高速公路隧道智能照明工程技術(shù)方案設計

摘" 要：該文針對高速公路隧道照明存在的能耗高、效率低等問題，以福建蛟城段隧道照明智能化改造為案例，提出一套綜合的技術(shù)方案。首先對隧道照明設施及現(xiàn)狀進行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有照明設計存在不足。隨后提出隧道照明智能化提升改造方案，包括LED燈光源的選用、照明分段設計等，以及智能照明控制方案。最后，對照明系統(tǒng)改造和控制優(yōu)化方案進行詳細闡述，包括洞口引導照明改造、線纜敷設、LED燈具要求與標準及光強檢測器設置等內(nèi)容。研究結(jié)果表明，采用智能化調(diào)光控制技術(shù)可以有效提高隧道照明系統(tǒng)的能效，實現(xiàn)能源節(jié)約，降低運行成本。

關(guān)鍵詞：高速公路隧道;LED照明;智能化;照明改造;隧道照明

中圖分類號：U453.7" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0129-04

Abstract： In view of the problems of high energy consumption and low efficiency of expressway tunnel lighting， this paper puts forward a set of comprehensive technical scheme with the intelligent transformation of Fujian Province's Jiaocheng section tunnel lighting as a case. Firstly， the tunnel lighting facilities and their current situation are analyzed， and the existing lighting design is insufficient. Then， the intelligent tunnel lighting improvement scheme is proposed， including the selection of LED lighting source， lighting segment design， and intelligent lighting control scheme. Finally， the optimization scheme of the lighting system transformation and control is elaborated in detail， including the transformation of the hole guide lighting， cable laying， the requirements and standards of LED lamps， and the setting of light intensity detector， etc. The results show that the intelligent dimming control technology can effectively improve the energy efficiency of the tunnel lighting system， and reduce the energy saving and operation cost.

Keywords： highway tunnel; LED lighting; intelligent; lighting renovation; tunnel lighting

安全、高效和節(jié)能一直是高速公路施工及運營的重要目標。隨著我國公路運營規(guī)模的不斷擴大，隧道照明運營成本日益突出。如何有效地減少運營費用，需要進行系統(tǒng)的節(jié)能研究。

LED照明產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近幾年的低價競爭與產(chǎn)業(yè)整并后，已經(jīng)逐漸步向成熟期，不少LED照明大廠皆已積極布局智能化，智能照明不僅將實踐在工業(yè)、商業(yè)場景，還用在以政府主導的城市道路照明中，融合智能化后已經(jīng)成為能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整的一個重要發(fā)展方向，智能照明也在隧道照明發(fā)揮自己的優(yōu)勢。文章以福建蛟城段隧道照明智能化改造為例，全線共有隧道4座。

1" 高速公路隧道照明設施分析及現(xiàn)狀

隧道在運營后出現(xiàn)照明能耗高問題，根本原因一方面是隧道照明設計時，LED照明技術(shù)未成熟，價格高企，只能選擇高壓鈉燈等這樣高功率的燈具，能耗較高;另一方面是照明系統(tǒng)的設計和運行管理不夠高效，導致能耗浪費。根據(jù)JTJ 026.1—1999《公路隧道照明通風設計規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，影響設計指標的主要因素是隧道洞外亮度取值和交通量，下面將對這2項進行分析。

1.1" 隧道洞外亮度取值

在隧道照明設計中，有一個非常重要的參數(shù)叫做L20（S），也就是洞外亮度，取值時，由于受到各種因素的限制，設計者無法獲得精確的數(shù)值。所以，在實際應用中，無論洞室的環(huán)境、洞門形式及裝修顏色，都只是單純地根據(jù)照明規(guī)范中的推薦值來取值，通常都是4 000 cd/m2，但在許多情況下，許多隧道的洞外都無法達到這個值。在本次高速公路隧道照明智能化提升改造工程的前期，就由專業(yè)人員收集原隧道資料，包括施工、竣工圖紙等資料。除此之外，還組織專業(yè)人員對隧道周邊地形和氣象數(shù)據(jù)、隧道洞口朝向、隧道長度、平縱地形、洞門結(jié)構(gòu)形式、隧道路面材料及其顏色、洞內(nèi)材料及顏色進行了實地調(diào)查。各專業(yè)組完成外業(yè)后，還需進行自檢、互檢。

1.2" 交通量

交通量是照明標準中的另一項重要參數(shù)。高速公路實際運行后，理論可得的交通量并不能反映出實際運行后的交通量，其會對照明的亮度指數(shù)產(chǎn)生直接影響，從而影響投資與運行成本。本次高速公路隧道照明智能化提升改造工程前期，除了對隧道洞外亮度內(nèi)外業(yè)的調(diào)查，也注重收集了各隧道交通量、設計速度，以及對已有資料進行了匯總整理（見表1和表2）。其間，與建設單位、設計單位、監(jiān)理單位和運營公司等各方進行了充分的溝通和討論，在此基礎(chǔ)上，形成本次隧道照明智能化提升改造工程的技術(shù)方案。

該高速公路改造前照明設計技術(shù)參數(shù)：照明設計計算行車速度80 km/h;設計交通量設計取值小于等于350 pcu/（h·ln）;路面結(jié)構(gòu)是瀝青路面;隧道洞外亮度取值4 000 cd/m2;燈具形式采用中線布置;基本段照明亮度Lin=2.5 cd/m2;應急照明為隧道、橫洞內(nèi)設置有應急照明的，由變電所的UPS供電，停電時應急燈點亮時間不少于30 min。

隧道照明控制分為晴天、云天、陰天、重陰天、晚上和夜間6級。晴天、云天、陰天和重陰天照明基本照明燈具全開，加強段燈具分別全開、開大部分、開小部分和開少部分;晚上基本照明全開，加強段關(guān)閉，洞外路燈全開;夜間基本照明開啟一半，加強段關(guān)閉，洞外路燈全開。照明控制由隧道監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境亮度變化進行遠程自動控制或手動控制。但控制僅限于燈具全亮或關(guān)閉，無法進行亮度調(diào)節(jié)，既不節(jié)能也不合理。

2" 隧道照明智能化提升改造方案

隧道照明智能化提升改造方案嚴格執(zhí)行JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》等相關(guān)現(xiàn)行設計規(guī)范，針對本路段各隧道特點以及現(xiàn)有照明布設情況進行有針對性的設計。隧道照明燈具光源選用高效節(jié)能型LED燈，照明分段按JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》進行考慮，參數(shù)設計：照明設計計算行車速度100 km/h（按新的限速要求設定）;設計交通量設計取值小于等于350 pcu/（h·ln），入口段亮度折減系數(shù)K=0.035;路面結(jié)構(gòu)為瀝青路面;隧道洞外亮度取值端墻式取L20（S）=3 500 cd/m2，削竹式取L20（S）=3 000 cd/m2;燈具布置根據(jù)實際情況分別為中線側(cè)偏布置，兩側(cè)對稱布置，按原布設方式中線布置;隧道中間段平均亮度Lin≥3 cd/m2;緊急停車帶平均亮度Lin≥4 cd/m2;橫洞照明平均亮度Lin≥1 cd/m2，接入應急照明回路;應急照明亮度大于等于中間段亮度的10%，且不應低于0.2 cd/m2，由變電所的UPS供電，停電時，應急燈點亮時間不少于30 min;路面亮度總均勻度U≥0.4;路面中線亮度縱向均勻度U≥0.6。

3" 智能照明控制方案

加強段照明控制要求。模式采用光強調(diào)光控制模式、時序調(diào)光控制模式、時序開關(guān)控制模式、手動控制模式。日常情況下優(yōu)先采用光強調(diào)光模式。當光強檢測器出現(xiàn)故障時由調(diào)光控制器自動切換至時序調(diào)光控制模式。當調(diào)光控制器出現(xiàn)故障時，控制軟件收到相關(guān)故障報告后可自動或人工手動切換至由隧道邊緣控制器控制的時序開關(guān)控制模式。光強調(diào)光控制模式根據(jù)隧道洞口亮度信息，結(jié)合隧道的設計數(shù)據(jù)（設計時速、設計車流量）計算出洞內(nèi)所需亮度及燈具所需輸出的功率百分比，由調(diào)光控制器對加強照明進行調(diào)光控制。具體控制策略需根據(jù)不同隧道、不同設計時速及不同設計車流量進行單獨設置。時序調(diào)光控制模式根據(jù)權(quán)威部門制定的時序控制表對隧道燈具按時間進行調(diào)光控制。時序調(diào)光控制與原時序開關(guān)控制類似，將原來通過按時間對回路開關(guān)進行控制來調(diào)節(jié)亮度，改為按時間對燈具輸出功率進行調(diào)節(jié)來控制照明亮度。

全日照明及應急照明控制要求。采用時序調(diào)光控制模式、時序開關(guān)控制模式、手動控制模式。優(yōu)先采用時序調(diào)光控制模式，調(diào)光控制系統(tǒng)故障時，控制軟件收到相關(guān)故障報告后可自動或手動切換至由PLC控制的時序開關(guān)控制模式。時序調(diào)光控制模式根據(jù)設計時速及設計車流量，按照時間對全日照明進行調(diào)光控制。時序開關(guān)控制模式根據(jù)制定的時序開關(guān)控制策略，通過PLC控制開關(guān)柜斷路器，按照時間對全日1、全日2回路進行開關(guān)控制。應急燈不接入調(diào)光控制系統(tǒng)，應急燈24 h全開。

智能照明控制檢測數(shù)據(jù)。智慧調(diào)光系統(tǒng)根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行計算并自動調(diào)光，主要是結(jié)合車速、交通量和洞外亮度進行計算，并將計算結(jié)果發(fā)給照明控制器，控制器發(fā)出照明控制指令。隧道照明智慧化實現(xiàn)內(nèi)容包括照明自動控制、隧道照明的遠程監(jiān)控（服務器遠程控制和工作站遠程控制）、本地控制（使用本地設備上按鍵控制或其他方式）、狀態(tài)檢測（燈具和控制設備狀態(tài)、設備電參數(shù)、回路調(diào)光線電參數(shù)）、故障報警（設備故障報警、回路調(diào)光線故障報警）、信息管理（設備信息管理、運停管理）、運行參數(shù)統(tǒng)計分析以及運行方案管理等，實現(xiàn)照明管控智慧化。

智能調(diào)光控制實施方案。加強照明控制采用分級調(diào)光控制，分級調(diào)光控制是指將洞外亮度和設計采用的車流量值分成若干個級別，按照JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》中的相關(guān)公式計算出各級別所需的路面亮度，并根據(jù)路面亮度與調(diào)光值的關(guān)系計算出各級別所需的調(diào)光值形成分級調(diào)光控制策略并寫入調(diào)光控制器，調(diào)光控制器根據(jù)實時洞外亮度和車流量所落在的級別輸出調(diào)光控制信號，實現(xiàn)入口加強照明控制。

出口加強照明、全日照明及應急照明采用時序調(diào)光控制模式，根據(jù)設計時速，設計車流程，按照JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》中的亮度要求的出口段、基本段路面所需亮度計算出調(diào)光信號輸出值，制定對應的時序控制策略表并寫入調(diào)光控制器中，對出口加強照明、全日照明和應急照明進行調(diào)光控制。白天按照明設計設計細則中的基本段路面亮度要求進行調(diào)光控制，夜間將基本照明亮度調(diào)至白天亮度的50%（不低于1 cd/m2），出口加強照明輸出值調(diào)至0%，詳見表3和表4。

保留隧道改造前控制模式，原控制模式作為備用控制模式。

4" 照明系統(tǒng)改造與控制優(yōu)化方案

4.1" 洞口引導照明改造

將原有的高壓鈉燈替換成LED燈，燈桿、基礎(chǔ)保持不變，路燈電源按原路燈回路。

4.2" 線纜的敷設

保持燈具的原有回路、接線不變，最大限度地利用舊電纜，實現(xiàn)節(jié)約電纜材料。本次改造中多余或未使用的回路不拆除，保留原有的空開、線纜，線纜端頭做絕緣包封處理后固定于隧道頂（壁），以便今后使用。

4.3" LED照明燈的要求與標準

LED燈的驅(qū)動控制裝置應采用恒流驅(qū)動方式，燈（含驅(qū)動控制裝置）的外殼防護等級不低于IP65要求。燈具整燈光效（總有效光通/輸入電功率）大于等于130 lm/W，燈具流明數(shù)為燈具發(fā)出的有效流明（穩(wěn)定值）。LED燈單顆LED功率不小于1 W，不應采用COB封裝光源，不宜采用大功率芯片聚合光源，采用小功率的，芯片聚合功率不應大于5 W。LED燈工作于額定電壓和額定頻率時實際消耗的功率和額定值的偏差應不大于10%，無論偏差大小，燈具的初始光通量不得小于設計的光通量。工作于額定電壓和額定頻率時的實際功率因數(shù)應不低于0.95。入口段加強燈的色溫取3 000～3 500 K，隧道內(nèi)其余燈的色溫取4 500～5 000 K（同一合同段內(nèi)色溫應一致）。顯色指數(shù)Ra≥70。光通維持率LED燈的3 000 h光通維持率不低于96%，6 000 h光通維持率不低于92%，10 000 h光通維持率不低于86%，燈具壽命不低于50 000 h。燈的噪音功率應不大于55 dB（A）。驅(qū)動控制裝置的驅(qū)動效率不應大于85%。LED燈的外表面應整潔、無明顯機械損傷，易清洗，各零部件應緊固無松動，各連接部不得因震動、腐蝕而產(chǎn)生松動、脫落，不應有任何可能對安裝、維護人員的人體皮膚造成傷害的銳角或銳邊。外部的金屬結(jié)構(gòu)件（不銹鋼材質(zhì)除外）應經(jīng)過電鍍、噴涂或表面熱處理。外部線纜應齊全有效，應承受正常使用條件下的最高溫度而不變質(zhì)，不應采用將線纜打結(jié)等可能導致線纜過度彎曲、受損的方法來防止線纜脫出;過長的外部線纜應使用適當?shù)姆绞竭M行固定，線纜固定時不可使用金屬構(gòu)件直接壓緊;線纜的端頭連接點和結(jié)合處應提供絕緣覆蓋層，覆蓋層的絕緣性能應不低于接線本身表層的絕緣性能。燈具前端應設有整片防護面罩，以便清洗燈具。防護面罩表面應平整，不應出現(xiàn)凹凸及曲面形狀，擦試清洗受力時不應變形，防護面罩材料不應采用易老化、脆化、變形、變色和透光率變化大等材料。每個燈具應配備自動調(diào)光接口，并符合隧道照明調(diào)光控制的要求。

4.4" 光強檢測器設置與要求

檢測范圍0～6 500 cd/m2，精度±3%，測量角度為20°，輸出信號DC4～20 mA，適用于隧道環(huán)境。防護等級IP65，環(huán)境溫度-10～+65 ℃，相對濕度小于95%無冷凝，溫濕度適應性強，電源AC220 V±33 V，50 Hz±2 Hz。

4.5" 監(jiān)控軟件調(diào)光控制優(yōu)化方案

監(jiān)控軟件的調(diào)光控制功能集成于現(xiàn)有全省統(tǒng)一監(jiān)控軟件平臺，監(jiān)控隧道內(nèi)照明的實時狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場參數(shù)進行修改。

加強燈回路控制，通過監(jiān)控軟件以太網(wǎng)與調(diào)光控制器通信，下發(fā)光強控制方案，并采集亮度、照度等數(shù)值，通過與PLC通信監(jiān)視并控制照明回路的開關(guān)。亮度、照度值的歷史數(shù)據(jù)以5 min為周期采集，并可輸出日、月、年度曲線。用戶可通過監(jiān)控軟件手動控制每個照明回路的開關(guān)、亮度百分比。監(jiān)控軟件原有的時序回路開關(guān)控制功能不變，仍由PLC執(zhí)行，控制照明回路的開關(guān)，不控制燈具亮度。用戶可在監(jiān)控軟件上編輯、存儲調(diào)光方案，并下發(fā)給調(diào)光控制器，軟件應具備批量下發(fā)功能。監(jiān)控軟件實時檢測與調(diào)光控制器的通信狀態(tài)，如果通信中斷，進行報警，用戶收到報警后根據(jù)實際情況決定是否切換到PLC執(zhí)行傳統(tǒng)的回路開關(guān)時序控制模式。針對跨區(qū)域共管隧道，監(jiān)控軟件的每個節(jié)點只控制其下轄的設備，不進行節(jié)點間同步。亮度、照度傳感器采集值的有效性判斷由調(diào)光控制器進行，判斷邏輯內(nèi)置在調(diào)光控制器中，監(jiān)控軟件可采集判斷結(jié)果。如果調(diào)光控制器檢測到亮度傳感器故障，無法作為光強控制依據(jù)，則自動切換到時序調(diào)光模式。用戶也可手動切換混合調(diào)光模式和時序調(diào)光模式。

5" 結(jié)束語

我國碳達峰碳中和目標的提出，對能源清潔化、低碳化發(fā)展提出了新的要求。發(fā)展集約高效的能源利用形式，提高能源使用效率，方法方式多種多樣。智能系統(tǒng)通過各種傳感器收集環(huán)境和其他信息，并進行數(shù)據(jù)分析，再進行設備調(diào)節(jié)，在照明節(jié)能上進行最優(yōu)處理。以人為本的智慧照明正在成為隧道照明發(fā)展的方向。

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作者簡介：張敏（1982-），男，工程師。研究方向為高速機電工程施工。