山區高速公路隧道照明智能控制技術分析

王小博

（陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710054）

1 前言

“要想富，先修路”，高速公路是經濟發展的助推劑，能有效促進地區經濟的快速發展。隨著我國經濟實力的不斷增強，交通基礎設施建設的重點也逐漸從東部發達地區向中西部發展。近10年來，中西部高速公路得到了快速發展，路網規模不斷增大、密度不斷提高，有力促進了中西部經濟的發展。中西部高速公路多位于山區，橋隧比非常高，長大隧道既多又密。

公路隧道是一種半封閉式管狀結構，如果缺乏照明設施，隧道內外的亮度變化將會非常大，人眼在巨大的亮度變化時會產生短暫失明的視覺適應過程。因此，高速公路隧道必須安裝照明設備，縮小隧道內外光線變化強度，確保駕駛員通過隧道時視覺良好，提高高速公路隧道的通行安全和通行效率，保障汽車司乘人員的道路交通安全。

隧道照明要求開燈時間長、高亮度、高可靠性和良好的穩定性，照明設備的運營、維護已成為山區公路中一項巨大的成本支出。因此，如何在提高隧道照明效率、提升照明效果的同時，降低隧道照明費用支出，已成為山區高速公路必須解決的一道難題。本文旨在對山區高速公路隧道照明的智能化控制技術進行深入分析，探討智能化控制技術在保障隧道照明安全與質量和節省電力消耗、降低運營成本中的應用前景。

2 隧道照明系統

人由明亮場所進入黑暗場所或者由黑暗場所進入明亮場所，眼睛都需要一個視覺適應過程。當我們由明亮場所進入黑暗場所時，我們的眼睛會有一段時間什么也看不見，需要經過一段時間適應才能慢慢地看清暗處的物體，這叫暗適應，也叫黑洞效應。這一過程的時間大約需要5～30分鐘。由黑暗環境進入明亮環境，眼睛會覺得光線刺眼產生眩暈，也會出現短暫的看不清東西的現象，這叫明適應，也叫白洞效應。這一過程大約需要1分鐘左右。

高速公路隧道是一個管狀場所，隧道內太陽光一般無法完全照射，與洞外形成了巨大的亮度差。視覺適應時間的長短，與明暗兩個環境間的亮度差成正比，亮度差越小，則適應時間就越短。不管是暗適應還是明適應，如果時間過長，都會影響司機對路面視覺信息的收集，對高速公路的交通安全都是非常危險的。

隧道照明系統就是為了提高隧道內部的亮度，減小隧道內外亮度差，縮短視覺適應時間，把必要的視覺信息提供給駕駛員，確保行車安全和增加隧道內行駛舒適度而設計安裝的照明設備。隧道照明系統根據功能，可分為照明設備、控制系統和供電系統三部分。照明設備是隧道照明的核心，包括燈具和光源。由于高速公路隧道照明時間長、亮度高、穩定性好，因此燈具必須具有亮度高、壽命長、能耗低的特點。隧道照明控制系統是為了控制燈具的開關、調節燈光亮度而設置的。它可以根據不同的情況自動調節燈光亮度，提高能源利用率和照明效果。隧道照明的供電系統也叫電源系統，主要由變配電系統和電纜系統兩部分組成。變配電系統負責變壓和電能分配。電纜系統負責將電能傳輸到各個燈具。長大隧道還需要考慮自然災害、斷電等發生時有備用電源或應急發電機組，以保證照明系統的正常運行。

3 隧道照明控制系統概述

在進行高速公路隧道照明設計時，為了達到公路設計的通過能力和通行速度，必須考慮駕駛員的視覺適應能力。為了縮短駕駛員在隧道的視覺適應時間，國際照明委員將高速公路隧道照明分為接近段、入口段、過渡段、中間段和出口段五段，對每段路面的亮度有不同的要求。

接近段照明是使駕駛員進入隧道時前能看清隧道洞口環境、適應隧道洞口亮度而在隧道入口處前一個停車視距范圍內設置的路段。接近段白天通過常青樹、遮光棚、遮陽棚等措施降低隧道外的亮度，從而降低隧道內外的亮度差；夜間設置引導路燈使駕駛員提前看清洞口條件并適應洞內照明。入口段白天為黑洞效應，需加強照明；夜間為白洞效應，需降低亮度。出口段則與入口段正好相反，白天為白洞效應，夜間為黑洞效應。過渡段銜接入口段和中間段，白天過渡段要降低入口段和中間段的視覺差異，滿足安全舒適性和經濟性；夜間入口段和中間段差異不大時，只需將過渡段亮度與入口段保持一致即可。中間段需將隧道內亮度控制在合理而均勻的水平即可。

為了滿足上述要求，高速公路隧道照明必須配備照明控制系統，以控制燈具的開啟和關閉以及調節其亮度，確保隧道內各段照明符合要求。高速公路隧道照明按控制方式分有手動控制、自動控制（又分為時間控制和分級控制兩種）、智能控制三種。

手動控制是由人在現場或遠程控制中心進行操作，按當時氣象條件開啟不同回路的照明燈具，并對照明燈具的輸出功率進行調節，實現隧道照明燈具的開啟和亮度的調節。人工控制方式操作過程煩瑣，浪費大量的人力與能源，已不能適應現代高速公路運營管理的需求。

自動控又分為時間控制和分級控制兩種方式。時間控制的原理是根據不同時間的不同亮度區分，將一年根據春、夏、秋、冬四個季節劃分，并設定每季早晨、中午、傍晚、夜間各時間段的洞外最大亮度值，對隧道內各段的照明亮度進行調節。分級自動控制是將天氣狀況劃分為晴、多云、陰天、重陰天、傍晚和夜間共6級，并設定每一氣象條件下的最大洞外亮度，制系統自動按選定的氣象條件調節照明燈具的功率。

4 隧道智能隨車照明系統控制系統

4.1 系統概述

自動控制雖然取代了部分人工操作，但由于回路劃分的限制，燈具開關和亮度調節空間比較有限，隧道照明燈具絕大部分為24小時開啟狀態。同時，在這種方式下，各段照明的亮度要按照最大值來設定，沒有將天氣變化、車流量變化等實時因素納入考慮，造成深夜時段仍保持燈具高亮度、高功率的輸出，尤其是很多流量較小路段存在極大的電能浪費。很多高速公路運營公司都是采取自動控制結合人工控制的方式，在規定的時間人工開關隧道照明燈具。因此，需要對控制系統進行升級，引入天氣、車流量等實時變化因素，實施隧道照明智能調光，實現節能和降本增效，提升隧道內駕駛舒適度。

智能隨車照明控制系統是以自動控制為基礎，應用傳感技術、自動控制技術、物聯網技術等智能控制技術，根據隧道外的實時亮度結合車流實際情況，按照公路隧道照明亮度曲線進行動態調節，使隧道照明滿足節能環保、安全舒適的要求，實現“按需照明”。智能隨車照明控制系統由物聯網分段調光控制器、毫米波雷達型調光控制器、智能物聯網多模網關、洞外/洞內亮度檢測儀、洞口車流量車速檢測設備、智能網聯邊緣控制主機、亮度可控型公路隧道照明LED燈具、自適應隧道調光系統平臺軟件和位于高速公路監控中心的計算機和服務器組成。

4.2 數據采集器

洞外天氣條件和亮度值由亮度檢測器采集，經數據轉換器轉換為數字信號，通過網絡傳輸給控制計算機?？刂朴嬎銠C每間隔一段時間收集洞外亮度檢測器采集的洞外亮度值，根據該亮度值和隧道照明控制曲線調整洞內燈具的輸出功率，實現隧道洞內照明亮度的連續調節。同時，控制計算機根據洞內亮度檢測器檢測的洞內亮度情況進行微調，保證照明的穩定性和均勻性，防止燈光閃爍的問題。

車輛檢測器安裝在隧道入口和隧道內處，用于檢測單位時間內經過隧道的車輛數和經過的車輛速度，并將數據實時上傳到本地控制中心，一般用置于車道下面的感應線圈或置于道旁的激光雷達來實現。

4.3 智能照明控制系統

這是控制系統的核心。整個智能隨車照明控制系統為四層架構，具體框架層次說明如下。

平臺管理層：自適應隧道調光系統平臺軟件，功能是對整個隧道或路段下隧道照明系統孿生式在線展示與管理控制。包括但不限于展示隧道照明燈具布設狀態并統計展示亮暗時長、節能效率等照明系統數據，實時展示“與車相隨”動態照明效果，實現對照明系統的控制與在線巡查，實現對封道、斷電等事件的判別及告警，也可根據業主需求提供節能分析報告，進行照明系統能源用電分析等拓展功能。

本地管理層：智能網聯邊緣控制主機，功能是對整個隧道的設備進行邊緣計算與本地控制，需接收洞外/洞內亮度值、洞外車流量檢測數據，及洞內亮暗燈時長、變電所電表能耗采集等數據，并實時上傳到智慧照明隨車照明平臺。

中間層：智能物聯網多模網關，兼具藍牙、4G、以太網數據收集及轉發功能。

終端層：物聯網分段調光控制器，具備有線或無線調光功能模塊及燈具或回路電氣性能在線監測模塊；毫米波雷達型調光控制器，具備車輛探測功能模塊、有線或無線調光功能模塊；亮度檢測儀或洞內照度計，在線監測洞內外亮度變化，為照明系統提供動態調光亮度參數依據及反饋數據；洞口車流量車速檢測設備，為照明系統提供車道級車流車速實時參數。

系統采用無線調光控制器，可根據洞外、洞內亮度和車流量、車速信息，實時調節隧道內各照明段的亮度。車輛檢測器檢測到無車通行，信號傳輸到控制系統，智能控制系統控制關閉加強照明燈，并將基本照明燈亮度調至最低水平調光比例（5%～10%）。隧道接近段有車輛駛來時，車輛檢測器捕抓到有車接近的信號，控制系統逐漸將入口段燈具恢復亮度至原設定的亮度水平。車輛在洞內行駛過程中，隧道內沿汽車行駛方向分布的車輛檢測器分別接收到有車信號，逐次點亮車輛前方安全行駛距離內的燈具，在保證安全的前提下，實現了伴隨式“車來燈亮，車走燈暗，燈隨車行”的動態調光效果，并達到了最大化的節能。出現應急情況時，如隧道內設備故障或車輛事故時，智能調光系統啟動應急控制模式，退出智能調光模式，燈具轉為全開狀態，保證行車安全。

4.4 燈具選擇

燈具決定了隧道照明控制方式和模型，是系統安全、高效運行的關鍵。隨著微電子技術和照明技術的發展，隧道照明燈具也在不斷進步。目前常用的有高壓鈉燈、低壓鈉燈、熒光燈、電磁感應燈和LED燈。

LED燈與傳統燈具相比，具有使用壽命長、光通利用率高、功耗小發光功率高、啟動與再啟動時間短、顯色指數好、定向性強、工作電壓低和重量輕等非常多優點。LED燈在動態調光方面優勢更加突出。由于LED發光由電流進行控制，其光電轉化速度極快，在參數范圍內，輸入不同的電流LED燈能瞬間調整到對應的亮度，這是其他燈具無法做到的。通過智能控制系統對LED照明燈具進行連續調光，為實現“按需照明”自適應式調節隧道照明提供了最基礎的技術保障。

新建隧道的智能控制照明系統燈具應首選LED燈，滿足智能控制無級調光的需要。既有高速公路隧道照明控制系統改造時，在預算充裕的情況下，可一次性將照明燈具更換LED燈；如預算緊張，可先將調光頻繁的入口段和出口段燈具更換為LED燈，過渡段和中間段仍使用原有照明設備，待以后資金充裕再予以更換。

4.5 分析與比較

相比傳統的隧道照明控制方法，智能控制技術具有明顯優勢。首先，智能控制系統根據現場實時天氣、洞外亮度值和車輛行駛數據調整隧道燈光亮度，提高照明效果。同時減少了無車和低流量時段的照明功耗，大大降低了照明系統的電能消耗，滿足了低成本、綠色環保的運營需要。燈具的開啟時間縮短，提高了照明燈具的使用壽命，節省了隧道照明的維修成本，進一步壓縮了隧道照明的運營費用。智能控制還可以提高隧道照明的安全性和可靠性，減少因照明問題引發的交通事故。

5 結語

本文對山區高速公路隧道照明的智能控制技術進行了深入分析，闡述了其優越性和應用前景。通過對比常規照明控制技術和智能化控制技術的優缺點，可以看出智能控制技術在提高照明效果、降低能源消耗和提高行車安全等方面具有明顯優勢。未來，隨著物聯網、人工智能、云計算、大數據等技術在高速公路隧道照明中的應用，實現更加智能、高效、安全的隧道照明控制。同時，也需要進一步加強技術研發和人才培養，推動人工智能技術在高速公路隧道照明領域的廣泛應用。