公路隧道照明控制参数分析与控制决策研究

吴连波，张玉春，林有心，肖昭明，蒋浩锴

（1.深圳市交通公用设施建设中心，广东 深圳 518028；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；3.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518037）

0 引言

科学技术的发展使得山区公路隧道的建设与日俱增，而山区公路隧道前期运营的交通量小但费用高，因此如何在保障行车安全的前提下，降低能源消耗、节约运营成本成为广大隧道科研设计、建设、运营单位迫切需要解决的问题[1]。

目前，国内对于隧道照明的节能研究不断深入，一系列的无极调控技术出现，如DALI调光方式，PS485调光和电力载波技术等[2-3]，但其高额的实施成本使得现有的山区公路隧道大多使用基于隧道入口照明的节能控制系统。山区隧道照明控制主要是受光强检测值、隧道交通量、车速、灯具开闭频率等基本参数的影响，而目前大多学者没有深入探究其具体影响，导致基于入口照明的山区公路隧道节能控制系统有待完善。

因此本文探究了这些参数对隧道智能照明控制的影响，并总结了照明灯具开闭频率规则，不仅有利于系统根据实时监测的数据调节隧道内的照明控制，也有利于延长灯具的使用寿命，在灯具达到最佳照明效果的同时降低电力的消耗，达到安全节能的目的。

1 照明智能控制策略及其参数分析

1.1 隧道照明智能控制流程

山区隧道照明节能控制模型的总体架构的基本原理[4]主要基于光强检测值、隧道交通量、车速等照明环境基本控制参数，利用亮度计算模型自动计算出隧道内的所需照明亮度。根据所需的照明亮度和洞内亮度，判断对应的照明开启等级，再根据该照明等级，调节相应照明灯具，图1为隧道自动控制策略流程。

图1 隧道自动控制策略流程Fig.1 Tunnel automatic control strategy flow

1.2 交通量对公路隧道照明控制的影响

为分析不同交通量条件下，洞外亮度对隧道内所需亮度以及照明灯具开启后产生的亮度的影响。开展了交通量对灯具开启控制的影响分析，为便于说明问题，以某山区公路隧道为依托工程，每5 min为控制周期进行灯具智能调光控制。灯具开启方案为选择大于所需亮度，并最接近所需亮度的灯具开启组合。

1.2.1 交通量对洞内所需亮度的影响

分别获取了其晴天和阴天的洞外亮度、交通量N和洞外车速后，可计算出不同洞外亮度条件下隧道入口段所需亮度。图2分别给出了晴天洞外亮度较高和阴天洞外亮度较低时，交通量N小于350 h·ln以及交通量N大于1 200 h·ln时某隧道入口段所需亮度随时间变化情况。

图2 某隧道不同天气条件下入口段所需亮度Fig.2 The required brightness of the entrance section under different weather conditions in a tunnel

通过对比晴天和阴天时N小于350 h·ln的低交通量条件和N大于1 200 h·ln的大交通量条件下的隧道入口段的亮度需求，可以发现：在洞外低亮度条件下，交通量的大小对洞内所需亮度的影响不大；在洞外亮度较高的条件下，交通量越大，洞内入口段所需的亮度越高，如图2（a）所示，在洞外亮度较高的同一时间段内，N大于1 200 h·ln时洞内所需亮度相比于N小于350 h·ln时洞内所需亮度高约50 cd/m2。但阴天洞外亮度较低时，白天时间段内N大于1 200 h·ln时洞内所需亮度相比于N小于350 h·ln时洞内所需亮度仅高约10 cd/m2。另一方面，晴天时洞外亮度能达到4 000 cd/m2甚至更高，故隧道入口段50 cd/m2的亮度差影响并不大，因此，总体来说，交通量对洞内入口段所需的亮度的影响并不是特别显著。

1.2.2 交通量对洞内灯具控制的影响

如图3所示，基于智能照明控制策略，选取了晴天和阴天的数据，分别绘制了一天内交通量N小于350 h·ln以及交通量N大于1 200 h·ln时，隧道入口段所需亮度与开启灯具实际亮度随时间的变化情况。

图3 某隧道入口段不同天气条件下所需亮度与开启灯具实际亮度Fig.3 The required brightness and the actual brightness of the open lamp under different weather conditions in the entrance section of a tunnel

由图3可以看出，照明灯具的开启较好地适应了洞内亮度的需求，当洞外亮度较高时，大交通量所需亮度较高，但受到灯具本身功率大小的限制，其开启灯具亮度与交通量较小时差别不大，如图3（a）所示，在10：00 — 15：00时间段内，交通量N大于1 200 h·ln时灯具开启亮度与所需亮度最大相差75 cd/m2，且与相同洞外亮度条件下、交通量N小于350 h·ln时灯具开启亮度相差不多；当洞外亮度较低时，如图3（b）所示，交通量的大小对灯具开闭的影响较小，仅在12：00 — 14：00有10 cd/m2左右的亮度差。因此，交通量大小对灯具的控制有一定影响，但受隧道灯具本身功率限制，导致总体影响范围较小。

1.2.3 车速对公路隧道智能照明控制的影响

为探究车速对公路隧道智能照明控制的影响，以某隧道为例，收集全天的洞外亮度变化，并根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）选取不同车速不同交通量条件下的k值，并根据式（1）[5]计算对应条件下隧道入口所需亮度。

式中：Lth是入口段TH的亮度，cd/m2；k是入口段亮度折减系数；L20（S）是洞外亮度，cd/m2。

而高速公路通行车辆的车速与道路条件、交通量以及限速规定有关，针对山区高速公路隧道的特点，车辆的通行速度一般限制在60～100 km/h之间。因此分别设置了60、80、100 km/h三种车速，且考虑到小于350 h·ln的低交通量和大于1 200h·ln的大交通量，绘制了隧道入口亮度随车速的变化图，如图4所示。

图4 隧道入口亮度随车速的变化图Fig.4 Change in tunnel entrance brightness with vehicle speed

由此可以发现：无论隧道内交通量的大小，隧道入口处所需亮度都会随着车速的增加而增加。因此需要在隧道入口设置微波车检测器或者线圈车检测器，实时测量车速，不断调整隧道内的照明控制，达到安全节能的目的。

2 照明灯具开闭频率规则研究

山区高速公路隧道群一般采用高压钠灯成组开闭控制照明回路实现隧道内的亮度调节，而快速的开闭控制高压钠灯，不仅达不到最佳的照明效果，减少高压钠灯的使用寿命，还增加电力消耗；而开闭时间过长，也将影响隧道的节能效果。为了合理设计山区高速公路隧道照明灯具的开闭频率规则，以某隧道为依托工程，开展了不同灯具开闭时间条件下的洞内亮度变化分析。

2.1 阴天灯具开闭频率对所需亮度的影响

图5、6分别给出了不同交通量在阴天洞外亮度较低的情况下，分别以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h的开闭频率调节隧道入口段照明灯具时隧道内实际亮度随时间的变化情况。

图5 低交通量条件下灯具开闭频率对洞内实际亮度的影响Fig.5 Effects of the opening and closing frequency of the lamp on the actual brightness in the hole under low traffic conditions

图6 大交通量条件下灯具开闭频率对洞内实际亮度的影响Fig.6 Effects of the opening and closing frequency of the lamp on the actual brightness in the hole under large traffic conditions

阴天洞外亮度总体较低，通过模型计算，在低交通量（≤ 350 h·ln）和大交通量（≥1 200 h·ln）两种条件下，由于洞外亮度较低，其洞内照明所需亮度较低，亮度随时间的波动从数值上看并不大，即使是大交通量的情况下（N ≥ 1 200 h·ln），隧道内所需最大亮度也仅约27 cd/m2。故以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h的频率调节隧道灯具，其隧道灯具开启后的控制亮度都较好地满足了洞内所需亮度的要求。

2.2 晴天灯具开闭频率对实际亮度的影响

图7、8分别给出了不同交通量在晴天洞外亮度较高且亮度波动较大的情况下，通过计算模拟，分别以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h的开闭频率调节隧道入口段照明灯具时隧道内实际亮度随时间变化的情况。

图7 低交通量条件下灯具开闭频率对洞内实际亮度的影响Fig.7 Effects of the opening and closing frequency of the lamp on the actual brightness in the hole under low traffic conditions

图8 大交通量条件下灯具开闭频率对洞内实际亮度的影响Fig.8 Effects of the opening and closing frequency of the lamp on the actual brightness in the hole under large traffic conditions

在低交通量（≤ 350 h·ln）条件时，如图7所示，当以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h开闭频率调节隧道灯具时，其隧道灯具开启后的控制亮度都能够适应洞内所需亮度的要求。但1 h开闭频率调节的工况的适应度比其他工况要差，如图7中虚线框所示，灯具以1 h开闭频率调节时会出现明显调光滞后现象。

在大交通量（≥1 200 h·ln）条件时，如图8所示，灯具以5 min、10 min、20 min、30 min、1 h频率开闭时，产生的洞内亮度与洞内所需亮度的对应关系变化基本一致。在洞外亮度相对较低时，五种工况基本都满足了洞内所需亮度的要求；但在大交通量且洞外亮度持续较高的情况下（10：00—15：00），受灯具自身功率限制，该五种工况产生的洞内亮度已经达到了灯具最大亮度，但与所需的洞内亮度还是有一定的差距，最大亮度差约83 cd/m2。综合考虑安全、建设规模、成本经济等多种因素，如果因为一些极端的情况，而大幅提高建设规模和成本，也是不实际的，故照明设计是合理的。对于控制策略来说，该条件下，灯具开闭频率为5 min、10 min、20 min、30 min、1 h时，总体上来说都能够适应洞内的亮度要求。

2.3 灯具开闭周期总结及规则制定

基于洞外不同天气样本和不同开闭周期条件下的灯具产生照明亮度与所需亮度的匹配关系，可发现：5 min、10 min、20 min、30 min的隧道照明灯具开闭频率，其灯具开启后的实际亮度基本都能较好地适应洞内所需亮度的要求，同时20 min、30 min的灯具控制频率，还比5 min工况体现出较好的平稳性，避免过频的照明波动；而1 h工况，受交通量影响，洞外亮度变化呈现一定的调光滞后性。基于以上规律，灯具开闭频率的基本原则如下：

（1）因缺乏灯具开启频率对灯具损坏的基本概率统计数据，故应尽量在满足洞内所需照明的要求上，提高灯具开闭的时间。

（2）山区高速公路隧道灯具的最低开闭时间为30 min，同时结合交通量、亮度随时间的变化关系，每天时间点等多种因素，确定延迟开闭的时间。

（3）每天11：00以前为洞外亮度大部分上升时间，15：00以后为洞外亮度大部分下降时间，该时间段内应分别设定一定暂停时间和开启时间。

3 结语

现有的山区公路隧道大多使用基于隧道入口照明的节能控制系统，为了增强该系统的智能化程度，本文结合实体隧道数据，探究了洞外亮度、交通量、车速、灯具的开闭频率等环境参数对隧道智能照明控制的影响，得出以下结论：

在洞外低亮度条件下，交通量的大小对洞内所需亮度以及灯具控制的影响不大；在洞外亮度较高的条件下，大交通量会对公路隧道的智能照明控制产生一定的影响，但总体来说，交通量对隧道灯具控制影响不显著或影响范围不大。

无论隧道内交通量的大小，隧道入口处所需亮度都会随着车速的增加而增加。

山区高速公路隧道灯具的最低开闭时间为30 min，也可以结合交通量、亮度随时间的变化关系、每天时间点等多种因素，在尽量在满足洞内所需照明的要求上，确定延迟开闭的时间。

可以在每天11：00以前和15：00以后分别设定一定暂停时间和开启时间。