公路隧道中LED照明技术的应用

马绪荣，陈公增

（泰安市公路局工程二处，山东 泰安 271000）

0 引 言

近十年来，中国公路隧道里程数和规模迅速扩大，而隧道交通作为公路的特殊组成部分，其照明在安全、高效、节能、环保等方面有了越来越严格的规定。为了提高隧道交通的运输功能，传统的以高压钠灯为代表的气体放电灯具［1-2］，以及少数利用LEP、无极灯等改进的气体放电灯具［3-4］，远远不能应付日益复杂的隧道交通照明，也与可持持续发展的观念相悖。LED是继白炽灯、钠灯、荧光灯之后的第四代固体照明光源，与传统光源相比具有高效、节能、显色性好、快速反应、无污染等优势。

从2004年贵州省贵黄高速东苗冲隧道率先使用LED光源作为隧道照明光源开始，近几年LED技术在隧道照明中有越来越多的实装应用［5-7］。作为隧道照明的光源输出，LED除了自身的优点外，还有3个重要的可控因素，分别是节能方案、布灯技术、智能控制。通过三者的综合考量将能更好地发挥LED技术在隧道照明中的潜在价值。因此，这3个因素将会是今后LED在隧道照明中应用的重点研究和改善方向。

王少飞研究了根据车流量和洞外环境的影响来控制智能照明的算法以及LED灯无级调光控制系统。王志伟［8］利用DALux模拟软件建立的隧道模型，通过仿真试验研究3种布灯方式（对称布置、中间布置和交错布置）的特点。槐尖山隧道监控中心在隧道监控项目的基础上建立了机电综合节能及信息管理一体化的能耗优化运行平台［9-10］。

本文通过分析中国现采用LED作为照明光源的隧道的各项指标，对比节能方案、布灯技术、智能控制三者对LED隧道照明的影响，并提出合理的后续发展和改善空间。

1 公路隧道的照明特点

公路隧道的特殊性在于它是半封闭区域且需要全天候照明的路段，当隧道外和隧道内的亮度差别较大时，行车在隧道中的视觉现象便与普通道路不同：司机白天行车进入隧道时，如果亮度突然下降，司机的视觉会出现短暂的失明，也就是所谓的“黑洞效应”；当行车接近隧道出口段，这段距离是司机的视觉从昏暗到明亮的适应过程，如果亮度突然增加，司机会出现眩光现象，看不清前方道路情况，即“白洞效应”［11-12］。这两种效应都会严重影响行车的安全性。如果接近隧道进出口段具有合理的照度，则既能避免司机进入或离开隧道时视觉产生“黑洞效应”和“白洞效应”，又能节约能源。

另外，在长公路隧道中，由于汽车排放的尾气聚集形成烟雾，司机的能见度会下降，难以辨别前方的障碍物，容易造成安全事故。为解决这些问题，中国在《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999）中规定了公路隧道照明一般需要划分为接近段、入口段、过渡段、中间段和出口段，且各段有规定的亮度水平，以保证司机的能见度，确保行车安全。隧道内各段亮度水平如图1所示。

图1 隧道内各段亮度水平

隧道入口段的亮度会直接影响司机分辨即将进入的隧道状况，为了使司机能够看清隧道内道路的标识和障碍物，隧道入口段的亮度相对隧道内的亮度高，且隧道入口段的长度由设计的最高车速和在此速度下的安全停车距离决定［13-14］。过渡段是入口段与中间段之间的照明区域，过渡段的作用是缓解、消除司机从亮度较强的入口段到亮度较低的中间段的不适感，消除“黑洞效应”，该区域的照明亮度是逐渐降低的。中间段的照明是为了保证行车视距，确保司机的安全，中间段的长度是隧道照明区中最长的一段，其影响因素主要包括行车速度与车流量。出口段是最后一部分照明路段，为了消除“白洞效应”和司机视觉产生的眩光，出口段的亮度一般为中间段的5倍。

2 隧道LED照明的优势

在隧道照明中，LED光源可以看作是点光源，因此具有良好的导向性。LED相比气体放电灯具具有更好的节电率，综合性能突出。在隧道这一场景中使用LED照明技术，具有以下几个重要优势。

（1）LED具有比高压钠灯、汞灯等气体放电灯更加优秀的节电性能，尤其适合隧道照明、电量消耗大的场景，比常规的道路照明更能发挥节电优势。

（2）LED是半导体固态照明器件，灯具不容易损坏，发生故障的概率低，具有超过十万小时的理想寿命，因此使用LED光源作为隧道照明光源可以减少隧道照明中灯具更换维修问题发生的频率。

（3）LED光源可以达到很高的显色指数，产生的视觉效果明显优于传统高压钠灯，能帮助司机更好地识别物体轮廓和尺寸；LED是直流供电照明，可以避免频闪效应，能帮助司机更准确地判断物体运动速度和方向；LED光源的高质量照明效果能极大提高公路隧道交通的安全性。

（4）和传统隧道照明需要数十分钟才能缓慢点亮的高压钠灯相比，LED的发光亮度能通过调节电流获得瞬间改变。因此，LED可以实现隧道的智能实时照明调节，如根据洞内外亮度差、车流量、车速、天气和烟雾累积浓度自动改变照明段隧道内的光强，进一步提高照明的安全性和节能性。此外，当隧道照明发生突发状况，无法正常使用时，应急照明应立即发挥作用，确保隧道的正常运行。中国《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）中规定，应急照明必须选用能快速点亮的光源，因此高压钠灯不符合隧道应急照明的要求，而LED光源不仅可用于隧道常规照明，也可以用于隧道应急照明。

3 隧道LED节能技术的研究进展

目前公路隧道照明节能可分为3个方面：技术性节能、结构性节能及管理性节能。技术性节能包括选用节能光源、使用照明节能设备等；结构性节能主要是利用太阳能发电、风能发电为道路提供照明等；管理性节能是指制定合理的管理体制，合理控制与安排道路照明。本文主要研究LED灯具节能和LED调光节能。

3.1 LED灯具节能

现阶段，用于隧道照明的灯具主要有以高压钠灯为代表的传统气体放电灯具、传统的荧光灯具和以LED灯为代表的新型半导体节能灯具。与传统的隧道照明灯具相比，LED灯具最节能，且综合性能表现良好。

2004年，贵州省贵黄高速东苗冲隧道率先使用LED光源作为隧道照明光源，该隧道总长420m。试验表明，功率为80W的LED光源比150W的钠灯光源照度高出24.36%，实际节约能源约43%。2008年，刘磊实课题组收集LED光源在城市隧道照明工程中的试验及具体应用实例的跟踪数据，评价了LED光源在实际使用的节能性。该试验在隧道中一共安装LED灯910套，在对比荧光灯光源与LED光源的运营情况后得出：在同样的照度下，该隧道照明中的LED光源比传统的荧光灯节能30%左右。LED光源本身光效高，而且现有技术可以根据需求对LED光源进行调光，这些都是LED光源在隧道照明应用中节能的重要原因。2009年，安徽省六潜高速公路采用LED固体光源作为隧道照明光源，经后期测试表明，LED光源后期运营成本（电能损耗、维修费用）大幅降低，每年可节约电费约27万元，灯具损坏率大大降低。同年，总长为8.95km的特大长江隧道（上海长江隧道）成功使用LED光源作为隧道照明光源，根据后续相关追踪，5年后LED灯具的光衰减为28%，照明状况基本良好，灯具的损坏率为5%左右，节约电能超过30%。截至目前，大多数在建的公路隧道都采用LED固体照明光源作为隧道照明光源，笔者通过调研给出部分LED灯具的节能率，如表1所示。

3.2 LED调光节能

王少飞研究了公路隧道LED灯无级调光控制系统，该LED灯控制系统包括监控计算机、车辆检测器、光端机、以太网交换机、光亮度检测仪及无级调光控制器等部分，系统结构如图2所示。通过该系统的运行应用得出：LED灯无级调光控制系统的使用，减少了隧道的投资和运营费用，表明该控制系统在公路隧道照明中具有巨大的应用价值。LED无极调光节能率见表2。

表1 部分案例LED灯具节能率

图2 LED灯无级调光控制系统结构

表2 LED无极调光节能率部分案例

无级调光是基于LED灯具的高级照明控制方法，因高压钠灯等气体放电灯的调节延迟很大，故实时调光较难执行且效果不够理想。对于LED照明系统，可以依据隧道自适应照明原理将隧道设计为分段照明方案，并通过实时环境反馈的信息来进行控制调光。结合洞外天气和亮度、车流量、车速等实时数据，通过控制LED灯电源的输出电流，调节其输出功率，可以有效提高照明方案的节电率。

4 隧道LED布灯技术的研究进展

目前常见的布灯方案有3种，即对称布置、中间布置和交错布置。合理的布灯方案不仅可以有效地避免司机通过隧道时产生的“黑洞效应”和“白洞效应”，而且能够节约能源，达到美观的效果。灯具的布置要考虑到隧道灯光的均匀性与亮度，入口段和出口段灯具的密度和照度最大，中间段最小，同时中间段灯具的布设长度也最长，其他段灯具布设的长度要根据隧道长度和要求进行计算得到。

王志伟研究组利用DALux模拟软件建立隧道模型，通过仿真试验来研究3种布灯方式的特点。该研究组在入口段安装128WLED灯，灯具安装倾角为30°，安装高度为4.5m，布灯间距为1.5m。按中国隧道照明设计规范，隧道内所需的标准亮度为105cd·m-2，即照度为1 050lx。得到的仿真模拟数据如表3所示。

表3 灯具的布置方案

从表3的仿真结果可以看到，在相同的布灯环境下，中央布置无论在路面平均照度，还是在路面均匀度方面都好于交错布置和对称布置，而交错布置产生的路面照度与对称布置产生的路面照度很接近，但路面均匀度要高于对称布置，总体来说相对好于对称布置。然而，布灯方案的选择不仅仅在于布灯效率的高低，还要考虑维修、频闪和诱导等问题。所以，布灯效率高的方案不一定就是隧道照明的最终方案，不同的隧道会根据自身的照明环境进行布置。例如，一些隧道鉴于双侧布置耗能偏高、中央布置维护不方便的问题，最终采用偏置布灯方案，即通过在隧道的一侧合理布置灯具的高度和角度，可以在实际应用中得到满意的照明效果。

中国学者们在布灯技术方面取得了一定的进展，如杨超通过优化模型的方法求得LED灯具在隧道中段的功耗与布灯方式，并与该隧道的实际布灯方式相比较发现，采用优化LED灯具的布灯方式比目前的布灯方式节能40%；郑军采用两侧对称布置的方式，在公路隧道LED照明研究中解决了因照明段亮度大、中间布灯间距小而导致的灯具散热不好的问题，这种布灯方式使路面亮度更加均匀，司机视觉舒适感增加，行车的安全性得到提升；马聪采用左右对称的布灯方案保障了行车安全，达到了良好的节能目的；李志强采用双侧对称布置方案研究了LED布灯方案对节能性的影响，结果表明，与高压钠灯相比，所采用的LED布灯方案既满足了照明要求，又达到节能的效果；郗锋采用交错布置的布灯方案，引入段灯具间距最小，基本段间距最大，灯具用新型的LED灯具替换传统的高压钠灯，照明总功率为原设计的0.6倍，节能40%。

综上所述，LED灯具有高效节能特性，采取合理的灯具排布和智能控制方式，可使LED在公路隧道照明中有更大的应用价值。

5 隧道LED智能控制技术

良好的隧道照明控制系统需将隧道内亮度、洞外亮度、车流量和车速等相关因素考虑进去，形成一种智能控制系统，该控制系统不仅可以满足隧道的照明要求，降低发生交通事故的概率，还能节约能源。由于LED灯具与传统灯具相比，具有响应速度快、控制模式灵活、功率低、寿命长、操作简单、安全及节能等优点，因此可以被设计成智能控制隧道灯具。

LED智能照明系统依据隧道自适应照明原理，采用分段照明方案，并通过实时环境反馈的信息来进行控制调光，结合隧道外环境情况的实时数据以及隧道内车流量、车速等信息，控制LED灯电源的输出电流，从而调节其输出功率，符合最新公路隧道照明规范中的实时调光建议，也为司机在隧道内安全行车提供了保障。

槐尖山隧道智能监控中心系统采用规范化的、具有充分弹性的层次化结构，在隧道监控项目的基础上形成了机电综合节能及信息管理一体化的能耗优化运行平台，该平台不仅能够有效实时地了解隧道内的状况，而且还极大地降低了能耗。该运行平台如图3所示。

图3 能耗优化运行平台功能结构

槐尖山隧道监控中心成功地系统应用了物联网架构的层次结构网络通讯技术，使系统具有便捷、强大的扩展能力，对各种监控设备可以做到实时采集数字量变化信息，根据现场实际需要发布设备控制指令，实现实时控制。同时，利用现代通讯转换控制技术，打通了照明、通风、视频、电力、消防等系统的信息链路，实现了专家决策的自动策略调度功能，保障了隧道的能耗优化运行，大大提高了隧道监控效率和隧道安全保障能力，是隧道现代安全节能技术研究成果的体现。

6 结 语

目前中国LED用于隧道照明的应用起步较晚，且LED与高压钠灯各有优缺点，在市场上依旧处于共存状态，但未来发展的趋势仍是以环保、效益为主导，因此LED隧道灯必须扬长补短，生产出更加高效、合理的产品，为了推动LED的应用，促进行业健康平稳发展，笔者提出以下几点建议。

（1）在技术层面上，由于用于隧道照明的较大功率的LED灯芯的光电转换效率较低，因此绝大部分电能转化为热能，不仅浪费了能源，而且会影响LED灯具的正常使用，降低LED灯具的使用寿命，LED的散热问题依然是世界难题；市场上的LED光源以冷色为主，从人眼的需求出发，关注主观感受和色温的关系，制造出让人眼更舒适的色温区间的光源。

（2）在市场方面，中国隧道LED灯具芯片依赖国外进口（科锐、欧司朗等），与钠灯相比价格偏高，研制出自主品牌的低价位的LED产品是发展的重点之一。

（3）在布灯技术方面，认识隧道照明的特殊性，重视光学设计的重要性，采用合理的布灯技术，避免能源的浪费，提高行车的安全性。