短隧道采用太阳光光纤照明技术的优势分析

卢世杰，史玲娜，涂 耘，王小军

(1.陕西省交通建设集团公司安平高速公路建设管理处，陕西 安康 725000；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司 交通工程与节能分院，重庆 400067)



短隧道采用太阳光光纤照明技术的优势分析

卢世杰1，史玲娜2，涂 耘2，王小军2

(1.陕西省交通建设集团公司安平高速公路建设管理处，陕西 安康 725000；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司 交通工程与节能分院，重庆 400067)

针对公路隧道照明能耗过高、孤零短隧道供电困难等问题，提出在短隧道采用太阳光光纤照明技术进行隧道照明。通过分析短隧道行车的视觉适应性建立了采用太阳光光纤照明技术时的隧道内照明需求响应与外界亮度变化实时一致性的关系，并以具体短隧道为例，进行了太阳光光纤照明系统的设计及节能效益分析，提出短隧道采用太阳光光纤照明技术的优势。

隧道照明；太阳能；光纤照明；节能减排；低碳；短隧道；太阳光；照明技术

引言

随着我国基础建设速度的加快，公路隧道规模以15%左右的年增长率递增。到2015年底，全国公路隧道数量14 006座，其中短隧道约占55%，公路隧道运营照明节能压力大，采用新型节能技术和产品迫在眉睫[1-2]。

短隧道由于司乘人员在隧道内停留时间较短，在短隧道内的行车安全重点要解决白天入口段明暗差大导致的视觉不适应问题，即通常所说的“黑洞效应”。由于隧道入口段的“黑洞效应”程度与洞外太阳光强度有关，太阳光强越大，“黑洞效应”越明显，采用太阳光光纤照明技术将洞外太阳光引至隧道入口段，则可以完全实现入口段的照明强度变化与洞外太阳光强度变化完全一致，一方面可以解决入口段由于视觉不适应可能引起的交通安全问题，另一方面更是为隧道入口段的高能耗提供一种太阳能利用的解决方案。

对于那些地形复杂、人口稀少地区，由于电力资源贫乏，电力成本巨大的问题尤其突出，特别是偏远地区、孤零的短隧道照明系统的供电问题更趋严重。根据《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D702-01—2014)(以下简称《细则》)规定，长度L≤500 m且设有自发光诱导设施和定向反光轮廓标的高速公路和一级公路隧道，夜间可关闭全部灯具[3]。因此，这些地区的短隧道一旦采用太阳光光纤照明技术，白天可以通过光纤将太阳光直接导入隧道以替代传统的隧道电光照明。从而可以取消短隧道的供配电设备，大大节省隧道照明电力成本和运营成本[4—5]。

因此，本文从视觉适应性角度出发，研究太阳光光纤照明技术在短隧道的应用，并以陕西省内的一座短隧道为例，得出太阳光光纤照明技术在短隧道内的应用方案及预期效果。

1 短隧道视觉适应性分析

根据人眼视觉特点，当驾驶员白天驾车驶入隧道时，会有一个暗适应过程，驶离隧道时会有一个明适应过程[6-7]。对于短隧道而言，白天驶入短隧道的暗适应过程与隧道的长度及通透率有关。所谓隧道通透率(STP)是指在隧道入口前一个停车视距的主车道位置，驾驶员在1.5 m高度看到的隧道出口面积占入口面积的百分比，图1和式(1)分别为通透率的计算示意图和计算式[8]。

图1 短隧道通透率计算示意图Fig.1 Calculation of STP

(1)

通常，隧道越短，受出口段洞外亮度对隧道内照明环境的影响，隧道的通透性越好，暗适应所需的时间就越短。由于短隧道的通透性在一定程度上降低了司乘人员的视觉适应性要求，对于短隧道入口段的亮度需求也随之降低。根据《细则》规定，长度处于300～500 m和200～300 m之间通透性较好的短隧道，入口段的亮度可分别取长隧道标准的50%和20%。

采用太阳光光纤照明技术将太阳光引至隧道入口段，提高隧道入口段的照明亮度，在一定程度上可以降低入口段行车暗适应的时间，结合短隧道通透率对视觉适应的补充作用，可以提高短隧道行车从洞外亮环境→洞内暗环境→洞外亮环境的适应性。

2 短隧道采用太阳光光纤照明技术的优势

2.1 照明需求响应的实时性

对于某一短隧道，隧道内的总体照明需求用Φs来表示，即满足视觉需求的总光通量，该光通量可由照射在路面的光通量Φr和照射在墙面的光通量Φw组成，根据《细则》规定，隧道两侧2 m高范围内的平均亮度，不宜低于路面平均亮度的60%。因此，隧道的总光通量需求可用式(2)表示[9-11]：

Φs=Φr+Φw=(EthSth+EinSin+EexSex)+(EthSth+EinSin+EexSex)=

(EthWDth+EinWDin+EexWDex)+

2×0.6(EthhWDth+EinhWDin+EexhWDex)=

(W+1.2hW)(EthDth+EinDin+EexDex)

(2)

式中，Eth、Ein和Eex分别表示入口段、中间段和出口段路面照度，Dth、Din和Dex分别表示隧道入口段、中间段和出口长度，W表示隧道路面宽度，hW为墙面高度，根据《细则》要求取2 m。

在采用太阳光光纤照明技术时，隧道内的光通量需求Φs由洞外太阳光经光纤系统导入。假定当地太阳辐射直接照度为Es，在太阳光传输过程中，整个太阳光光纤系统中阳光采集系统的光透过率为η1，光耦合传输效率为η2，光出射效率为η3，M表示出射尾灯的维护系数和利用系数分别用M和η表示。在满足式(2)光通量需求下假设太阳光光纤照明系统的规模为S，从而可以建立隧道内的光照强度与洞外太阳光照度之间的关系，如式(3)所示。

EsSη1η2η3Mη=(W+1.2hW)(EthDth+EinDin+EexDex)

(3)

由于短隧道主要解决的是入口段的视觉不适应问题，如果太阳光光纤照明系统只进行隧道入口段的照明，则可以得到入口段的照度Eth与洞外太阳光照度Es之间的关系，如式(4)所示。

(4)

从式(4)可以看出，采用太阳光光纤照明技术进行短隧道(特别是入口段)照明时，隧道内的照度与洞外太阳光照度存在一一对应关系，洞外太阳光照度Es越强，隧道内的照度Eth也越强，反之亦然。这一关系与隧道照明入口段的需求完全一致，采用这该技术可以无须采用任何照明控制技术前提下自动实现照明需求响应的实时性，真正实现绿色照明的天然实时性。

2.2 建设成本及运营成本的节约

根据《细则》规定，长度小于500 m的且设有自发光诱导设施和定向反光轮廓标的高速公路和一级公路隧道，夜间可关闭全部灯具。因此，本文以一座250 m的短隧道为例进行太阳光光纤照明的经济性分析，该隧道在有太阳的晴天及多云天均用太阳光光纤照明技术进行隧道照明，其余天气及夜间均采用蓄能发光材料、智能诱导等增强辅助照明技术以实现短隧道行车的安全性，从而实现用太阳光光纤照明替代传统的电光照明。

该短隧道设计时速80 km/h，洞外亮度取值2 500 cd/m2，亮度折减系数为0.025。根据《细则》规定，入口段1的亮度取值为12.5 cd/m2，Eth1=187.5 lx，入口段2的亮度取值为6.25 cd/m2，，中间段亮度取值为2 cd/m2，Ein=30 lx，出口段1和出口段2的照度分别为90 lx和150 lx，当地在2 500 cd/m2的洞外亮度的太阳辐射照度为60 000 lx。采用改进的太阳光光纤照明系统，由式(1)和式(2)可得所需系统规模为。按每套系统的采光面积为 0.72 m2、附带6个尾灯计算，需29套系统，共174个尾灯。

在太阳辐射照度为60 000 lx的情况下，按上述参数进行该短隧道的太阳光光纤照明系统设计，在满足照明指标的前提下，具体设计参数如表1所示。

表1 太阳光光纤照明系统的设计方案Table 1 Design scheme of sunlight fibre lighting system

图2为根据上述设计方案得出的入口段1的太阳光光纤照明效果图，从图中可见，在采用该设计方案时，将太阳光导入隧道时，不管是平均亮度和亮度均匀度均可达到预期的照明效果。

图2 太阳光光纤隧道照明效果图Fig.2 Sunlight fibre lighting effect

将该照明方式与传统的电光照明方式相比，如果该隧道采用传统的电光照明方式，在采用目前较为普遍的LED照明情况下，该隧道的照明系统建设成本约为120万元(包括配电箱、线缆、灯具、控制箱等)，每年的照明运营费用及维护费约在18万元，按灯具寿命5年、线缆寿命10年计，在10年的寿命周期内，采用传统照明方式的建设成本和运营成本约为300万元。而采用太阳光光纤照明系统时，按上述计算规模，初期的建设投资约为204万元，由于在运营期内该系统完全采用太阳光照明，不再消耗传统的电能，因此在运营期内的运营费用为0，系统的维护成本也非常低。因此在10年的寿命周期内，采用太阳光光纤照明系统进行该隧道照明时，其经济性和节能性是相当明显的。并且随着该技术的推广应用，系统的建设成本会进一步降低，其经济性的优势会更加明显。

3.3 短隧道太阳光光纤照明的绿色性

用太阳光光纤照明技术进行短隧道照明时，其导入隧道的为图3所示的连续光谱分布的太阳光。该光谱分布不同于任何一种人工光源的光谱，在可见光波段内的光谱分布与太阳光完全一致。此外，根据几何光学原理，经过太阳光光纤系统对太阳光进行导入传输时，由于焦距与波长之间存在一一对应关系，在进行太阳光的耦合传输时，可能设定特定耦合位置将红外光与紫外光完全滤除(如图4所示)，从而实现真正意义上的公路隧道绿色、环保照明。

图3 太阳光谱分布Fig.3 Sunlight spectral distribution

图4 太阳光光纤照明系统的耦合位置与波长的关系Fig.4 Relation between the coupling position of sunlight fibre lighting system and the wavelength

此外，根据隧道行车的视觉适应性需求，有时需要在隧道的不同区段设置具有不同色温的灯具以提高驾驶员对视觉敏感性，提高行车安全。图4显示太阳光光纤照明系统耦合位置与所导入的波段比例有关，图5所示的即为处于不同位置进行耦合所出射的具有不同色温的太阳光示例。因此在进行太阳光光纤照明系统应用设计时，可以根据需要将用于不同照明区域的太阳光光纤系统的耦合位置根据实际需要设置，从而使得从尾灯出射的太阳光具有不同的色温，实现一种纯绿色的隧道照明色温选择方式。

3 结论

本文在目前隧道照明能耗问题突出，国家积极推行使用绿色能源、实行节能减排方针政策的背景下，提出在短隧道采用太阳光光纤照明技术以降低公路隧道能耗。根据短隧道行车的视觉适应性分析，提出将太阳光光纤照明技术用于短隧道可以提高其行车视觉适应性，并以一座短隧道为例从不同方面具体分析了太阳光光纤照明技术用于短隧道的节能与照明效果优势，总结结论如下：

1)短隧道完全采用太阳光光纤照明技术进行隧道照明时，导入隧道内的太阳光强度直接由洞外太阳光强决定，可以实现隧道内的照明亮度特别是入口段的亮度变化与洞外亮度变化实时一致，实现一种纯自然无须任何控制技术的照明亮度需求响应方法，从根本上解决隧道“黑洞效应”导致的视觉不适应问题。

2)采用太阳光光纤照明技术用于短隧道照明，与传统照明方式相比，在初期会增加建设投资，由于在运营期内不耗能，因此在包括建设与运营期的全周期内，经济性比较明显，以10年为计算周期，采用太阳光光纤照明技术用于短隧道照明，与传统照明方式相比，可以节约30%的投资。

3)研究表明，由于导入隧道的太阳光为连续光谱的太阳光谱，该技术的应用可为隧道提供真正绿色的太阳光照明。此外，由于系统耦合端的位置与不同波长太阳光的聚集有关，该技术在应用上可以根据实际需要选择不同的波段，从而实现一种纯绿色的照明光色温选择方式，提高隧道照明的视觉适应性，保证隧道行车的安全与舒适。

[1] 交通运输部综合规划司. 2015年交通运输行业发展统计公报[EB/OL]. http://zizhan.mot.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201605/t20160506_2024006.html

[2] 交通运输部综合规划司. 2014年交通运输行业发展统计公报[EB/OL]. http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201504/t20150430_1810598.html.

[3] 公路隧道照明设计细则:JTG/T D70/2-01—2014[S]. 北京: 人民交通出版社,2014.

[4] 许景峰,宗德新,胡英奎.天然光光纤照明系统在隧道照明中的应用[J].照明工程学报,2012,23(1):30-35.

[5] 史玲娜, 涂耘, 王小军. 太阳光光纤照明在短隧道中的应用方案研究.公路交通技术, 2015,(6):109-112.

[6] Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses:CIE 88:2004[S]. Austria:Internatonal commission on Illumination, 2004.

[7] Lighting applications-Tunnel Lighting：CR 14380—2003[S].2003

[8] 涂耘,史玲娜,王小军.基于视觉特性的短隧道照明节能设计研究[J].照明工程学报, 2016,27(1):28-31.

[9] 刘兴茂, 史玲娜, 涂耘, 等. 隧道入口段太阳光直接照明的光能分析[J].照明工程学报, 2015,26(6): 91-96.

[10] 罗亨俊，史玲娜，涂耘，等. 太阳光光纤照明在隧道中应用的可行性分析[J].照明工程学报,2016,27(4):55-60.

[11] 涂耘,陈建忠.太阳光光纤照明在公路隧道中的应用研究[J].公路交通技术,2012,(6):120-123.

第八届吉林省照明科技奖颁奖大会暨北方城市(长春)照明论坛获得圆满成功

由吉林省科学技术协会主办，吉林省照明学会、长春市路灯管理处联合承办的《第八届吉林省照明科技奖颁奖大会暨北方城市(长春)照明论坛》于2017年4月27—28日，在长春海航长白山宾馆五楼金色大厅隆重召开，并获得圆满成功。参加此次论坛不仅有省内照明生产科研、设计施工和省内绝大多数市州县区市政路灯单位的领导参会，而且中国照明学会、北京、天津、深圳、山东，河南、安徽、南京等地的行业组织领导及内蒙古、辽宁、黑龙江地区照明亮化、城市管理部门的主管领导，都莅临论坛指导，规模突破400人。长春市路灯管理处董建宇副处长代表主办方致欢迎词，中国照明学会邴树奎理事长、吉林省科协韩宇鸿副主席在大会上致辞。

Advantage Analysis of Sunlight Fiber Lighting Technology in Short Tunne

lLU Shijie1, SHI Lingna2, TU Yun2, WANG Xiaojun2

(1.Anping Expressway Construction Management, Shanxi Provincial Communication Construction Group, Ankang 725000，China；2.Traffic Engineering and Energy-saving Department, China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co.,Ltd, Chongqing 400067，China)

Aiming at the problem of high energy consumption in tunnel lighting, and the difficulty of power supply for single short tunnel, an application solution of sunlight fiber lighting technology for short tunnel is put forward. By analyzing the visual adaptation of short tunnel driving, the consistency relationship between lighting demand response of the inside and brightness change of the outside is established. Taking concrete short tunnel as an example, the design method and energy conservation benefit are analyzed, then the advantages of short tunnel is put forward by using sunlight fiber lighting technology.

tunnel lighting； solar energy； fiber lighting； energy saving and emissions reduction； low-carbon; short tunnel; sunlight; lighting technology

重庆市社会民生科技创新专项(cstc 2015shmszw90004),陕西省交通厅科技项目(13-29k，15-29k),贵州省交通厅科技项目(2014-122-020，2016-123-013)

TU113.665;U453.7

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.012