larger than 60 km/h. 2) The formularized tunnel illumination design can provide reference for design and optimization of illumination power under any cases.

highway tunnels; sectional illumination; formula fitting; illumination power; energy saving optimization

2017-03-02;

2017-05-07

廣東省教育廳科技創新項目(2013KJCX0169)； 韶關市科技計劃項目(2013CX/K55)； 韶關學院教育教學改革重點項目(SYJY20141504)

張德錢(1979—)，男，廣東南雄人，2008年畢業于華南理工大學，電子與通信工程專業，碩士，實驗師，主要從事物理電子技術教學與應用方面的研究工作。E-mail: 304565115@qq.com。*通迅作者： 洪遠泉， E-mail: sdhyq@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.004

U 453.7

A

1672-741X(2017)07-0803-05