浅谈高速公路隧道通风照明节能环保控制方案

王少山

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

高速公路隧道的交通安全与节能环保问题是目前我国公路隧道运管方面的重要内容。怎样在确保安全行车的前提下，提高隧道运营效率、节能减耗，成为科研设计院所和建设运营单位亟待解决的问题。高速公路隧道运营中能耗非常大，其中包括隧道通风系统和照明系统。本文充分考虑山西省多山多沟、地形复杂的省情，谈谈公路隧道中通风照明节能环保综合控制技术，并做建立隧道通风照明系统控制方案的尝试。

1 隧道通风节能环保控制方案

1.1 系统综述

保持隧道中空气良好是驾驶员安全行车的必要条件。隧道内的通风监控系统总体上可分以下几层：第一层是计算机处理系统；第二层是PLC控制应用系统；第三层是风机和诸多检测设备（如：CO/VI检测仪、风速风向检测器、亮度检测仪、车检器等）。

图1 隧道通风监控系统

1.2 系统构成

本系统包括：区域中心工作站、隧管所监管计算机、隧道现场PLC、CO/VI检测仪、开关设备、隧道现场风机软启动器、相关电缆等。隧道现场PLC接收到CO/VI检测仪采集的数据，再上传至隧管所，由计算机系统将实时检测值与标准值进行比对计算，然后反馈至隧道现场本地控制器和电子软启动器，从而实现对风机的实时控制。通风控制子系统选用变电站集中控制模式。隧道监控系统在隧管所设有监管计算机，在隧道里设置现场PLC，二者实现联网，同时现场设备网络将风机软启动器连接起来接入到隧管所。

1.3 智能拓展

对于长大隧道的通风控制系统，需着眼于其滞后性和非线性等显著因素来研究优化的控制措施，用最简单操作高效地完成系统控制，实现节能目的。人工智能系统主要考虑解决传统控制方法不易处理的复杂系统控制难题。中长隧道的通风控制，既可以先进行系统分析，建立相应数学模型，改良系统控制的对象，并选择自学能力强的模型辨识法[1]，从而提高输出指令的有效性；也可以通过创新控制结构并选用优化的算法来提高控制效率。随着科技的不断进步，智能领域涌现出大量新型建模方法，基于实时数据的神经网络模型便是其中的杰出代表。隧道监控系统中存储着大量的实时数据，这些数据表征着系统最真实的面貌，故而可利用这些数据对其进行神经网络建模。

2 隧道通风节能环保措施

通风方案中建议采用静电除尘器，可滤烟除尘，进而减少竖井或斜井的数量，降低设备和运营费用。静电除尘器在挪威、日本等国家的公路隧道中已有成熟应用，可有效将隧道中环境指标保持在所要求范围内。例如，隧道里CO浓度，正常营运时的允许值不高于250×10-6，交通阻滞（隧道里每个车道都以怠速前进，平均速度是 10 km/h）时不高于300×10-6；隧道里烟雾允许浓度 7.0×10-3m-1。

3 隧道照明节能环保控制方案

3.1 系统构成

隧道照明控制系统由监控分中心控制工作站、隧管所及值班室控制工作站、变电所及值班室本地控制器、箱式变电站内本地控制器、光强检测仪、照明控制柜、隧道里照明灯具、连接电缆等组成。监控分中心计算机、隧道本地控制器都可进行照明控制，在隧道至隧管所及值班室的通信出现故障时，可直接在本地控制器上操作，以保证隧道正常运营。

对于中长隧道可设置光强检测器，分别安装在左右线隧道进口外的规定位置，检测器镜头朝向洞口安装，模拟司乘人员的视角，检测洞口外亮度值，由PLC的模拟量输入端采集光强检测器的输出，通过工业以太网（EtherNetIP）连接及软件的IOServer与计算机通讯，采集工作状态，并上传到中心控制系统，由中心控制系统根据光强参数进行隧道照明控制，达到对隧道的高效照明。

通常，车行横洞内的照明灯处于熄灭状态，以便节约能源。当发生火灾或者检修隧道时，可由隧道管理站远程控制开启或者本地手动开启。其与车行横洞卷帘门处于互联状态，状态信息和控制命令经本地控制器传至隧道管理站。

3.2 算法描述

隧道照明系统最根本的目的是满足驾乘人员的视觉需求。由此在隧道照明节能控制方面主要考察两个问题：分析找出照明需求参数的最优解；依照合理时序精确输出照明控制指令。隧道照明控制函数分析过程涉及到的数值参数主要有：洞外洞内光照亮度比值、隧道实时交通量值、突发状况等。洞外洞内光照亮度比值越大，对照明质量要求越高；隧道实时交通量值越大，照明需求越大。突发状况则是包含有交通事故、不定期设施维护、隧道火灾等。算法具有灵活健壮的结构，工况不同，选择的算法选项也不同，进而由触发条件调用对应的输出方式，优化地完成照明控制任务。

人工操作方式通常应用于中短隧道，各个照明回路的切换调控由操作人员根据经验和现场具体环境来完成。照明控制系统常态工作采用自动模式，这个过程利用了光照度计采集到隧道内外的光强参数，经过计算机处理后产生控制指令，由隧道变电所相应低压柜中照明控制器实现各个照明回路的自动开关控制。

表1 算法结构表

4 隧道照明安全节能措施

目前大多数隧道均考虑了照明系统的设计，多采用偏于保守的传统照明方式。鉴于运营和维护成本过高，不少隧道仅开启其中的大约1/2～1/4的灯具，使得隧道内光线偏暗、亮暗交错不匀，驾驶员短时间难以适应。另外，一些隧道采用集中调光控制、改变布灯方式等方法，虽有一定的节能效果，但在实际运行中还是存在着电能的浪费、新技术应用程度偏低等问题，主要表现在照明灯具能耗高、控制方式智能化水平低、忽视照明显色性与照度之间的关系、未定量考虑隧道照明的全寿命周期成本[2]等方面。

4.1 隧道照明光源的选择

照明光源一般分为白炽灯、气体放电灯和其他电光源三大类。目前较为环保的照明光源主要有高压钠灯、金属卤化物灯、高压汞灯、电磁感应灯和LED灯等。LED灯作为一种新型的半导体光源，是公认的当今最具发展潜力的节能环保技术，具有响应快速、高光效、高显色性、结构牢固、不怕震动、工作电压低、电流小、方向性好、运行成本低等优点。尤其是其使用寿命可以长达10万h，传统的光源在这方面无法与之相比，因此，在一些维护和换灯困难的场合，使用LED作为光源，可大大降低人工费用。

4.2 新能源供电方式的使用

若隧道附近没有常规的电网系统，尤其偏远地区短隧道，可考虑选择太阳能光伏发电技术，这样不仅大大降低了常规电网的建设投入，而且很环保。隧道交通安全诱导系统也可以采用太阳能供电，供电系统除了包含太阳能电池组外，还有直/交流逆变器、蓄电池组、控制和连接装置、隧道诱导设施等。风力发电作为一种环保可持续发展的新能源生产方式，应用前景亦十分广阔，可合理利用风电给隧道供电。需要指出的是，若将光伏发电和风力发电结合起来，使隧道的照明采用太阳能和风能互补离网供电系统，不仅节省电能，而且该系统一旦建成其运营维护成本较低。

5 结束语

山西省高速公路隧道数量较多，其中不乏长大隧道，若洞内发生火灾，则隧道监控系统必须马上触发应急联动程序，根据需要开启若干主洞风机，控制住烟气的流动方向，选择靠近火灾点的洞口进行排烟。隧道供配电系统也是隧道照明优化设计中需要考虑的一个重要方面，本文限于篇幅难以赘述。另外，随着人工智能技术的不断发展，大量智能优化策略相继涌现，这就为解决隧道通风照明系统设计问题提供了新的思路。安全、环保、经济、节能是公路隧道建设一贯追求的目标，各级政府应加大政策扶持和资金投入。