高速公路隧道按需照明系统节能控制策略研究

李荣舟

中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037

0 引言

高速公路是我国道路交通网络的重要基础设施，近年来在社会经济不断增长的背景下，其建设项目越来越多，并且针对山区复杂环境，多采用隧道形式。隧道照明的目的是为驾驶员提供良好的视野环境，保障高速公路行驶安全，进一步提高运输效率。隧道工程的两侧及顶部均是封闭状态，在此特殊构造下会产生比较明显的人眼视觉明暗适应问题。为保障高速公路行驶安全，应当合理设计隧道照明系统，创设适应性较强的视觉环境。同时，应当综合考虑节能环保的发展理念，注重对照明系统的节能控制，从而降低运营成本，落实节能减排建设要求，推动可持续发展。

1 高速公路隧道按需照明系统的组成

1.1 隧道入口照明

高速公路隧道内外的亮度不同，白天驾驶员驶入隧道内时，其视觉会发生较大的变化，人眼视觉存在滞后性，在短时间内会产生视觉盲区。为充分保障高速公路隧道入口处行驶安全，应当设置相应的缓和照明段，消除驾驶员进入隧道后的视觉滞后性。按照车辆驶入隧道的方向，一般需要设置临界区、过渡区及缓和区，照明长度根据隧洞内外的亮度差确定，还与设计车速、洞内照度及洞壁材料等有密切关系[1]。

1.2 隧道出口照明

当车辆在白天驶入高速公路隧道时，如果隧道较长，洞内光线会比洞外暗，接近出口时，受亮度差影响，驾驶员也会产生视觉适应的滞后性，妨碍驾驶员准确判断与前车的距离。如在夜间通过隧道，洞内光线强于洞外，同样会产生视觉滞后性，导致驾驶员无法准确辨别洞外道路线形、道路交通情况及障碍物等。在高速公路隧道的出口处，需要设置照明过渡区，通过加强垂直照度的方式，使洞内外亮度接近，保障驾驶员视觉的适应性，从而充分保障行车安全。

1.3 隧道内部照明

高速公路隧道内部环境对行车视觉产生的影响与正常道路存在较大差别。这是由于车辆行驶时排出的废气在隧道内部无法快速消散，会形成一定的烟雾。其不仅会吸收汽车前灯的光线，还会降低隧道内的照度，使光线发生散射。一旦在隧道内形成散射光的光幕，会降低道路前方障碍物及周围环境的照度，导致驾驶员的视觉能力下降。因此，需要在隧道内部设置照明系统，并按照实际设计车速决定照度。

1.4 隧道应急照明

高速公路隧道对交通流动有积极影响，一旦隧道内照明系统发生故障，会导致隧道内失去光源，严重威胁行车安全。为应对突发停电状况，应在隧道内部设置应急照明系统。一般，对于长度超过200 m的隧道，采用双路供电电源或者设置备用发电机作为备用电源。由于应急供电系统的容量较小，需要将应急照明的照度设置为正常照明的20%以上，确保隧道内部具有一定的照明度，便于驾驶员识别前方路况，保持距离，避免发生安全事故[2]。

2 高速公路隧道按需照明系统的节能控制策略

2.1 合理调整设计参数

高速公路隧道照明系统作为一项重要基础设施，有助于保障行车安全。为降低能源消耗，贯彻绿色环保理念，应当做好按需照明系统的节能设计。设计人员需要合理调整相关设计参数，在保障照明质量的同时，减少能源耗损。设计人员应当考虑白天行车时驾驶员的视觉适应问题，基于人眼视觉功能设计照明参数，合理选取和调整洞口的照明亮度，在遵循科学照明标准的前提下，优化入口段亮度。严格按照洞外亮度决定洞内照明布置，以此减少隧道照明设备的购置，并降低维修及运行费用。洞外亮度难以通过实测确定，设计人员往往采用查表法获取洞外亮度值与实际值的偏差，进而设计入口段的照明亮度。针对洞内照明设计，需要设定分段照度。由于隧道内的照明需求与交通量、设计时速有关，设计人员需要根据隧道的实际情况确定照明显色性、照度及亮度，同时注重考虑光源的等效亮度和部分特殊视觉现象等。目前，我国高速公路隧道照明设计均是在明视觉条件下评价照明效果，并应用新型的视觉理论优化照明照度的设计，如司辰视觉理论等，能够有效实现节能目标[3]。

2.2 科学设计供电系统

可以从供电角度出发优化高速公路隧道照明节能设计，以降低运营成本。例如，设计人员可以科学布局变电站，防范隧道内长距离低压配电电缆供电消耗较大的问题，尽量降低其有功和无功损耗；也可以在连续的、长度较大的高速公路隧道中积极引入中压供电技术。常见设计方法是在长隧道中引进10 kV中压供电技术，将配电终端引入负荷中心，如将变压器设置在人行横道位置，有助于实现电能长距离供电，节省建设资金，减少线缆运行损耗。在节能设计中还需合理选择变压器，可按照用电设施装机容量、用电设施组需电系数等，确定变压器容量和负载率；设计人员可以采用通风与照明供配电的综合布线方式，以节能型供电电缆为主，实现布线优化，降低电能线路传输损耗[4]。

2.3 使用节能型照明灯具

随着照明技术的不断发展，出现多样化的高光效、长寿命的新型照明光源，在高速公路隧道照明中得到广泛应用。在实际应用中可根据灯具照明功率曲线，结合具体需求进行照明设计，减少不必要的能耗。现阶段，隧道照明主要使用LED灯具，其相比于其他灯具，LED灯具具有良好的节能优势。相比于传统的钠灯光源，LED灯具亮度恒定，并且照明能耗较低，符合按需照明的要求。常用的单色温LED灯具可以在额定范围内动态调整工作电力，有利于实现亮度的无极控制。也可选择“单色温+变色温”LED灯具的组合，其中单色温灯具适用于雾天隧道内无雾的基本路段，变色温灯具适用于隧道内有雾的基本路段。可按照天气变化情况调整两种灯具，营造适宜的视觉环境。在大雾天气下，可以在隧道入口处安装低色温黄色光源，以提高行车安全性；当入口色温较低时，可保证隧道内外的亮度差较小，并降低色温与显色指数的差异，进一步提高驾驶员的视野清晰度。另外，变色温LED灯具可接收调光控制信号，按需调整灯光亮度，适应直流调压操作，当其接受模拟电压控制信号后，可以调整电源输出，促使灯具的光通量始终维持在合理范围[5]。

2.4 构建自动化照明控制系统

2.4.1 控制方式

（1）手动控制、定时控制和自适应控制。为实现高速公路隧道照明系统的节能控制，应当采用自动化信息系统，实现手动控制、定时控制和自适应控制的功能，优化照明效果，在保障节能的前提下，提高行车安全性。通常，对于较短的高速公路隧道可设置手动控制系统，根据时段及环境情况等，采用人工开关控制。定时控制是将洞外亮度及历史数据等输入计算机，经过规律总结和分析后，利用上位机及本地控制器自动控制灯具亮度。自适应控制需要计算隧道实际亮度，采用适当的信息化控制程序，按照道路系统分类和等级，确定适宜的亮度和可见度标准，再按照亮度检测数据选择目标可见度。输入已有光源和灯具后，可以明确照明排列方式和间距情况，然后依据最小反应时间校验和调整光源，保障灯具的最低功率满足路面亮度需求。

（2）时序控制优化。当前，高速公路隧道照明系统的控制多采用时序控制方式。全年昼夜光照时间呈现动态变化，但时序控制的时间设定较固定，无法按照隧道内外实际照度比值进行有效控制，导致隧道照明系统的电能浪费。同时，还需要隧道管理人员到现场手动设定控制器开关时间，大幅增加工作人员的任务量和维护费用等。在新时代，应该针对高速公路隧道的实际运营情况，加强智能化照明控制管理，根据车辆速度、交通量及洞外照度等确定照明参数，保障行车安全。可以通过隧道照明节能综合控制系统检测洞外各项交通参数，并将其作为输入数据，以照明节能控制器为终端执行设备，实现智能化的灯具亮度自适应调节控制。可以利用环境检测系统模块，在洞外设置亮度检测仪及洞内照度检测仪等，全天候监测洞内外亮度及照度指标，为灯光调节控制提供依据；也可在隧道入口安装红外线车辆探测器监测交通量，为照明系统的智能化切换及低能耗照明提供参数指导。

2.4.2 系统优势

（1）能够精准设置隧道内的灯光照度，利用最少的能源将照度维持在合理范围，具有较好的节电成效。

（2）当隧道内部的车流量不满足设计情况时，系统可按照相关规范对照明强度进行科学折减，最大限度地降低电能消耗量，实现按需控制。

（3）在洞外光照最强烈时，可确保照明灯具的满功率工作，以此确保行车安全。另外，将基本照明功率设计冗余到远期使用，有利于保证照明灯具及电源的长时间稳定运行，避免出现高温、光衰等情况，延长各项设备的使用期限[6]。

2.5 严格遵循隧道照明设计标准

为了优化高速公路隧道照明系统节能控制，需要在交通量及行车速度一定的条件下，根据现行隧道照明系统设计基准、洞外亮度取值等，明确入口段及过渡段的亮度取值。隧道照明设计需要考虑照明节能、营运电费、里程投资及行车安全等。洞外亮度会随当地气候、季节、时刻以及隧道朝向、入口视野环境等变化，相关人员可在其他条件不变的情况下，积极开展调查分析、实测比较及理论分析等，基于洞外植被情况、当地光照气候特点等，合理确定洞外亮度值，并根据现场环境及交通情况等确定照度参数。

2.6 选用适当的调光方式

针对高速公路隧道照明整体性能的需求，为保障其具有良好的节能性，需要合理选择调光方式。在实践中可基于计算机控制系统、照明分析及控制软件、控制器等进行灵活调光。

（1）PWM调光。当缺少高速公路照明控制系统协议时，亮度控制器能够主动发送PWM控制信号控制灯具。通常，PWM控制信号的占空比处于0～100%不间断可调状态，根据信号占空比可以确定隧道内外灯具的设置亮度。LED灯具的亮度固定，可采用该调光模式合理调节光源启闭的时间，高效调整照度。如果调光控制系统无法正常运行，LED灯具无法接收相关调节指令，此时可智能切换到自主运行状态，实现最大照明亮度，充分保障隧道内的行车安全。PWM调光模式的优势是可以提高控制便捷性，无须设置其他控制协议，且维护费用较低。利用单个控制器能够控制数百套灯具，节省控制回路。

（2）0～10 V信号控制调光。对高速公路隧道内灯具可以采用总线方式，挂接0～10 V控制信号线，每一路的0～10 V信号可调节其范围内的全部灯具，具有较高的可靠性。如果其中一个灯具出现异常运行情况，其他灯具仍可保持正常的运行状态。同时，由于单个灯具无须设置软硬件，因此其具有维护方便性，可以发挥良好的待载能力，驱动灯具亮度调整。该调光方式一般可采用在线和离线两种通信方式，其中在线通信是依托IP或TCP协议，利用上位机管理调光控制器，保证灯具作出相应调整动作，合理管控隧道内灯具的亮度和暗度，实现节能效果；离线通信则是以触摸屏输入参数为主，可以管理模拟量调光信号的全输出过程。在该调光方式下，在无控制信号的情况下，灯具仍然能够自动转入亮度模式。

3 结束语

照明系统在运营期间将会产生较大的能源消耗，应当合理设计隧道照明系统，从而保障行车安全、降低能源损耗，实现可持续发展目标。在实际工程中，设计人员应当明确隧道入口、出口、内部及应急照明的需求，采用合理的节能设计方案，并积极采取节能控制策略，以此保证高速公路隧道各个区段的照明亮度柔和、调节平稳灵活，进而营造舒适、安全的行车环境，节省公路运用成本，充分体现现代绿色交通发展理念。