高速公路隧道照明节能技术的研究

杨帅

（福建省高速公路集团有限公司莆田管理分公司，福建莆田 351100）

0 引言

当驾驶员进入隧道时，突然由阳光下的高亮度环境转换到隧道内部的低亮度环境，会产生所谓的“黑洞效应”，使得驾驶员的视线出现模糊暗淡的情况，很难看清道路情况。同样的，当驾驶员从隧道内部出来，突然进入高亮度环境时，会产生所谓的“白洞效应”，使得驾驶员的视线会出现明亮刺眼的情况。此类效应会影响驾驶员的反应时间和视线准确度，进而增加驾驶过程中发生交通事故的风险。

为了解决这个问题，需要采取一系列措施来减少隧道内外亮度差异。例如，在隧道的出入口处安装灯光设备，使隧道外部和内部的光线逐渐过渡，减少光线的突变，从而让驾驶员的眼睛逐渐适应新的光线环境。此外，隧道内部也可以设置适当的照明设施，以增强驾驶员在隧道内部的视觉能力。还可以使用特殊的涂料或材料来反射光线，以增强隧道内部的亮度。这些措施可以帮助驾驶员更好地适应隧道内外不同的光线环境，从而减少交通事故的发生率。

1 高速公路隧道照明现状

目前，高速公路隧道的照明设施已经得到很大改善。隧道内部通常采用的是高强度氙灯或LED 灯等照明设备，以确保隧道内部有足够亮度，让驾驶员可以清晰地看到前方道路和交通标志。隧道内部照明的亮度和颜色也要经过严格的规划和设计，以确保驾驶员的视觉能力不会受到影响。一般而言，隧道内部的照明强度应该比隧道外部的照明强度略高一些，这样可以减少驾驶员从隧道内部出来时产生的“白洞效应”。

另外，为了进一步提高隧道内部的亮度，一些高速公路隧道还安装了光纤照明设备。这种设备能够将光线通过光纤传输到各个角落，使隧道内部的亮度更加均匀和明亮。同时，光纤照明设备也能够增强隧道内部的装饰效果，为驾驶员提供更好的视觉享受。

此外，一些新型的高速公路隧道还采用可变照明技术。这种技术可以根据环境光线的变化自动调整隧道内部的照明强度和颜色，以确保驾驶员的视觉能力不会受到影响。可变照明技术还可以根据车流量和天气情况等因素，自动调整照明设备的亮度和颜色，以提高驾驶员的行车安全性[1]。

总体而言，随着科技的不断发展，高速公路隧道的照明设备越来越先进和智能化，为驾驶员提供更好的行车环境和视觉保障。

2 高速公路隧道照明节能系统概述

本文以莆炎高速莆田段岐山隧道A 道照明系统完善项目为案例，研究分析高速公路隧道照明节能系统的应用。岐山隧道位于福建省莆田市境内，A 道全长8039m，照明设计速度为100km/h。隧道按双洞单向行车方式布设灯具，以电光照明实现隧道内外的光过渡。工程项目中原隧道照明采用高压钠灯，此次改造全部替换为可调光的LED 灯，原灯位替换。具体节能系统组成如下所示。

2.1 毫米波雷达控制器及物联LED 灯具分段控制器

岐山隧道A 道洞口入口情报板门架处安装2 台毫米波雷达控制器，通过抱箍固定分别朝向两个车道中间位置，与毫米波雷达控制器的水平距离保持在10m，可在车辆未进洞口时检测到车辆，实现提前亮灯（洞口安装距离100m 为最佳距离，如隧道无门架或原有门架不符合安装距离要求的可新增立柱安装）。隧道内每间隔35m 交替布设1 台毫米波雷达控制器或1 台物联LED 灯具分段控制器。

设备接线安装步骤如下。

一是固定支架：设备的支架固定在灯具来车方向的侧边，支架底部水平摆放，此时设备的出线孔位应在隧道顶部方向，若设备的支架固定孔位与灯具支架的孔位对齐，则将灯具孔位的螺丝旋下，将设备的支架孔位与之对齐并锁紧螺丝，若未对准，则利用扎带或转孔的方式将设备按照以上方向固定在灯具上。切记支架底部应水平，与灯具贴合而不是垂直。

二是连接信号线：将设备两芯信号线（OUTPUT，棕正蓝负）和灯具两芯信号线正负极对应连接，并用电工胶布包裹连接处（核对灯具上的标志符号，与设备正负对应）。

三是接入互感器（若有）：将灯具电源线的火线穿入互感器中。

四是连接电源线：设备和灯具电源均为220V，将设备和灯具的电源线一同接入应急照明灯电源回路中。

五是调整设备方向：毫米波雷达控制器和物联LED 灯具分段控制器在水平和垂直方向上角度可调，先拧松两个方向上的固定螺钉，将毫米波雷达控制器朝向调至隧道中线位置，距离毫米波雷达控制器水平距离约26m 处（可用激光笔贴在毫米波雷达控制器外壳中部，根据手电筒光线方向辅助调整），调好角度后，拧紧固定两个方位的螺钉。物联LED 灯具分段控制器无须像毫米波雷达控制器一样严格规定方向，只须调整到不遮挡灯光的位置即可。

六是记录设备原始编号：将设备标签上的编号用记号笔记录在设备安装位置的墙面，离地面高度约1.5m 处。

2.2 网联边缘照明控制主机

网联边缘照明控制主机安装于岐山隧道A 道入口机房内，应选择与机房内的摄像机交换机较近、有光照度信号线接口（预留）且4G 信号较强的位置，将网联边缘照明控制主机固定在墙上，高度以易于人员操作为宜[2]。

设备接线安装步骤如下。

一是固定网联边缘照明控制主机：选好安装位置后，将边缘计算网关用膨胀螺钉固定在墙上。

二是天线安装：将4G 天线、LoRa 天线从外壳上的天线孔位处穿至内部，并将天线接头接到电路板对应天线的接口处。

三是连接外部传感器：连接光照度的RS485、电表的RS485 线至电路板上的RS485 接口上，电路板上只有一个RS485 接口，所有采用RS485 通信的传感器都接到此处。

四是连接电源线：边缘计算网关采用220V 供电，将三芯电源线接至外部供电处。

五是整理所有线路，使线路整齐，没有安全隐患。

2.3 洞口车流量车速检测设备（道钉）

在距离隧道入口大于80m 处，根据车道数布设两车道数个道钉，每个车道2 个道钉，间隔15m，两车道的道钉错位安装，不要处于同一截面。在道钉附近的路边，将车流量车速检测设备网关固定在最近的杆上（100m 以内，若杆的距离超过100m，则需在道钉附近护栏外自行立杆），高度不低于3m。

洞口车流量车速检测设备（道钉）安装如下。

一是选取车道中间位置安装洞口车流量车速检测设备（道钉），单车道安装2 个道钉，2 个道钉之间间隔15m 安装。

二是路面开孔：使用φ150mm 的水钻取芯机在路面打一个70mm 深的孔（道钉高度65mm）。

三是放置道钉：将孔的底部和侧面填充约180mL的环氧树脂，以道钉放入后刚好填满为宜，将道钉放入孔内，轻轻按压道钉的上表面使道钉的4 个定位支角刚好与路面接触。道钉上透明盖板有一处平口防呆缺口，防呆缺口统一朝向行车方向右方。

四是修复路面：将道钉上溢出的环氧树脂冲洗干净，道钉上的透明盖板表面也要清洗干净。

车流量车速检测设备网关接线安装如下。

一是固定：将网关用抱箍固定于杆上，高度不低于3m（推荐高度3m）。

二是连接电源线：有源网关采用220V 供电；无源网关利用太阳能板供电（需安装太阳能板）。220V 分别接在有源网关的L（棕线）—N（蓝线）—E（黄线）对应接线上；无源网关的太阳能板接网关的电源线，红线接红线，黑线接黑线。

三是太阳能板安装角度为42°正南方。

3 高速公路隧道照明节能方案设计

3.1 照明设计参数优化方案

隧道内照明亮度的分布通常会按照入口段、过渡段、中间段和出口段进行梯形变化，这意味着从隧道入口开始，照明亮度会逐渐增加，达到最高点，然后在过渡段开始逐渐减少，最终在隧道出口处达到最低点。这种亮度变化设计是为了确保隧道内的照明充足且合理，同时也能够减少照明所需的能量和成本。然而，这种亮度变化也会对驾驶员产生影响，因为在驾驶过程中，他们需要不断适应光线变化，这可能造成一定的视觉疲劳和不适，进而影响驾驶舒适度和安全性。因此，在设计隧道照明时，需要综合考虑照明充足性、能耗和驾驶员的视觉舒适度等多种因素，以确保隧道照明的安全和效果[3]。

3.2 隧道照明智能控制方案设计

隧道照明是保障道路交通安全的重要环节之一。传统的隧道照明控制策略往往是固定的亮度曲线，难以适应不同时间、天气、交通流量等变化情况。因此，动态自适应调光是提高隧道照明控制精度的重要手段。

近年来，深度学习技术的快速发展为隧道照明的控制提供了新的思路。其中，长短时记忆网络（LSTM）是一种常用的深度学习模型，适用于时间序列数据的建模和预测。通过对隧道内传感器采集的数据进行处理，可以建立基于LSTM 的模型，实现对隧道照明的动态自适应调光。具体而言，模型训练的过程可以分为三个步骤。首先，根据历史数据建立LSTM模型，并通过回归算法优化模型参数。其次，将优化后的模型应用于实际隧道照明系统中，并通过实时采集的数据进行反馈和修正。最后，根据修正后的模型参数，更新隧道照明的亮度曲线，实现动态自适应调光。除了LSTM 模型，模糊控制也是常用的隧道照明控制策略。在深度学习和模糊控制相结合的方法中，可以将LSTM 模型预测的亮度值输入模糊控制系统，实现更加精准的调光控制。深度学习技术的应用可以有效提高隧道照明的控制精度。通过建立模型、进行训练和回归，实现动态自适应调光，可以更好地适应隧道内外部环境的变化，提高道路交通安全性[4]。

如图1 所示，隧道照明智能控制系统是一个复杂的系统，它包括多个关键组成部分，如采集装置、检测装置、主控制器和LED 无级调光控制器等。其中，采集装置主要包括设置在隧道口的亮度检测仪和车辆检测仪，用以采集隧道外的亮度信息、车速和车流量等数据，并将其实时上传至主控制器。检测装置则用来检测是否有车辆进入隧道接近段，以便主控制器能够及时进行照明调光处理。主控制器则是系统的中枢，它接收来自采集装置和检测装置的数据，并根据一定的控制策略下发隧道照明调光指令。LED 无级调光控制器则负责控制各个LED 灯的亮度，以实现隧道照明的实时调光控制。

图1 隧道照明智能控制系统总体结构图

整个控制过程是一个复杂的系统协同作用的过程。当检测传感器感应到有车辆进入隧道口时，主控制器会发出采集命令，控制采集装置实时采集洞外亮度、车速及车流量等信息，并将这些数据作为控制输入参数进行调光处理。接着，主控制器按照一定的控制策略输出隧道照明调光指令，下发到LED 无极调光控制器上，控制各个照明装置的亮度。通过这种方式，隧道照明系统能够实现对隧道内照明亮度的精确控制，从而提高隧道行车的安全性和舒适度[5]。

总体而言，隧道照明智能控制系统是一个高度智能化、复杂的控制系统，它不仅能够实现对照明亮度的精确控制，还可以根据隧道外部环境和车流量等数据进行智能化调节，从而提高隧道的安全性和使用体验。

4 结语

综上所述，为了保证驾驶员在隧道内驾驶过程的舒适性和道路交通的安全性，隧道照明系统需要满足多种需求，包括能耗控制、照度均匀性、色温调节等。其中，照明供电系统和照明控制系统是实现这些目标的重要组成部分。照明供电系统需要保证隧道内的照明设备正常供电。传统的供电系统往往采用交流电源，但是能效低、维护成本高、安全性差等问题限制了其进一步应用。近年来，随着LED 照明技术的发展，直流供电系统成为一种备受关注的解决方案。与传统的交流供电系统相比，直流供电系统能耗更低、稳定性更好、寿命更长，同时还能够实现智能化控制，为隧道照明提供更加可靠的支撑。照明控制系统需要根据隧道内外部环境的变化，实现动态调光，以保证照度的均匀性，实现节能目标。传统的照明控制策略往往采用固定的亮度曲线，无法适应隧道内外光照、天气、交通流量等因素的变化，从而导致能源的浪费和驾驶员的不适感。因此，动态自适应调光成为提高控制精度和驾驶舒适度的重要手段。常见的调光方法包括动态亮度曲线、照度反馈、环境感知等技术。通过智能控制系统的建立和优化，可以实现更加精准的照明控制，提高能源的利用效率和驾驶员的舒适感；引入先进的照明技术、优化照明控制策略和建立智能控制系统，可以实现隧道照明的高效、智能化和可持续发展。