照明衛(wèi)士滅隧道殺手

何祿誠 汪小淙

至今難忘去年第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的比賽現(xiàn)場，當(dāng)我們北京工業(yè)大學(xué)“照明衛(wèi)士”團(tuán)隊(duì)的最終得分翻過“金獎(jiǎng)”評分線那一刻，我作為團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人激動得熱淚盈眶。我們這個(gè)研究隧道照明技術(shù)的團(tuán)隊(duì)終于從“機(jī)器人”“無人機(jī)”等高新技術(shù)密集的死亡之組殺出了重圍，實(shí)現(xiàn)了北京市屬高校在該項(xiàng)賽事中金獎(jiǎng)零的突破。

看清隧道里的光

經(jīng)常開車的人一定有過這樣的體驗(yàn)，開車駛?cè)胨淼阑驈妮^長的隧道駛出時(shí)，尤其是大晴天，眼前會呈現(xiàn)瞬間的全黑或全白，完全不能看清楚車輛前面的情況，需要集中精神迅速調(diào)整駕駛狀態(tài)，以適應(yīng)新的光照環(huán)境。在隧道照明專業(yè)研究中，我們把這種情況稱為“黑洞”“白洞”效應(yīng)。除此之外，我們可能還會遇到“頻閃”以及“炫光”的情況，“頻閃”是由于燈具布燈間距不合理、亮度不均勻，在路面形成明暗交替條紋，在動態(tài)駕駛過程中形成視覺中忽亮忽暗的現(xiàn)象;“眩光”則是因?yàn)樗淼罒艟吡炼冗^大、光束角選擇不合理，導(dǎo)致射入人眼中的光線過強(qiáng)，影響了駕駛員安全視認(rèn)。

生活中我們可能不太會在意這種偶爾不適的駕駛體驗(yàn)，但據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年約有135萬人死于道路交通事故，而隧道又是道路交通安全中的瓶頸路段，全球范圍內(nèi)62%的隧道事故與“白洞”“黑洞”以及“頻閃”“眩光”這些照明光環(huán)境質(zhì)量問題密切相關(guān)。

此外，隧道照明的能耗也很驚人，隧道路段是高速公路唯一具有電力供應(yīng)路段，僅我國每年隧道照明耗電量就高達(dá)35億度，相當(dāng)于480萬人一年的用電量。

無論是隧道照明環(huán)境“殺手”，還是照明電量“吞金獸”，說到核心問題，都是燈具和控制系統(tǒng)技術(shù)落后造成的，所以隧道照明，遠(yuǎn)不是給隧道裝上燈這么簡單。

點(diǎn)亮智慧的“光”

如果駕車途經(jīng)延崇高速媯水河隧道，駕駛員就會有完全不同的駕駛體驗(yàn)。延崇高速公路延伸至媯水河岸，開始下穿河道形成隧道，這條隧道結(jié)構(gòu)全長2044米，隧道內(nèi)平整的路面，清晰的交通指示線，藍(lán)白配色的墻體，在有序排列的燈光映照之下，給人明亮、時(shí)尚之感。驅(qū)車穿行，駕駛員不僅不會因隧道內(nèi)外光線變化影響視線，舒適暢快的駕駛體驗(yàn)反而讓人驚呼有“‘穿越的感覺！”

這里就是被“照明衛(wèi)士”守護(hù)的隧道——在隧道的入口段以及過渡段均采用了我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的照明衛(wèi)士隧道智慧照明系統(tǒng)。

2017年，帶著改善我國隧道運(yùn)行光環(huán)境質(zhì)量安全的夢想，基于北京工業(yè)大學(xué)胡江碧教授團(tuán)隊(duì)已有的一系列照明光環(huán)境研究成果，我們參與到項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中，投入了運(yùn)用“云-邊-端”技術(shù)探索研發(fā)照明衛(wèi)士-隧道智慧照明系統(tǒng)的實(shí)踐中。

之所以說“照明衛(wèi)士”是“智慧”的，是因?yàn)樗C合運(yùn)用了最新的5G無線傳輸和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了隧道本地化自動監(jiān)測、調(diào)控和遠(yuǎn)程操控、巡檢、數(shù)據(jù)分析等相結(jié)合的動態(tài)、精準(zhǔn)、智慧化隧道照明調(diào)控目標(biāo)?！罢彰餍l(wèi)士”不僅僅是一盞燈、一種燈，而是一整套包括隧道照明燈具、照明質(zhì)量監(jiān)控、自適應(yīng)調(diào)控、無監(jiān)督式運(yùn)行、無接觸式超遠(yuǎn)調(diào)控等從燈具、監(jiān)測、調(diào)控、反饋形成完整閉環(huán)的軟硬件系統(tǒng)。

有了“照明衛(wèi)士”，隧道洞內(nèi)外的亮度和色溫就能實(shí)現(xiàn)友好耦合。所謂“友好耦合”通俗地說就是讓隧道內(nèi)外的光環(huán)境的亮度、色溫之間的差距縮小，實(shí)現(xiàn)自然的過渡和銜接，這樣才能使駕駛員在駕駛汽車高速駛?cè)胨淼赖乃查g，可以始終清晰地辨認(rèn)前方的行車環(huán)境，從而保障安全行駛。

生活中我們可能不太會在意這種偶爾不適的駕駛體驗(yàn)，但據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，每年約有135萬人死于道路交通事故，而隧道又是道路交通安全中的瓶頸路段，全球范圍內(nèi)62%的隧道事故與“白洞”“黑洞”以及“頻閃”“眩光”這些照明光環(huán)境質(zhì)量問題密切相關(guān)。

實(shí)現(xiàn)“友好耦合”也不容易，因?yàn)樗淼劳獾淖匀还庹詹⒉皇且怀刹蛔兊?，亮度色溫的?shí)時(shí)變化都要求隧道內(nèi)的照明也隨之做出及時(shí)的調(diào)整。在“照明衛(wèi)士”系統(tǒng)中，有一個(gè)子部件叫作洞外亮度色溫探測儀，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測采集洞外光環(huán)境數(shù)據(jù)，之后“照明衛(wèi)士”便可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，通過分析，實(shí)時(shí)調(diào)整隧道內(nèi)的光照，從而與之匹配。

其實(shí)，隧道內(nèi)外光環(huán)境“友好耦合”的數(shù)據(jù)并不是讓隧道內(nèi)外擁有一模一樣的色溫和亮度，隧道內(nèi)燈具應(yīng)該具有的亮度色溫值是我們課題組多年來對駕駛員穿越隧道時(shí)的生理和心理進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究后，通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算才得到的結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上研發(fā)的“照明衛(wèi)士”，不僅守護(hù)隧道，有效避免了“黑洞”“白洞”“頻閃”“炫光”等隧道“殺手”的出現(xiàn)，還在駕駛員駕駛視認(rèn)功效不降低、保證運(yùn)行安全的前提下，降低了隧道照明耗電量和運(yùn)營費(fèi)用，減少燈具更換、維修頻次，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和施工費(fèi)用等，很好地解決了隧道照明能耗與隧道安全之間的矛盾。

夠“亮”是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的

隧道照明長期以來采用的都是家居室內(nèi)照明標(biāo)準(zhǔn)，即國際照明協(xié)會CIE標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)與評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)只有亮度這一個(gè)，缺乏針對公路隧道特殊的運(yùn)行環(huán)境和駕駛員駕駛視認(rèn)需求的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2017年，帶著改善我國隧道運(yùn)行光環(huán)境質(zhì)量安全的夢想，基于北京工業(yè)大學(xué)胡江碧教授團(tuán)隊(duì)已有的一系列照明光環(huán)境研究成果，我們參與到項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中，投入了運(yùn)用“云-邊-端”技術(shù)探索研發(fā)照明衛(wèi)士-隧道智慧照明系統(tǒng)的實(shí)踐中。

我們研究發(fā)現(xiàn)，由于駕駛員是在高速行駛狀態(tài)下，視野隨著行駛速度的增加而變窄，對障礙物的視認(rèn)需求更高，隧道封閉的幾何結(jié)構(gòu)環(huán)境，會給駕駛員增加心理壓力，更容易誤斷、操作失誤而形成事故。加之隧道出入口段洞內(nèi)外光環(huán)境急劇變化，造成視覺盲區(qū)，危險(xiǎn)性大，因此，隧道特殊場景下的照明指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)亟待研究，這也是我們團(tuán)隊(duì)攻關(guān)的重要方向之一。

國際上隧道照明研究均基于人眼的視覺變化特性進(jìn)行探索，通過提高亮度指標(biāo)以提高視認(rèn)功效，而亮度和隧道耗電量直接相關(guān)，因此造成隧道照明能耗特別大。

胡江碧教授的研究團(tuán)隊(duì)首先從光環(huán)境質(zhì)量評價(jià)最基本的三要素——亮度、色溫、顯色指數(shù)出發(fā)，通過大量的文獻(xiàn)查閱與分析，搭建了模擬的隧道環(huán)境，邀請了大量駕駛員進(jìn)行了靜態(tài)條件下，不同亮度、色溫和顯色指數(shù)光環(huán)境指標(biāo)的駕駛員視認(rèn)規(guī)律研究，得到了駕駛員駕駛視認(rèn)的初步變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)色溫和顯色指數(shù)對駕駛員視認(rèn)功效具有顯著影響。最后，基于真實(shí)的隧道照明環(huán)境再次搭建試驗(yàn)場景，通過調(diào)整不同的亮度和色溫組合，邀請駕駛員在動態(tài)駕駛狀態(tài)下對目標(biāo)物進(jìn)行視認(rèn)，初步得到了真實(shí)場景下的亮度、色溫照明指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系。

隧道之旅一萬公里

記得2015年9月初，經(jīng)過與貴州省畢節(jié)至生機(jī)高速公路建設(shè)指揮部的協(xié)調(diào)溝通，胡教授為項(xiàng)目組爭取到了通車前40天的時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場隧道照明光環(huán)境測試的機(jī)會，全體成員緊急待命，對試驗(yàn)方案、儀器、設(shè)備等所有物資進(jìn)行了檢查測試，確保第一時(shí)間趕赴現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。

9月23日接到通知后，團(tuán)隊(duì)迅速趕赴工地現(xiàn)場，經(jīng)全線考察最終選定海子街隧道作為測試地點(diǎn)。該處隧道海拔較高，周圍無明顯障礙物遮擋，白天太陽無遮擋，自然光的變化規(guī)律顯著;方圓十公里荒無人煙，夜晚村莊的燈光不影響隧道照明，人工照明環(huán)境模擬條件好，是極佳的試驗(yàn)場地。

15年來，研究團(tuán)隊(duì)50多名師生的研究足跡遍布全國20多個(gè)省市，穿過1000余條隧道，試驗(yàn)研究所走過的高速公路行程達(dá)1萬多公里。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)干過最硬的飯，住過最簡易的棚，見過最漆黑的夜……

貴州的秋天乍暖還寒，白天晴空萬里，鮮花開滿山坡，而晚上由于海子街隧道所處的海拔接近3000m，隧道洞口寒風(fēng)刺骨，溫度接近零攝氏度。團(tuán)隊(duì)成員為了搶時(shí)間，吃住均在隧道內(nèi)，白天頂著巨大的太陽，夜晚迎著凜冽寒風(fēng)，一遍又一遍地進(jìn)行測試，餓了就啃面包，困了就和衣而睡，分成兩個(gè)小組輪流值班，身體實(shí)在撐不住了就下山去調(diào)整一下，確保試驗(yàn)不中斷。

一天晚上氣溫較低，天氣預(yù)報(bào)有霜凍，入夜后我們都感覺特別寒冷，平時(shí)穿的棉襖都抵擋不住，手腳麻木活動不便。試驗(yàn)數(shù)據(jù)一直在正常記錄著，突然，成像亮度計(jì)死機(jī)了，我們斷電后再重啟仍然沒有反應(yīng)，檢查了所有接口也都一切正常，時(shí)間一點(diǎn)點(diǎn)過去，仍未找到原因。深夜氣溫驟降，路面都已經(jīng)起了一層薄薄的冰霜，大家也開始煩躁不安，空氣都感覺凝凍了，我突然意識到可能是因?yàn)榻裢淼淖畹蜌鉁爻隽顺上窳炼扔?jì)的工作溫度范圍，我趕緊找出說明書，上面的最低工作溫度為-10℃，我立刻脫下棉襖把成像亮度計(jì)包裹好，放進(jìn)車內(nèi)并讓師傅打開空調(diào)，過了一會兒再按開機(jī)鍵，果然能重新啟動了。為了防止大家凍傷，我通知所有人都躲進(jìn)車內(nèi)開啟空調(diào)，大家緊緊地?cái)D在一起等著天亮，就這樣度過了最冷的一夜。

在經(jīng)過近一個(gè)月的連續(xù)測試，我們采集了大量的數(shù)據(jù)，圓滿完成了本次試驗(yàn)。我們下山后的第一件事情就是找了一家飯店，吃了十幾斤肉，把飯店的所有米飯都吃光了，那是我們這一個(gè)月來吃的最香最飽的一頓飯啊。我開玩笑和大家說，這下大家都免費(fèi)減掉十幾斤的肉了，效果很顯著啊。

為建立科學(xué)的、權(quán)威的、具有法律效力的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐并經(jīng)過示范工程的反復(fù)驗(yàn)證，15年來，研究團(tuán)隊(duì)50多名師生的研究足跡遍布全國20多個(gè)省市，穿過1000余條隧道，試驗(yàn)研究所走過的高速公路行程達(dá)1萬多公里。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)干過最硬的飯，住過最簡易的棚，見過最漆黑的夜……

最終，基于駕駛員的光生物效應(yīng)、視覺特性需求和生理心理變化規(guī)律，在國際上首先建立了亮度色溫雙指標(biāo)的隧道照明指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，顛覆了傳統(tǒng)的亮度單指標(biāo)評價(jià)體系，在行業(yè)內(nèi)形成巨大反響，并率先成為貴州省的地方隧道照明標(biāo)準(zhǔn)。

135條隧道被照亮

在隧道照明亮度色溫雙指標(biāo)體系建立以后，如何在工程中應(yīng)用科研成果，實(shí)現(xiàn)自動化、智慧化調(diào)控，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

首先是照明燈具的設(shè)計(jì)，我們不具備燈具設(shè)計(jì)和研發(fā)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，通過胡教授與行業(yè)內(nèi)多家燈具生產(chǎn)廠家接觸，最終選定了一家燈具廠商進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)，我們提出相應(yīng)的需求，他們依托已有的技術(shù)實(shí)力進(jìn)行共同研究。市場上現(xiàn)有的照明燈具要么沒有變色溫功能，要么不能實(shí)現(xiàn)無極色溫變化，要么達(dá)不到工程級使用要求。經(jīng)過大家不斷探討，最終確定在一個(gè)芯片上同時(shí)嵌入黃色和白色兩個(gè)燈珠來模擬色溫的變化，但在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)3500K-6500K色溫的無級變化，功率也需要進(jìn)行調(diào)整，雖然在實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)，但在工程中卻需要按照最高功率配置隧道內(nèi)的管線、變電站等配套設(shè)施，將極大增加照明系統(tǒng)的造價(jià)。最終經(jīng)過反復(fù)測試，通過在燈具芯片上嵌入相應(yīng)的模擬程序，我們實(shí)現(xiàn)了額定功率下的無級變色溫技術(shù)。

其次是控制器的研發(fā)，現(xiàn)有控制器功能簡單，故障率高，不能分線路調(diào)控，我們測試了十幾種市場上的調(diào)光控制器，最終選了一種性能穩(wěn)定的控制器生成廠家，按照隧道照明特殊的控制需求，對其進(jìn)行了改造升級。

最后是整個(gè)系統(tǒng)的搭建、軟件算法和調(diào)光控制策略的實(shí)現(xiàn)。我們團(tuán)隊(duì)成員均為交通和土木專業(yè)出身，胡教授又為我們找到了專門從事智慧交通的高級工程師，綜合進(jìn)行智慧系統(tǒng)的開發(fā)，對整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)、調(diào)控界面、軟件算法、調(diào)控測量等方面進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。同時(shí)需要考慮如何接入現(xiàn)有的高速公路調(diào)控系統(tǒng)，經(jīng)過3年多的不斷研發(fā)，總算在實(shí)驗(yàn)室搭建了隧道智慧照明系統(tǒng)，在示范工程中進(jìn)行應(yīng)用后，發(fā)現(xiàn)亮度和色溫的變化與預(yù)期差異性仍較大，最后通過對實(shí)際隧道的光環(huán)境進(jìn)行量測后，再次對模型進(jìn)行修正，終于實(shí)現(xiàn)了在真正隧道工程環(huán)境中的遠(yuǎn)程化、智慧化、自動化調(diào)控的目標(biāo)。

在隧道照明亮度色溫雙指標(biāo)體系建立以后，如何在工程中應(yīng)用科研成果，實(shí)現(xiàn)自動化、智慧化調(diào)控，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

隨著應(yīng)用的隧道越來越多，經(jīng)過不斷測試調(diào)整，“照明衛(wèi)士”系統(tǒng)也越來越完善，行業(yè)內(nèi)的影響力也越來越大。研究成果榮獲陜西省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國交通運(yùn)輸協(xié)會一等獎(jiǎng)、中國智能交通協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國公路學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)4項(xiàng)行業(yè)大獎(jiǎng)，已授權(quán)2項(xiàng)歐美專利、9項(xiàng)國內(nèi)發(fā)明專利、3項(xiàng)軟件著作權(quán)，相關(guān)研究成果已經(jīng)納入了貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品與技術(shù)于2016年進(jìn)入了交通運(yùn)輸部的科技成果推廣目錄。

我們的團(tuán)隊(duì)成員仍經(jīng)常到全國各地的隧道洞口采集洞內(nèi)外亮度色溫?cái)?shù)據(jù)。

目前照明系統(tǒng)已在全國135座特長和長隧道中進(jìn)行了應(yīng)用，如北京廣渠路東延隧道、延崇高速媯水河隧道等，前文提到過的媯水河隧道因其所處的延崇高速是2019年世園會園區(qū)道路和2022年冬奧會賽場聯(lián)絡(luò)通道，故該隧道的運(yùn)營安全及節(jié)能環(huán)保問題頗受社會各界關(guān)注。“照明衛(wèi)士”系統(tǒng)在這里安裝使用之后，隧道管理單位反映，該隧道照明能耗同比下降了20%左右。隧道開通運(yùn)行至今不僅未發(fā)生一起因照明問題引起的交通事故，隧道燈具的檢修與清洗頻率也大大降低。同樣地，大力加山特長隧道及華麗高速營盤山隧道等地區(qū)，我們的“照明衛(wèi)士”系統(tǒng)也都運(yùn)行良好，安全可靠，每年節(jié)省的運(yùn)營成本已超一千萬元。

現(xiàn)在，我們的團(tuán)隊(duì)成員仍經(jīng)常到全國各地的隧道洞口采集洞內(nèi)外亮度色溫?cái)?shù)據(jù)，我們還要深入科研，幫助“照明衛(wèi)士”建立更加精確的調(diào)光控制系統(tǒng)，為它日后的應(yīng)用、推廣和發(fā)展打好今天的基礎(chǔ)。

責(zé)任編輯：馬春梅