论高速公路隧道照明系统的优化设计

2023-12-21蔡妙敏

大科技 2023年52期

蔡妙敏

（广东新粤交通投资有限公司，广东广州 510410）

1 高速公路隧道照明系统概述

高速公路隧道照明系统主要由光源、灯具、控制系统、供电系统和配线系统组成。光源的选择直接影响照明效果和能耗，常用的光源有高压钠灯、金属卤化物灯和近年来日益流行的LED 灯[1]。其中，LED 灯以其高效节能、寿命长、光色性能好的特点成为主流。灯具设计则需考虑防尘、防水、耐冲击等因素，以适应隧道内复杂的环境条件。控制系统包括了基础的开关控制和先进的智能控制系统，后者能根据外界光线条件和交通流量自动调节光源亮度[2]。供电系统则保证了电力的稳定供应，通常包括主供电和备用供电两部分。最后，配线系统负责连接各个组件，保证电力和信号的有效传输。典型的LED 隧道灯功率在40～120W，光效一般在100～150lm/W。高速公路隧道照明系统的工作原理是通过配备的光源提供足够的光照，确保司机在隧道内外的视觉连续性和舒适性。系统根据隧道的入口区、过渡区、内部区和出口区的不同照明需求做出相应设计[3]。

2 高速公路隧道照明系统的现存问题

2.1 能源消耗问题

高速公路隧道照明系统的能源消耗问题十分突出，主要表现在高耗电量和效率不高上。传统的照明系统，如高压钠灯和金属卤化物灯，虽然提供了足够的亮度，但其能源转化效率较低[4]。举例来说，一条长2km 的隧道，若使用200 盏150W 的高压钠灯，每天运行20h，日耗电量达到600kW·h，按电费0.6 元/（kW·h）计算，日电费为360 元，年耗电量则高达219000kW·h，年电费高达131400 元。此外，这些传统灯具的发光效率通常为50～100lm/W，远低于现代LED 灯具的130～180lm/W。

2.2 照明不均问题

高速公路隧道照明不均问题严重影响驾驶安全。在隧道照明设计中，需考虑到不同区域的照明需求，包括入口区、过渡区、内部区和出口区。然而，由于设备老化、设计不当或维护不足，照明系统常常无法满足这些需求，导致光线分布不均[5]。例如，标准规定入口区照度在晴天可以高达4500lx，夜间则降至450lx，但实际测量可能发现某些区域的照度仅为300lx，远低于安全标准。在过渡区和内部区，这种不均衡现象同样存在。以内部区为例，标准照度为100lx，但实测数据可能显示光照强度在50～150lx 波动。这种大范围的照度波动不仅远超标准允许的±20lx，还会造成司机的视觉适应问题。

2.3 设备老化问题

高速公路隧道照明系统的设备老化问题尤为严重。传统的照明设备，如高压钠灯，虽具有较长的理论寿命（通常在24000h 左右），但实际使用中由于频繁的开关和隧道内的恶劣环境条件（如温度波动、湿气、震动等），其性能会逐渐下降[6]。以一条长2km 的隧道为例，若每盏灯的实际寿命仅为设计寿命的80%，即19200h，考虑到每天约20h 的运行时间，这些灯具的实际使用寿命将不足3 年。而且，老化的灯具不仅光效下降（可能从100lm/W 降至80lm/W），还可能出现光色偏移，影响照明质量。

2.4 环境适应性问题

高速公路隧道照明系统还面临着严峻的环境适应性问题。隧道内部的环境条件复杂多变，包括高湿度、高尘埃、温度波动等，这些条件对照明设备的稳定性和寿命构成挑战。例如，隧道内的湿度可能长期保持在80%以上，这会导致电路板和连接部件的腐蚀加速，从而降低设备的可靠性。同时，隧道内的灰尘和污垢会附着在灯具上，影响其散热效果和光效。假设由于这些因素导致灯具的故障率比标准情况下提高了15%，那么对于200 盏灯具的隧道，每年可能额外需要更换30 盏灯具，若每盏灯具的更换成本为400 元，则额外的年维护成本将增加1.2 万元。

3 高速公路隧道照明系统的优化设计方案

3.1 系统设计目标

3.1.1 节能设计目标

节能是高速公路隧道照明系统优化设计的首要目标。主要通过采用高效率的LED 照明技术、智能照明控制系统以及光线调节策略实现。例如，选用平均光效达到150lm/W 的LED 灯具，相较传统高压钠灯节能60%以上。智能控制系统可根据外界光照条件和车流量自动调整灯光亮度，通过这种智能调控，可进一步减少能耗20%。综合计算，对于一个日均耗电600kW·h 的隧道，年节能量可达到131400kW·h，约合节能率40%。

3.1.2 智能设计目标

智能化是现代照明系统的关键特点，目标在于实现照明系统的自动化和智能化管理。这涉及使用传感器和控制系统，实现对光照强度、车流量、环境条件的实时监测，并据此自动调节照明。例如，通过装置光敏传感器和车流量传感器，智能控制系统能够根据白天与夜间的不同光照条件和车流密度，动态调整照明强度，从而实现精细化管理。

3.1.3 安全设计目标

安全始终是隧道照明系统设计的核心。优化设计需要确保在任何环境条件下都能提供充足、稳定的照明，以保障驾驶员的行车安全。这包括在隧道入口、过渡区、内部区和出口区设计合适的照明级别，避免强烈的光线变化导致司机眩晕或视觉适应问题。例如，通过精确设计，入口区的照明强度可在夜间提高至450lx，而内部区保持稳定的100lx，以确保驾驶员的视觉舒适和安全。

3.2 技术路线

3.2.1 智能感应

智能感应技术的核心在于使用先进的传感器，如光敏传感器、车辆检测传感器等，以实时监测隧道内外的光照条件和车流量。例如，光敏传感器能够检测日光强度的变化，车辆检测传感器则用于监测车流密度。在隧道入口安装的光敏传感器能够在100～10000lx 精确测量光照强度，而车流量传感器的检测准确率达到98%。这些传感器的数据将为照明系统提供实时的环境和交通信息，从而指导照明强度的调整。

3.2.2 自动调节

基于智能感应技术收集到的数据，自动调节技术路线通过集成的控制系统自动调整照明强度。控制系统根据传感器反馈的环境光照强度和车流量，动态调节隧道内的照明水平。例如，系统可以设定在日间光照强度高时自动降低隧道照明强度，而在夜间或低光照条件下增强照明。为了实现这一目标，控制系统需要具备高度的计算能力和快速的响应速度，确保照明调整与实际条件同步。

3.2.3 远程控制

远程控制技术使得隧道照明系统的管理更加高效和便捷。通过建立一个集中的控制中心，可以远程监测、调整和维护隧道照明系统。这包括实时查看照明系统的工作状态、调整照明策略、及时响应故障等。控制中心可通过远程接入方式，在发现某段隧道照明故障时，迅速调整或关闭相关灯具，同时派遣维修团队。远程控制系统的实施需要依赖于稳定的通信网络，若使用4G 或5G 网络，其数据传输延迟可以控制在50ms以内，确保迅速准确的响应。

3.3 设计方案

3.3.1 硬件选择

在硬件选择方面，关键在于选用高效能、长寿命且适应隧道环境的照明设备。首选LED 照明技术，其具有高能效（130～180lm/W）和长寿命（可达50000h）特性。例如，对于一条2km 长的隧道，假设安装200 盏LED灯，每盏功率为100W，这些灯具的总功率为20kW。与传统高压钠灯相比，年节能量可达146000kW·h。此外，需要考虑灯具的防水防尘等级（至少IP65）以适应隧道湿润、多尘的环境。同时，配备先进的光敏传感器和车流量传感器，以实现智能感应功能，传感器的精度需达到±2%。

3.3.2 软件开发

软件开发的重点在于实现灯光的智能控制和远程管理功能。需要开发一个集成的控制系统软件，该软件能够实时接收传感器数据，根据光照条件和车流量智能调节照明强度。软件可以根据白天的强光自动降低LED 灯的亮度，而在夜间或低光照条件下增强照明。软件还需具备故障诊断和远程控制功能，使得运维人员能够远程监测和维护照明系统。软件的响应时间不超过1s，以确保照明调整及时准确。

3.3.3 集成方案

集成方案的目的是确保硬件和软件的高效协同工作，以达到最优的照明效果和系统性能。这需要设计一个全面的系统架构，包括灯具布局、传感器部署、控制系统的集成以及数据通信网络。在隧道每隔50m 安装一组传感器，每200m 安装一组控制单元，通过有线或无线网络将所有设备连接至中央控制系统。这种布局可以确保照明系统的高覆盖率和快速响应。此外，集成方案还需要考虑系统的可扩展性和兼容性，以便于未来技术的升级和系统的扩展。

4 高速公路隧道照明系统优化设计的效果分析

4.1 节能效果

节能效果的评估不仅包括能耗对比，也涉及长期的成本分析。以2km 长的隧道为例，原系统使用200 盏150W 的高压钠灯，年耗电量为219000kW·h，按每kW·h 电费0.6 元计算，年电费约为131400 元。采用优化设计后，更换为100W 的LED 灯，年耗电量降至146000kW·h，年电费约为87600 元，相较原系统年节约电费43800 元。此外，LED 灯具的维护成本较低，假设原系统每年维护成本为10000 元，而LED 系统仅为5000 元，每年额外节约5000 元。高速公路隧道照明系统优化设计节能效果如表1 所示。

表1 高速公路隧道照明系统优化设计节能效果

综上，优化设计不仅在日常运行中实现节能，而且在长期运维中降低成本，整体经济效益显著。

4.2 照明效果

照明效果的评估主要集中在光照均匀性和色温适宜性上。优化设计通过精确的灯具布局和光学设计，大幅提高了光照均匀性。在优化后的隧道中，通过光照度测试发现，照明均匀度从原先的0.6 提升到0.8 以上，显著改善了照明不均的问题。同时，采用的LED 灯具具有更好的色温控制，色温稳定在4000～5000K，与自然光接近，减少了驾驶员的眼睛疲劳和视觉适应问题。高速公路隧道照明系统优化设计照明效果如表2 所示。