浙東地區公路隧道調光參數影響因素實測分析與調光控制探討

錢登朝， 康 誠， 童孟勝， 張天航， 張 馳， 陳 亮， 吳 珂, *

(1. 溫州市公路管理局， 浙江 溫州 325000； 2. 浙江大學建筑工程學院， 浙江 杭州 310058；3. 寧海縣交通重點工程建設指揮部， 浙江 寧波 315600)

0 引言

隨著我國隧道數量和規模的不斷擴大，隧道行車安全與照明節能之間的矛盾也日漸突出[1]。采用LED作為隧道照明光源并進行調光控制，是實現隧道綠色智能化照明的發展趨勢，也是解決行車安全與節能減排之間矛盾的重要措施[2]，而掌握隧道照明基準參數的特性和變化規律，是實現低能耗、按需照明的基礎與關鍵。

近年來，隧道照明基準參數的合理設定得到了國內外學者的普遍關注[3-5]。涂耘等[6]對浙西南山區高速公路隧道進行了大量現場實測和數據分析，提出了該地區洞外亮度L20(S)的普適峰值，為隧道照明設計提供了指導； 王少飛等[7]提出了一種基于數碼相機技術的L20(S)檢測方法，與現場實測結果對比，該方法可減小L20(S)檢測誤差； 胡英奎等[8]對比分析了現行隧道L20(S)檢測方法，并提出了基于當地光氣候數據的L20(S)計算方法。對于隧道交通流參數，許多學者對隧道車速、交通量進行了實測，在獲取大量隧道交通數據的基礎上，開展了基于神經元系統的隧道交通流預測[9-13]。隧道洞外亮度、車速和車流量作為照明設計與調光控制的重要基準參數，往往受到當地氣候條件和經濟發展水平的影響，目前，對于某一特征地區隧道照明調光參數的變化特征及其對照明需求和能耗的影響的相關研究較少。

本文以浙東地區多條公路隧道為研究對象，采用改進的環境簡圖法結合環形線圈車檢器，同步、連續獲得隧道長序列L20(S)及交通流數據，分析該地區車流量和車速的變化特征以及季節和天氣對L20(S)時序變化規律的影響，探討隧道照明需求的特性。

1 測量對象及方法

對浙東沿海丘陵地區6條公路隧道的洞外亮度L20(S)和交通流展開現場實測。隧道分別位于溫州和寧波，均為南北走向，設計車速為60 km/h，隧道服役時間均達到1年以上。

環境簡圖法[14]是國際照明委員會(CIE)推薦的一種隧道L20(S)測算方法，首先對隧道洞口的特征景物進行類型劃分，再確定各類型景物的亮度，最后對各景物亮度進行加權平均，計算出L20(S)。在具體實施時，往往需要測量人員根據經驗選擇某一特征點亮度作為該類景物亮度，但由于同一景物在不同位置的亮度常存在差異，容易造成人為的測量誤差。以某隧道洞口植被為例， 同一時刻某兩處特征點亮度差異可達到300.5 cd/m2。此外，傳統的環境簡圖法難以獲得連續的L20(S)變化曲線，且進行各景物測量時經常存在時差。

本文對環境簡圖法進行改進，首先根據數碼相機所拍攝的距隧道洞口1個停車視距處20°圓錐視場的照片來劃分各景物類型及面積權重；然后采用多臺多視場角亮度計對各類景物進行同步測量，測量時根據景物面積切換視場角，使得視場角范圍能夠覆蓋目標景物，以獲取同一類目標景物的加權亮度值；最后基于式(1)計算L20(S)。

L20(S)=γ·LC+ρ·LR+ε·LE+τ·Lth。

(1)

式中：LC、LR、LE、Lth分別為天空、路面、環境和隧道洞口處亮度，cd/m2；γ、ρ、ε、τ分別為天空、路面、環境和隧道洞口面積所占百分比，根據隧道洞口拍攝的20°圓錐角視場照片確定。

采用改進的環境簡圖法，通過亮度計視場角的切換，可同時獲得各類目標景物的加權亮度值，有效避免了原方法受測試人員經驗影響、各景物亮度測量存在時差等問題，能夠準確獲取連續的L20(S)變化特征曲線。實測結果表明，改進的環境簡圖法檢測結果與規范推薦方法(灰度法)的差異在5%以內，如圖1所示。

圖1 隧道L20(S)檢測數據對比Fig. 1 Comparison of detection data of L20(S)

隧道的車速和車流量數據通過基于電磁感應原理的環形線圈車輛檢測器測量。

2 結果分析

2.1 洞外亮度變化特征

洞外亮度L20(S)是指在接近段起點S處，距地面1.5 m高正對洞口方向20°視場實測得到的平均亮度。L20(S)的合理設定，對工程投資和營運開支都有極大的影響，例如L20(S)分別設定為4 000 cd/m2與6 000 cd/m2時，隧道照明設備費相差34%，年耗電量相差達30%[15]。

寧波市花山隧道每日L20(S)峰值的年變化曲線如圖2所示。由圖2可知，受天氣和季節的影響，1年中每日的L20(S)峰值變化差異較大，7—8月的L20(S)峰值較高，普遍達到4 000 cd/m2以上，其他時間L20(S)峰值則在3 500 cd/m2左右。相比于L20(S)峰值維持在3 000 cd/m2左右的浙西南山區公路隧道，由于溫州、寧波兩地沿海，日照充分，因此L20(S)普遍更高。

圖2 公路隧道L20(S)峰值年變化曲線

Fig. 2 Annual variation curve of peak value ofL20(S) in highway tunnel

圖3示出不同季節L20(S)的日時序變化曲線。由圖3可知，不同季節的L20(S)日時序變化曲線整體趨勢比較一致，但L20(S)峰值大小和持續時間有所差異。冬、春秋、夏季L20(S)分別從7:00、6:00、5:00開始逐漸增大，在10:00左右達到峰值并維持在高位。夏季L20(S)峰值最大，達到4 000 cd/m2左右，比冬季增大約10%，春秋季L20(S)峰值則介于兩者之間。同時，夏季L20(S)維持在高位的時間較長，為7 h左右，在15:00左右才開始逐漸降低；而冬季L20(S)在高位的持續時間相對較短，僅為4 h；春秋季L20(S)在高位的持續時間為5 h左右。我國現行規范提出的春、夏、秋、冬季公路隧道L20(S)峰值比例為0.5∶1∶0.5∶0.5，實測結果表明，浙東地區春、夏、秋、冬季晴天L20(S)峰值比例應調整為0.95∶1∶0.95∶0.85，且L20(S)在高位的持續時間應分別為5、6、5、4 h。

圖3 不同季節隧道L20(S)日時序變化曲線Fig. 3 Daily sequential variation of L20(S) in different seasons

圖4示出不同天氣下的隧道L20(S)日時序變化曲線。由圖4可知，晴天時隧道L20(S)整體較高，白天時段(8:00—18:00)的平均值達到1 913.65 cd/m2；陰天、重陰天時隧道L20(S)較低，平均值僅為321.86 cd/m2和209.73 cd/m2； 云天時隧道L20(S)介于晴天和陰天之間，平均值為1 117.15 cd/m2。雖然晴天時L20(S)較大，但其變化相對較為平穩；而云天由于受到云層的隨機遮擋，常導致L20(S)在短時間內出現大幅變化。如實測數據捕捉到某個云天的下午，L20(S)在15 min內由1 000 cd/m2增至3 260 cd/m2，隨后迅速降至1 000 cd/m2以下，變化速率達到150.7 cd·m-2·min-1。L20(S)的急劇變化必然會導致隧道內亮度需求發生改變，這對隧道照明控制提出了更高的要求。

圖4 不同天氣隧道L20(S)日時序變化規律Fig. 4 Daily sequential variation of L20(S) in different weathers

我國現行規范規定晴、云、陰、重陰天下的L20(S)亮度比例應為1∶0.5∶0.25∶0.13。實測結果表明，浙東地區公路隧道晴、云、陰、重陰天下的L20(S)的比例應調整為1∶0.6∶0.18∶0.11，更為符合該地區氣候環境對實際照明需求的影響。

2.2 交通流變化特征

除L20(S)外，隧道照明需求亮度同時還受車速vt和車流量N的影響。以溫州市塔石嶺隧道為例，對1年內每日隧道車速和車流量進行小時平均，獲得浙東地區公路隧道典型交通流變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，1 d內N呈雙峰分布，峰值達到800 veh·h-1·ln-1以上；vt呈雙谷分布，早、晚高峰時段的行車速度均在20 km/h左右。由此可知，隧道交通流普遍存在“低車速-高車流量，高車速-低車流量”的特點，即日間車速普遍較低，但車流量較大，且存在早晚車流高峰；夜間車速較高，但車流量較小。這是由于浙東地區經濟發達，城鎮化程度高，交通趨于飽和，公路隧道的交通流呈現出市政隧道的峰谷分布特征。

圖5 浙東地區公路隧道交通流變化曲線

Fig. 5 Characteristics of traffic flow variation of highway tunnel in eastern area of Zhejiang

vt和N對照明需求亮度的影響主要體現在隧道入口段亮度折減系數k，如圖6所示。由圖6可知，k值隨vt、N的增加而不斷增大，但只有在大車流量和高車速時，k值的變化才較為明顯。當N為1 200 veh·h-1·ln-1時，vt由40 km/h增大至100 km/h，k值由0.012提升至0.045，即vt每提高20 km/h，k增大0.011；在車速較低時(vt≤ 40 km/h)，N由350 veh·h-1·ln-1增加至1 200 veh·h-1·ln-1，k僅從0.01增大至0.012。結合隧道“低車速-高車流量，高車速-低車流量”的特點，考慮到隧道的日間車速普遍低于40 km/h，可以推斷，浙東地區日間vt和N對隧道照明需求亮度的影響比較小。

圖6 入口段亮度折減系數k變化規律Fig. 6 Variation of brightness reduction factor k in tunnel entrance

2.3 隧道照明需求特性

隧道照明需求由L20(S)和k共同決定。依據我國現行規范，L20(S)、k對隧道入口段照明亮度的影響關系見式(2)。

Lth1=k·L20(S) 。

(2)

式中Lth1為隧道入口段1亮度，cd/m2。

依據式(2)計算隧道入口加強照明亮度需求。在滿足隧道最低亮度需求的基礎上，L20(S)、k和隧道日間入口加強照明需求的日時序變化曲線如圖7所示。由圖7可知，L20(S)在8:00左右迅速上升，17:00左右迅速下降，白天時段維持在高位；k在7:00、10:00和17:00左右出現峰值； 相比于L20(S)，k在1 d內變化比較平緩，僅在0.01～0.013波動。進一步比較隧道照明需求變化可以發現，照明需求變化曲線在變化趨勢、峰值時刻等方面均與L20(S)曲線十分接近，與k值曲線差異較大，且在7:00—8：00、11：00—13:00和16：00—17:00等時間段內，均出現了k與照明需求變化趨勢相反的現象。

圖7 L20(S)、k和日間加強照明需求變化曲線

Fig. 7 Variation curves of lighting demand,L20(S) andkin daytime

進一步比較L20(S)、k和日間隧道入口段加強照明需求的變化幅度，如圖8所示。由圖8可知，1 d內L20(S)的變化比k更為劇烈。上午時段L20(S)變化幅度不斷增大，于10:00左右達到峰值，幅度約170%；隨后變化幅度不斷下降并趨于平緩，在12:00—15:00期間維持在-15%～+15%； 在15:00之后，L20(S)變化幅度迅速減小，在17:00左右達到-100%。而k值變化幅度始終在-10%～+10%波動。隧道照明需求的變化幅度曲線與L20(S)極為貼合，分別在8:00—10:00顯著增大、15:00—17:00顯著減小，在12:00—15:00期間在10%以內波動。由圖7和圖8可知，對于浙東地區，影響隧道照明需求變化的主要因素是L20(S)。

選擇本次實測中的3條鄰接隧道安裝智能控制電表，對隧道照明能耗進行計量。3條隧道均采用LED照明，長度分別為2.03、1、0.49 km，實際交通狀況相近。隧道運營中，洞內左側燈具僅根據L20(S)變化進行無級調光；洞內右側燈具根據L20(S)、vt和N變化進行無級調光。經實際計量，長、中、短3條隧道左側日均照明能耗分別為573.2、340.4、178.2 kW·h；右側分別為528.1、328.1、168.1 kW·h。相比于不調光控制，隧道左、右側照明節能比例見表1。

圖8 L20(S)、k和日間加強照明需求變化幅度曲線

Fig. 8 Rangeability curves of lighting demand,L20(S) andkin daytime

表1長、中、短隧道照明節能比例

Table 1 Ratio of lighting energy saving in long, medium and short tunnel %

以長隧道為例，僅根據L20(S)變化進行調光控制，節能比例為36.3%。在此基礎上考慮交通流的影響，節能空間僅增加1.1%，提升效果十分有限。進一步比較長、中、短隧道照明節能比例可以發現，相比于長隧道，中、短隧道由于加強段照明功率占隧道照明總功率的比例更大，調光控制的節能比例也更大，分別達44.7%～46.7%、54.3%～56.9%。由此可知，隧道越短，調光控制所取得的節能效果越顯著。

3 結論與建議

1)浙東地區公路隧道晴、云、陰、重陰天下的L20(S)比例約為1∶0.6∶0.18∶0.11；春、夏、秋、冬季的L20(S)峰值比例約為0.95∶1∶0.95∶0.85，L20(S)在高位持續時間分別為5、6、5、4 h。

2)浙東地區公路隧道交通流存在“低車速-高車流量，高車速-低車流量”的峰谷重疊特征，車速和車流量對隧道照明需求亮度的影響較為有限。

3)L20(S)是影響浙東地區隧道日間照明需求的主要因素，其對調光控制節能的貢獻超過95%。

4)隧道越短，加強照明所占的比例越大，調光控制所取得的節能效果越顯著。短隧道采用無級調光，照明能耗降低50%以上。

5)后續研究應進一步分析洞口朝向對隧道L20(S)及照明需求的影響，并對比城市隧道與公路隧道的交通流特點。

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