浙东地区公路隧道调光参数影响因素实测分析与调光控制探讨

钱登朝， 康 诚， 童孟胜， 张天航， 张 驰， 陈 亮， 吴 珂, *

(1. 温州市公路管理局， 浙江 温州 325000； 2. 浙江大学建筑工程学院， 浙江 杭州 310058；3. 宁海县交通重点工程建设指挥部， 浙江 宁波 315600)

0 引言

随着我国隧道数量和规模的不断扩大，隧道行车安全与照明节能之间的矛盾也日渐突出[1]。采用LED作为隧道照明光源并进行调光控制，是实现隧道绿色智能化照明的发展趋势，也是解决行车安全与节能减排之间矛盾的重要措施[2]，而掌握隧道照明基准参数的特性和变化规律，是实现低能耗、按需照明的基础与关键。

近年来，隧道照明基准参数的合理设定得到了国内外学者的普遍关注[3-5]。涂耘等[6]对浙西南山区高速公路隧道进行了大量现场实测和数据分析，提出了该地区洞外亮度L20(S)的普适峰值，为隧道照明设计提供了指导； 王少飞等[7]提出了一种基于数码相机技术的L20(S)检测方法，与现场实测结果对比，该方法可减小L20(S)检测误差； 胡英奎等[8]对比分析了现行隧道L20(S)检测方法，并提出了基于当地光气候数据的L20(S)计算方法。对于隧道交通流参数，许多学者对隧道车速、交通量进行了实测，在获取大量隧道交通数据的基础上，开展了基于神经元系统的隧道交通流预测[9-13]。隧道洞外亮度、车速和车流量作为照明设计与调光控制的重要基准参数，往往受到当地气候条件和经济发展水平的影响，目前，对于某一特征地区隧道照明调光参数的变化特征及其对照明需求和能耗的影响的相关研究较少。

本文以浙东地区多条公路隧道为研究对象，采用改进的环境简图法结合环形线圈车检器，同步、连续获得隧道长序列L20(S)及交通流数据，分析该地区车流量和车速的变化特征以及季节和天气对L20(S)时序变化规律的影响，探讨隧道照明需求的特性。

1 测量对象及方法

对浙东沿海丘陵地区6条公路隧道的洞外亮度L20(S)和交通流展开现场实测。隧道分别位于温州和宁波，均为南北走向，设计车速为60 km/h，隧道服役时间均达到1年以上。

环境简图法[14]是国际照明委员会(CIE)推荐的一种隧道L20(S)测算方法，首先对隧道洞口的特征景物进行类型划分，再确定各类型景物的亮度，最后对各景物亮度进行加权平均，计算出L20(S)。在具体实施时，往往需要测量人员根据经验选择某一特征点亮度作为该类景物亮度，但由于同一景物在不同位置的亮度常存在差异，容易造成人为的测量误差。以某隧道洞口植被为例， 同一时刻某两处特征点亮度差异可达到300.5 cd/m2。此外，传统的环境简图法难以获得连续的L20(S)变化曲线，且进行各景物测量时经常存在时差。

本文对环境简图法进行改进，首先根据数码相机所拍摄的距隧道洞口1个停车视距处20°圆锥视场的照片来划分各景物类型及面积权重；然后采用多台多视场角亮度计对各类景物进行同步测量，测量时根据景物面积切换视场角，使得视场角范围能够覆盖目标景物，以获取同一类目标景物的加权亮度值；最后基于式(1)计算L20(S)。

L20(S)=γ·LC+ρ·LR+ε·LE+τ·Lth。

(1)

式中：LC、LR、LE、Lth分别为天空、路面、环境和隧道洞口处亮度，cd/m2；γ、ρ、ε、τ分别为天空、路面、环境和隧道洞口面积所占百分比，根据隧道洞口拍摄的20°圆锥角视场照片确定。

采用改进的环境简图法，通过亮度计视场角的切换，可同时获得各类目标景物的加权亮度值，有效避免了原方法受测试人员经验影响、各景物亮度测量存在时差等问题，能够准确获取连续的L20(S)变化特征曲线。实测结果表明，改进的环境简图法检测结果与规范推荐方法(灰度法)的差异在5%以内，如图1所示。

图1 隧道L20(S)检测数据对比Fig. 1 Comparison of detection data of L20(S)

隧道的车速和车流量数据通过基于电磁感应原理的环形线圈车辆检测器测量。

2 结果分析

2.1 洞外亮度变化特征

洞外亮度L20(S)是指在接近段起点S处，距地面1.5 m高正对洞口方向20°视场实测得到的平均亮度。L20(S)的合理设定，对工程投资和营运开支都有极大的影响，例如L20(S)分别设定为4 000 cd/m2与6 000 cd/m2时，隧道照明设备费相差34%，年耗电量相差达30%[15]。

宁波市花山隧道每日L20(S)峰值的年变化曲线如图2所示。由图2可知，受天气和季节的影响，1年中每日的L20(S)峰值变化差异较大，7—8月的L20(S)峰值较高，普遍达到4 000 cd/m2以上，其他时间L20(S)峰值则在3 500 cd/m2左右。相比于L20(S)峰值维持在3 000 cd/m2左右的浙西南山区公路隧道，由于温州、宁波两地沿海，日照充分，因此L20(S)普遍更高。

图2 公路隧道L20(S)峰值年变化曲线

Fig. 2 Annual variation curve of peak value ofL20(S) in highway tunnel

图3示出不同季节L20(S)的日时序变化曲线。由图3可知，不同季节的L20(S)日时序变化曲线整体趋势比较一致，但L20(S)峰值大小和持续时间有所差异。冬、春秋、夏季L20(S)分别从7:00、6:00、5:00开始逐渐增大，在10:00左右达到峰值并维持在高位。夏季L20(S)峰值最大，达到4 000 cd/m2左右，比冬季增大约10%，春秋季L20(S)峰值则介于两者之间。同时，夏季L20(S)维持在高位的时间较长，为7 h左右，在15:00左右才开始逐渐降低；而冬季L20(S)在高位的持续时间相对较短，仅为4 h；春秋季L20(S)在高位的持续时间为5 h左右。我国现行规范提出的春、夏、秋、冬季公路隧道L20(S)峰值比例为0.5∶1∶0.5∶0.5，实测结果表明，浙东地区春、夏、秋、冬季晴天L20(S)峰值比例应调整为0.95∶1∶0.95∶0.85，且L20(S)在高位的持续时间应分别为5、6、5、4 h。

图3 不同季节隧道L20(S)日时序变化曲线Fig. 3 Daily sequential variation of L20(S) in different seasons

图4示出不同天气下的隧道L20(S)日时序变化曲线。由图4可知，晴天时隧道L20(S)整体较高，白天时段(8:00—18:00)的平均值达到1 913.65 cd/m2；阴天、重阴天时隧道L20(S)较低，平均值仅为321.86 cd/m2和209.73 cd/m2； 云天时隧道L20(S)介于晴天和阴天之间，平均值为1 117.15 cd/m2。虽然晴天时L20(S)较大，但其变化相对较为平稳；而云天由于受到云层的随机遮挡，常导致L20(S)在短时间内出现大幅变化。如实测数据捕捉到某个云天的下午，L20(S)在15 min内由1 000 cd/m2增至3 260 cd/m2，随后迅速降至1 000 cd/m2以下，变化速率达到150.7 cd·m-2·min-1。L20(S)的急剧变化必然会导致隧道内亮度需求发生改变，这对隧道照明控制提出了更高的要求。

图4 不同天气隧道L20(S)日时序变化规律Fig. 4 Daily sequential variation of L20(S) in different weathers

我国现行规范规定晴、云、阴、重阴天下的L20(S)亮度比例应为1∶0.5∶0.25∶0.13。实测结果表明，浙东地区公路隧道晴、云、阴、重阴天下的L20(S)的比例应调整为1∶0.6∶0.18∶0.11，更为符合该地区气候环境对实际照明需求的影响。

2.2 交通流变化特征

除L20(S)外，隧道照明需求亮度同时还受车速vt和车流量N的影响。以温州市塔石岭隧道为例，对1年内每日隧道车速和车流量进行小时平均，获得浙东地区公路隧道典型交通流变化曲线，如图5所示。由图5可知，1 d内N呈双峰分布，峰值达到800 veh·h-1·ln-1以上；vt呈双谷分布，早、晚高峰时段的行车速度均在20 km/h左右。由此可知，隧道交通流普遍存在“低车速-高车流量，高车速-低车流量”的特点，即日间车速普遍较低，但车流量较大，且存在早晚车流高峰；夜间车速较高，但车流量较小。这是由于浙东地区经济发达，城镇化程度高，交通趋于饱和，公路隧道的交通流呈现出市政隧道的峰谷分布特征。

图5 浙东地区公路隧道交通流变化曲线

Fig. 5 Characteristics of traffic flow variation of highway tunnel in eastern area of Zhejiang

vt和N对照明需求亮度的影响主要体现在隧道入口段亮度折减系数k，如图6所示。由图6可知，k值随vt、N的增加而不断增大，但只有在大车流量和高车速时，k值的变化才较为明显。当N为1 200 veh·h-1·ln-1时，vt由40 km/h增大至100 km/h，k值由0.012提升至0.045，即vt每提高20 km/h，k增大0.011；在车速较低时(vt≤ 40 km/h)，N由350 veh·h-1·ln-1增加至1 200 veh·h-1·ln-1，k仅从0.01增大至0.012。结合隧道“低车速-高车流量，高车速-低车流量”的特点，考虑到隧道的日间车速普遍低于40 km/h，可以推断，浙东地区日间vt和N对隧道照明需求亮度的影响比较小。

图6 入口段亮度折减系数k变化规律Fig. 6 Variation of brightness reduction factor k in tunnel entrance

2.3 隧道照明需求特性

隧道照明需求由L20(S)和k共同决定。依据我国现行规范，L20(S)、k对隧道入口段照明亮度的影响关系见式(2)。

Lth1=k·L20(S) 。

(2)

式中Lth1为隧道入口段1亮度，cd/m2。

依据式(2)计算隧道入口加强照明亮度需求。在满足隧道最低亮度需求的基础上，L20(S)、k和隧道日间入口加强照明需求的日时序变化曲线如图7所示。由图7可知，L20(S)在8:00左右迅速上升，17:00左右迅速下降，白天时段维持在高位；k在7:00、10:00和17:00左右出现峰值； 相比于L20(S)，k在1 d内变化比较平缓，仅在0.01～0.013波动。进一步比较隧道照明需求变化可以发现，照明需求变化曲线在变化趋势、峰值时刻等方面均与L20(S)曲线十分接近，与k值曲线差异较大，且在7:00—8：00、11：00—13:00和16：00—17:00等时间段内，均出现了k与照明需求变化趋势相反的现象。

图7 L20(S)、k和日间加强照明需求变化曲线

Fig. 7 Variation curves of lighting demand,L20(S) andkin daytime

进一步比较L20(S)、k和日间隧道入口段加强照明需求的变化幅度，如图8所示。由图8可知，1 d内L20(S)的变化比k更为剧烈。上午时段L20(S)变化幅度不断增大，于10:00左右达到峰值，幅度约170%；随后变化幅度不断下降并趋于平缓，在12:00—15:00期间维持在-15%～+15%； 在15:00之后，L20(S)变化幅度迅速减小，在17:00左右达到-100%。而k值变化幅度始终在-10%～+10%波动。隧道照明需求的变化幅度曲线与L20(S)极为贴合，分别在8:00—10:00显著增大、15:00—17:00显著减小，在12:00—15:00期间在10%以内波动。由图7和图8可知，对于浙东地区，影响隧道照明需求变化的主要因素是L20(S)。

选择本次实测中的3条邻接隧道安装智能控制电表，对隧道照明能耗进行计量。3条隧道均采用LED照明，长度分别为2.03、1、0.49 km，实际交通状况相近。隧道运营中，洞内左侧灯具仅根据L20(S)变化进行无级调光；洞内右侧灯具根据L20(S)、vt和N变化进行无级调光。经实际计量，长、中、短3条隧道左侧日均照明能耗分别为573.2、340.4、178.2 kW·h；右侧分别为528.1、328.1、168.1 kW·h。相比于不调光控制，隧道左、右侧照明节能比例见表1。

图8 L20(S)、k和日间加强照明需求变化幅度曲线

Fig. 8 Rangeability curves of lighting demand,L20(S) andkin daytime

表1长、中、短隧道照明节能比例

Table 1 Ratio of lighting energy saving in long, medium and short tunnel %

以长隧道为例，仅根据L20(S)变化进行调光控制，节能比例为36.3%。在此基础上考虑交通流的影响，节能空间仅增加1.1%，提升效果十分有限。进一步比较长、中、短隧道照明节能比例可以发现，相比于长隧道，中、短隧道由于加强段照明功率占隧道照明总功率的比例更大，调光控制的节能比例也更大，分别达44.7%～46.7%、54.3%～56.9%。由此可知，隧道越短，调光控制所取得的节能效果越显著。

3 结论与建议

1)浙东地区公路隧道晴、云、阴、重阴天下的L20(S)比例约为1∶0.6∶0.18∶0.11；春、夏、秋、冬季的L20(S)峰值比例约为0.95∶1∶0.95∶0.85，L20(S)在高位持续时间分别为5、6、5、4 h。

2)浙东地区公路隧道交通流存在“低车速-高车流量，高车速-低车流量”的峰谷重叠特征，车速和车流量对隧道照明需求亮度的影响较为有限。

3)L20(S)是影响浙东地区隧道日间照明需求的主要因素，其对调光控制节能的贡献超过95%。

4)隧道越短，加强照明所占的比例越大，调光控制所取得的节能效果越显著。短隧道采用无级调光，照明能耗降低50%以上。

5)后续研究应进一步分析洞口朝向对隧道L20(S)及照明需求的影响，并对比城市隧道与公路隧道的交通流特点。

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