智能型公路隧道照明節能控制技術探析

何奇飛

貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000

0 引言

據相關報道，截至2018年底，我國公路里程達4 846 500 km，其中公路隧道里程達17 236 km，數量達17 738處，且在不斷增加[1]。由此可見，我國公路隧道正處于快速發展的階段，路網逐漸完善、公路隧道數量不斷增多的同時，運行消耗也隨之增加，隧道照明便是其中一項重要的運營開銷。據調查統計，高速公路電費支出占總支出的80%，而高速公路隧道照明用電電費支出占總電費的80%[2]。因此，在公路隧道建設和運營中，照明用電損耗是影響運營成本的重要因素。為保證公路隧道長遠發展，需要設計和采用智能照明調光控制系統，節省隧道照明成本。但實際上，照明是公路隧道不可忽視的一部分，而如何在維持公路運載能力和交通安全的基礎上做到照明節能，是一個值得深究和思考的問題。為此，在確保公路隧道行車安全的條件下，公路運營公司需重視智能型照明節能控制系統的設計，更好地節省照明能源消耗和運行成本，促進公路隧道的長遠發展。

1 公路隧道照明的問題

由于隧道的結構特殊，當駕駛員從外部環境進入隧道時，會出現適應滯后現象，光線亮度的交替變化導致駕駛員看到的隧道像一個“黑洞”，出現“黑洞現象”。在隧道出口處，陽光照射使隧道外亮度高于隧道內亮度，而駕駛員在隧道內的行駛過程中處于低亮度的洞內光環境，當行駛到洞口時，亮度發生突變，視覺上容易出現強烈的眩光，駕駛員只能看到障礙物剪影，無法看清具體路況和車距，即“白洞現象”[3]。駕駛員在隧道的“黑洞”與“白洞”效應的視覺適應過程中，增加了隧道運營通行的安全隱患。因此，隧道不僅晚間需要照明，而且為了行車安全，白天同樣需要照明，這使得隧道照明消耗大量的電能。隨著隧道數量與里程的不斷增多，隧道照明的電能消耗也在逐年攀升。

2 公路隧道照明系統的特點

目前，我國《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）要求公路隧道照明分檔控制，需要根據當日天氣確定隧道內燈具開關數量，同時隧道內燈具都是人工手動開關[4]。長度大于200 m的公路隧道、長度大于1 000 m的二級隧道和一級隧道都需要設置照明系統，以提供高效、安全、舒適的視覺環境，確保隧道交通正常運行。公路隧道的位置隱蔽，多建于山間，隧道中通常一片漆黑，需要全天候開設照明設備，以確保車輛出行安全，同時為了避免“黑洞現象”和“白洞現象”，隧道白天照明比夜間照明更復雜。公路隧道照明系統具體特點如下。

2.1 分段式區間照明

為了讓車輛駕駛人員在公路隧道中能擁有良好的視覺感受，隧道內的照明系統被分為入口段、過渡段、中間段和出口段多個區段，而且每個區段照明的路面亮度要求也有所不同，隧道各段落照明亮度需求標準如表1所示。

表1 隧道各段落照明亮度需求標準

2.2 洞口區段加強照明

為確保駕駛員在進入隧道和駛出隧道時視覺清晰，提高其視覺舒適度，也減輕駕駛員心理恐懼感，隧道洞口區段需要根據白天戶外環境亮度變化情況設置入口段、過渡段和出口段照明，逐漸增強照明亮度，使隧道內亮度與戶外自然光亮度產生理想的過渡與銜接。

2.3 全區段應急照明

建筑建設中都會設置應急照明，公路隧道也不例外，應急照明可以預防隧道內意外斷電而引發交通事故，其也作為基本照明的一部分，通常保持照明狀態，維持隧道安全運營。

3 公路隧道照明節能控制的意義

公路隧道照明與普通公路照明不同，公路隧道大多穿山而建，山間隧道可見度較低，因而通常需要密集、高強度的照明系統，保證駕駛人員能清晰看清路段，確保行車的安全性。但長此以往，公路隧道照明成本會不斷增加，同時增加公路隧道運行成本，也阻礙公路建設的長遠發展。故而，公路隧道照明節能控制對高速公路建設具有重要意義。同時我國也提出了節能減排的發展戰略，而公路隧道應用智能型照明節能控制技術符合國家發展的要求與趨勢，有利于實現環境保護、資源節約的目標，可以體現公路隧道照明節能控制在當今的重要意義。

4 公路隧道照明節能控制技術

近年來，國內外對公路隧道照明節能控制技術進行了深入研究，從視覺需求、互聯網技術方面入手設計照明節能控制系統，實現按需照明的目標，也能實時監測隧道照明情況，最終達到隧道安全運營和節約資源的效果。

4.1 PLC電力載波控制技術

PLC技術不僅突破了傳統繼電接觸控制技術的局限性，還提高了控制可靠性、靈活性、便捷性，能減少耗能情況，同時根據電氣維修人員實際操作能力與習慣，采用微機處理器設計基礎簡單指令，將編程變得簡易、生動形象[5]。

在隧道車輛行駛方向的右側壁洞內安裝PLC控制器，連接光強檢測儀AI接口，并將照明控制電路與PLC功率輸出模板相連接，可以自動收集隧道檢測設備檢測的信息。當PLC控制器收到控制指令后，會向下端發布執行指令，進而起到控制照明的作用。

將PLC控制器應用于公路隧道照明節能控制中，以電力線路為傳輸通道，可通過載波的方式將模擬信號或者數字信號進行高速傳輸，且整個系統無路由級數的限制，無須布線、施工方便、價格低廉、延伸方便，具有通道可靠性高、路由合理、可同時復用遠動信號等優點。但是，由于變壓器對通信信號有阻隔作用，導致傳輸距離只有數公里。

4.2 DALI數字控制方式

DALI數字控制方式下系統主要由控制軟件、控制主機、控制器、接收器構成。控制主機安裝于變電所照明配電柜，控制器安裝于隧道現場照明配電箱內，接收器安裝于LED隧道燈具上，接入隧道以太環網與照明調光控軟件通信。控制器與控制軟件通信接口應采用開放接口，支持開放式協議，具備自動搜索并分配燈具地址功能，支持廣播全體調光、分組調光、單燈調光。

控制器與接收器之間通信接口應符合DALI隧道數字可尋址照明接口標準，DALI隧道數字可尋址照明控制器應具有2～4條DALI總線，總計支持l28～256盞燈具；接收器與燈具之間調光接口采用PWM接口，接收器輸出的調光信號為PWM調光信號，接收器與控制器通信中斷時，接收器控制LED隧道燈進入全亮狀態。

4.3 RS485總線調光技術

RS485總線調光技術以燈具亮度調節控制為主，依托RS485總線實現系統通信，采用Modbus通行協議的傳輸照明控制信號+隧道以太網的方式進行調光控制，通過控制器調節受控燈源亮度與開關。系統的洞外亮度監測裝置將檢測到的隧道洞外亮度信號轉換為4～20 mA標準信號傳送至LED亮度控制裝置上，RS485通信的集中控制器接收監控中心燈具照明智能管理系統平臺的指令后，將接收信息轉為DC 0～10 V的直流模擬信號輸出，與燈具通信控制LED燈上的電壓、電流，引起LED輸出功率和輸出光通量發生變化，從而達到與所連接的LED燈具分區域亮度調光控制目的。采用RS485技術與單燈控制器、電源模板進行通信，可以實現無級調光，并應用于隧道內部、洞口的照度傳感器、車流量檢測器，有助于根據車流量和隧道外亮度控制隧道照明。RS485總線調光系統結構如圖1所示。

圖1 RS485總線調光系統結構圖

4.4 Wi-Fi無線調光技術

Wi-Fi無線調光主要將無線信號作為傳輸媒介，通過借助無級調光方式，將Wi-Fi調光光纖收發器連接公路隧道、洞口光照亮度感應器和交通量檢測傳感器，在電源線上建立Wi-Fi基站，實現與LED控制器、電源模塊的無線通信，進而可以根據隧道交通量和隧道內外亮度智能調節照明，同時能監測燈具的電流、電壓等參數，實時遠程報警燈具故障[6]。Wi-Fi無線可以根據需求拓展，能在任意位置上補充節電燈具，故具有帶載能力好、驅動能力強的特點，即使在隧道封閉空間也能抵抗干擾，維持正常工作運行。

4.5 隧道“按需照明”控制技術

隧道“按需照明”控制技術能在無極調光控制系統的基礎上，根據天氣變化、短時交通量變化等，通過洞內外亮度檢測器和毫米波雷達或者車輛檢測器等，對隧道內車輛進行實時檢測與跟蹤，運用跟隨算法及邊緣計算技術，實現LED照明燈具開光和亮度的實時控制，達到“車來燈亮，車走燈暗、燈隨車走”的“按需照明”效果。該技術對于車流量小、長度越長的隧道，所達到的節能效果更明顯。

系統可具備科學智能調光、能耗監測等功能，在實現智能調光控制的同時，可以通過不定時上報數據實現對燈具的巡檢，節省運營成本，有效避免LED隧道照明燈長期處于全開狀況。但是目前照明設計規范對洞外亮度和交通量調光具有一個低限指標要求，現提出的控制理論對規范的交通量的低限指標略有突破。當下對于采用短時交通流預測控制的“按需照明”系統仍停留在理論與課題上，期望未來有相關的文件和標準來指導設計和實踐。

5 結束語

隨著工業自動化技術的發展，公路隧道照明節能控制技術也豐富多樣。目前隧道照明節能控制技術大多從可調光型燈具出發，基于隧道外光照強度、交通流量等信息，對信息進行讀取分析后，控制器以不同的通信技術來實現隧道內實時的調光控制策略，在保證隧道安全運營的情況下，能減少駕駛人員視覺上的不適，避免因光照亮度差異化而造成交通事故，同時一定程度上實現隧道照明節能目標，進而減少隧道照明能源損耗和運營維護管理工作量。

公路隧道照明節能控制技術的選擇應結合實際需求、運營規模和所處環境等因素綜合考慮。在傳統的隧道照明設計中，無論隧道中是否有車輛行駛，隧道中的照明燈具

都會持續運行，這導致隧道照明能耗被大量浪費。隨著工業自動化的快速發展，未來基于隧道內車輛識別、位置追蹤定位技術的結合，根據隧道內交通量、洞內外亮度環境、車輛行駛速度、天氣條件等以大數據分析新理念來計算隧道照明需求，進而調整隧道照明實時調光控制策略，在隧道照明總體控制系統等方面實現科學化、經濟化、人性化的照明節能控制也是隧道照明的發展趨勢。