高速公路隧道照明亮度分析控制方案研究

李俊杰

（山西交通控股集團有限公司中部高速公路分公司,山西 太原 030000）

0 引言

隨著我國基礎國力的不斷增強，高速公路作為構建我國交通大動脈的主要基礎設施，進入了高速發展時期，其建設里程持續增加，而作為我國高速公路建設重要組成部分的隧道工程的數量和里程也呈現持續增長的趨勢[1]。根據交通運輸部2023 年2 月23 日的新聞發布會統計數據結果報告情況，我國的高速公路總里程數量已經達到了177 000 km，成為全球最大的高速公路網。其中隧道達到24 850 處，2 678.43 萬延米，特長隧道1 752 處，達到795.11 萬延米，長隧道6 715 處，達到1 172.82 萬延米[2-3]。在高速公路隧道大量投入使用過程中，由于其屬于半封閉的環境，在車輛進出隧道洞口的過程中，隧道內外部之間的光照強度變化會對司機的視線和駕駛產生重要影響。即在車輛高速進入隧道時視覺會產生“黑洞效應”，而在快速駛出隧道時又會產生“白洞效應”，導致駕駛員無法看清路面交通情況，容易引發交通事故。根據交通運輸部標準《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）的要求，長度l＞200 m的高速公路隧道、長度100 m ＜l≤200 m 的高速公路光學長隧道均應安裝照明設施。以S45 天黎高速左黎段的黃家會隧道、沐池隧道、柏管寺隧道、小寨隧道、故驛隧道、桐峪隧道等6條隧道為例，每年照明電費高達400 多萬元，而單洞長3.568 km，總長7.144 km 的沐池隧道單日照明費就高達3 300 元以上，隧道用電量統計結果表明，隧道每1 km年電費為20 余萬元，由此可見隧道照明節能減排勢在必行[4]。科學有效地進行隧道內照明亮度控制，充分結合外部環境的變化，確保隧道內的光照亮度有效滿足駕駛員進入隧道和駛出隧道時的視覺環境需求，研究舒適、安全、節能的隧道照明控制方案是高速公路隧道投入使用的重點工作。

1 公路隧道照明控制方案

對高速公路隧道進行照明控制就是有效規避“白洞效應”和“黑洞效應”，為駕駛員提供舒適安全的隧道駕駛視覺環境，確保無論白天還是黑夜，駕駛員都能夠按照設計車速安全通行，以降低隧道安全事故的發生率。為了達到這一要求，就需要針對隧道照明進行科學控制。一方面，駕駛員在駕駛過程中以及外部環境亮度發生變化時，會導致隧道內外的亮度差產生變化，另一方面，隧道內不同部位的亮度以及人的視覺適應能力也會發生變化，多種因素影響，使得隧道照明在控制設計過程中需要以科學合理、經濟節能為目標[5]。結合現有的公路隧道照明控制方案進行研究，主要包括三種模式：

1.1 手動控制方式

手動控制方式在應用過程中是由監控中心的操作員結合隧道的照明度具體情況以及外界天氣變化進行隧道照明回路的控制。通過對隧道照明回路的控制，改變隧道內照明亮度，能為駕駛員提供相應的照明需求。采用該方法進行照明亮度控制時可分為單回路和多回路兩種類型，單回路就是在操作員進行照明控制的過程中可分別針對各照明回路進行單獨控制，而多回路則是指將所有的照明回路按照不同等級進行組合，然后進行分組控制。在單回路控制方法應用的過程中其靈活性更強，而多回路在應用的過程中操作更加方便，可結合外部天氣變化特點和左線右線的照明需求進行回路控制。

1.2 分段時序照明控制方案

分段時序照明控制方案是指在進行隧道照明系統控制的過程中按照季節時序或者一天中的不同時段進行照明回路控制。這主要是因為隧道外部環境在不同季節和在每一天的不同時段其相應的亮度會發生變化，為了適應這一變化以達到節能減排的目的，可結合不同時段的照明需求來開啟相應的照明回路，以保障高速公路隧道內外部的亮度差在合理范圍內。在按照分段時序進行照明控制的過程中，依據表1 所示的時間和季節進行分配，由于在設置時相應的季節和時間段都處于固定狀態，因此并不能靈活地進行亮度控制，當隧道外部天氣發生變化引起內外部亮度差發生較大改變則不能及時進行隧道內部的照明調節，因此在進行亮度控制的過程中，不夠準確和及時，存在浪費現象。

表1 時序照明方案時間分配策略表

1.3 亮度自適應控制方案

該照明系統包括LED 柔性調光照明控制系統和車輛感應式照明控制系統。這兩個系統既處于相互獨立的工作狀態，也能夠協同工作。其中LED 柔性調光照明控制系統主要是通過柔性調光技術的應用，保障車輛在行駛的過程中能夠達到設計規范要求的最小照明亮度值，并結合外部環境的不同亮度變化自主調整隧道內的照明亮度，通過自適應調整使隧道內外的亮度差始終處于合理范圍內，這種自適應既能夠有效防止因外部亮度變暗而內部出現過度照明，也能夠防止因外部亮度過高而內部亮度不足的問題。通過亮度自適應的控制，既能夠為廣大駕乘人員提供舒適安全的駕駛環境，也能夠達到節能減排的目的。而車輛感應式照明控制系統則是防止在隧道使用過程中隧道交通量變化造成資源浪費，尤其是對于隧道交通量較少的情形，采用車輛感應式照明控制系統能夠達到節能減排的目的。該系統在應用過程中通過安裝車輛檢測器以識別隧道的車輛通行情況，結合是否存在車輛通行進行照明系統的開啟與關閉，當沒有車輛通行時照明系統自行關閉，檢測到有車輛即將通過時則開啟照明燈。

2 工程概況

該研究所選擇工程為山西省高速公路網S45 天黎高速左黎段（左黎高速）沐池隧道。左黎高速是山西省通往京、津、冀地區的重要通道，起點位于晉中市左權縣城東北，與陽（泉）—左（權）、和（順）—榆（社）高速相接，路線全長77.913 km，所在工程沐池隧道為南北走向，隧道全長為3 568 m，為雙洞雙線單向行駛隧道模式。隧道路面為復合式瀝青路面，設計速度為80 km/h。隧道照明采用箱式變電站供電。路段隧道全部采用高壓鈉燈作為隧道主洞照明、應急照明光源；采用防爆熒光燈作為人行橫洞、車行橫洞、緊急停車照明光源。隧道照明系統加強照明燈具為對稱布設，基本照明燈具為交錯布設。全隧道共包括4 個照明回路，其中有2 個照明回路為加強照明，有2 個照明回路為基本照明，在照明回路調節方面按照晴天、雨天、陰天、夜間4 檔進行控制，即按照不同天氣情況進行自適應照明亮度控制調節。在隧道照明分布的過程中，按照5 個階段布置，分別為入口段、過渡段1、過渡段2、中間段、出口段。入口段照明采用400 W 高壓鈉燈，布設間距2 m；過渡段1 照明采用250 W 高壓鈉燈，布設間距4 m；過渡段2 照明采用150 W 高壓鈉燈，布設間距8 m；中間段照明采用100 W高壓鈉燈，布設間距12 m；出口段照明采用150 W 高壓鈉燈，布設間距6 m。

根據國家相關標準規范，計劃改造實施采用LED 燈具替換原高壓鈉燈，燈具布置按照新的規范要求進行配光。隧道照明段落劃分為入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2、中間段、出口段1、出口段2；將原入口段平均劃分為入口段1、入口段2，將原出口段平均劃分為出口1、出口段2。隧道入口段1 采用140 W LED 燈兩側對稱布置，布置間距1 m；入口段2 采用120 W LED 燈兩側對稱布置，布置間距2 m；過渡段1、過渡段2 采用80 W、60 W LED 燈兩側對稱布置，布置間距4 m；出口段1 采用40 W LED 燈兩側對稱布置，布置間距3 m；出口段2 采用60 W LED 燈兩側對稱布置，布置間距3 m。基本段采用50 W LED 燈兩側對稱布置，布置間距12 m。

3 高速公路隧道照明亮度自適應控制方案應用分析

3.1 高速公路隧道照明亮度自適應控制實施方案

對于該案例所選高速公路隧道在進行照明亮度自適應控制的過程中，其按照入口段1、入口段2、過渡段1、過渡段2、中間段、出口段1、出口段2 不同路段和相關間距進行布燈之后，在LED 柔性調光照明控制實施的過程中按照如表2 所示的照明控制方式，進行控制：

表2 不同天氣類型LED 柔性調光照明亮度控制方案

在按照上述不同天氣情況進行照明控制之后，進一步結合車輛感應式照明控制系統進行應用，即在感應到有車輛進入隧道時按照上述照明控制方式進行控制，在沒有車輛進入時則停止照明[5]。同時，在上述方案應用時所用燈具均為新型LED 燈，利用系數大于0.7，對于隧道內的應急停車帶則采用顯色性較高的熒光帶。系統總體控制結構如圖1 所示。

圖1 高速公路隧道照明亮度自適應控制總體結構設計

3.2 高速公路隧道照明亮度自適應控制方案效果計算

3.2.1 傳統回路高壓鈉燈的年用電量計算方法

為了分析亮度自適應控制方案的應用效果，按照《公路隧道通風照明設計規范連接》（TJ026.1—1999）以及《公路工程質量檢驗評定標準》，在其發光強度、照度、亮度、均勻度、頻閃等基本指標達到要求之后，進行用電量測試，并與傳統照明控制方案進行對比，分析亮度自適應控制方案的實施效果。

傳統回路高壓鈉燈的年用電量計算公式如公式1 所示：

這一公式為傳統回路的高壓鈉燈用電量計算方法，其中，i=1、2、3、4——分別代表4 種天氣，且每一種天氣為12 h；m為1 和2——分別對應夜間和后半夜，每種類型為6 h；N——相應的天氣類型在全年所占百分比；Q——相應類型天氣下每1 h 的燈具用電量；Qm——相應類型夜間每1 h 的燈具用電量。

3.2.2 亮度自適應控制方案年用電量計算方法

對于亮度自適應控制方案應用過程中的用電量計算時，其年用電量計算公式如公式（2）所示：

式中，i——分別對應表2 所示的天氣類型；N——相應天氣在全年天氣中的占比；P——相應天氣下的平均用電量。

3.2.3 日用電量比較

在亮度自適應控制方案應用過程中，當其各項指標均達到要求之后，按照上述公式所計算出的日用電量測試結果分別在晴天、雨天、陰天、夜間的日用電量分別為96 kW·h、14kW·h、46kW·h、48 kW·h，而采用傳統回路的高壓鈉燈日用電量在4 種天氣下分別為194 kW·h、150 kW·h、102 kW·h、72 kW·h。

3.2.4 節電效果

為了進一步比較兩種方案在應用過程中年用電量的統計結果，觀察該隧道所在區域的晴天、陰天、雨天、夜間四中天氣所占比例分別為28%、27%、23%、22%，按照公式可計算出公路隧道自適應照明控制系統的年用電量為19 258 kW·h。該方案應用之后的年節約電量，為高壓鈉燈回路控制系統年用電量減去自適應照明控制系統年用電量，其高壓鈉燈回路控制系統年用電量為64 970 kW·h，計算出年節電比例為70.4%。

4 結語

在高速公路隧道照明系統控制的過程中，既要充分結合外部天氣變化維持隧道內外照明亮度差的穩定性，也要充分結合隧道的使用情況進行合理控制。該研究分析了基于外部環境亮度變化和隧道內車流量結合的隧道照明亮度自適應控制方案的實踐應用，通過對方案的應用效果進行分析，總結其在應用之后的節能效果，最終通過計算證實通過應用隧道照明亮度自適應控制方案相比傳統回路高壓鈉燈照明系統能夠達到70.4%的節電效果。