隧道过渡照明动态节能控制方法研究*

陈锦清, 于杰生, 颜 哲, 张永明, 张鹏飞

(1.福州职业技术学院,福建 福州 350108;2.同济大学,上海 200092)

0 引 言

根据2019年的统计数据显示,全国道路照明每年耗电量占照明耗电的30%,占全国耗电总量的10%,但每年约有35%的道路照明电能被浪费,从相反角度思考,我国道路照明拥有巨大的节能潜力[1]。由于我国幅员辽阔,各个地区道路交通运输情况不一致,存在一些交通量低的道路现象。由于隧道结构特殊性,隧道灯具一整天都亮着,在交通量低的隧道中照明损耗是巨大的。

目前,关于隧道照明安全与节能的研究主要以灯具节能和控制方式的节能为主,灯具方面主要是LED节能灯具普及应用[2-3],照明控制的研究大都集中于如何精确获得洞外亮度和交通量的监测值并实现符合标准规定下的隧道照明,控制方式由先前的回路控制到无级调光控制[4-5]。大多数隧道照明仅仅实现了定时自动开关灯、非智能调光和远程开关灯功能,并没有实现快动态控制功能,更没有极大限度地发挥系统的节能效果[6]。

根据JTG/TD 70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》,智能控制除了根据实时采集的洞外亮度、交通量等参数,还需短时交通流预测理论,突出节能控制的特点,体现绿色照明的追求“按需照明”的理想设计目标,自动调控照明亮度。随着传感器技术的进步,采用实时车辆动态流量监测,将其用于低交通量下隧道照明动态控制可大大降低能耗。

在目前的背景下,提出了隧道过渡照明动态节能控制方法,该系统基于线圈车检器传感器和车流量传感器技术,可准确预判隧道车辆通过隧道情况,实现车到提前亮灯、车走则灯暗的动态控制理念。由于驾驶员进出隧道时,视野内光线的明暗均发生急剧变化,瞳孔大小变化来不及适应亮度,视野中会出现明显的“黑洞效应”和“白洞效应”现象[7]。隧道过渡照明动态节能控制方法是指在隧道入口采用分阶段照明,结合动态车流量,在感应到车辆时,隧道提前调整好过渡照明,同时采集当时的隧道内外照度情况,进行计算,调光控制器控制照明灯具亮暗来调整隧道环境亮度。当驾驶员在停车视距外看到隧道时,隧道内照明已经是舒适状态,驶离隧道时,调光控制器控制隧道口灯具亮度逐级过渡到户外。综上所述,本文将设计在增加停车视距和控制系统反应时间下,将自动监测和控制相结合,在现有洞外亮度和交通量参数基础上,提出一种低交通量下的“按需照明”隧道照明控制方式,由原来的传统控制模式下“无效照明”造成的能耗浪费,改成通过“车来提前亮灯、车走则灯暗”的控制策略。同时解决隧道过渡照明动态节能控制系统的线圈车检器和隧道洞口安装距离,提前亮灯的时间,动态控制隧道入口的过渡照明的控制照明系统问题等。

1 隧道照明特征分析

公路隧道通常分为入口段、过渡段、中间段和出口段[8]。隧道分区段示意图如图1所示。入口段的灯具照度应与外部环境照度接近,以顺利接入明暗适应曲线。入口段照明应多分层次,逐渐变化;中间段向室内正常照明靠近,出口段接近外部环境。在实际工程中综合考虑外部光照条件结合车辆通过情况,依据标准,再确认出入口段照度值设计灯具,形成隧道过渡照明动态节能控制系统。灯具控制方式根据不同区段有所不同,在入口段和出口段的隧道照明亮度随着隧道外环境的光照度的变化而变化,所以在入口段和出口段通常采集隧道外环境光照度来调节这两段中开关的灯具数量;在中间段,常常通过采集车流量和车速来控制开关的灯具数量。同时,公路隧道照明需要考虑当驾驶员进出隧道时视觉亮度快速变化时眼睛适应问题。

图1 隧道分区段示意图

2 隧道过渡照明动态节能控制方法

2.1 动态节能控制方法构成

隧道过渡照明动态节能控制系统包括道路现场层、控制层、执行层。系统构成原理图如图2所示。核心是控制层,包括控制中心、网关等,控制中心首先采集车辆数据,车辆数据包括车流量和车速。通过线圈车检传感器、车流量传感器来采集,目的是判断是否有车,并根据车流量大小来控制隧道内光环境。当有车时,控制中心根据照度传感器输入隧道内外的照度值,人眼适应亮度变化范围,计算出隧道所需的入口段、过渡段和中间段照度。控制中心根据综合计算结果发出指令,控制调光控制器来调整隧道的灯具点亮控制系统模式。当无车辆进入时,不管外面的天气是怎样的,调光控制器仅开最低照明,现场智慧传感层和控制中心通过互联网连接在一起,现场控制中心又通过无线网络技术接入互联网,实现所有后台监控管理功能和数据存储功能,最终隧道交通情况和照明情况在交通主管管理部门隧道管理系统终端出现(含故障报警状态)。执行层为调光控制器和故障显示,调光控制器必须具有远程交换功能,可以接收监控中心的调光命令并将指定命令发送至灯具控制灯的亮暗度。

图2 系统构成原理图

2.2 动态节能控制系统方案布置示意图

从系统构成原理图可以看出,系统包括道路现场层、控制层、执行层的各个设备。调光控制器一般安装在隧道配电间内,方便与照明控制开关通信,对照明回路进行多级调光,同时,结合布线要求、安装难度、经济成本等综合因素进行考虑,科学计算隧道灯设间距,各段灯具产生的亮度应该满足照明标准和调光需求。线圈车检传感器及隧道单侧各设备安装示意图如图3所示。图中所示为单侧隧道设备安装图,另一侧隧道各设备相对应布置,配电间按现场情况布置一个即可。

图3 线圈车检传感器及隧道单侧各设备安装示意图

2.3 传感器布置距离

基于线圈车检传感器技术的隧道过渡照明动态节能控制系统,是指在车即将进入隧道前,将线圈车检传感器和车流量传感器结合,准确预判隧道车辆通过情况,在车辆进入隧道前,隧道灯具根据户外的天气亮度,实时动态根据预设的程序调整隧道内照度。由于驾驶员的行驶过程中,会产生行车视距,当看到前方隧道为昏暗,会产生较大视觉震荡,影响驾驶。本文提出要提前准备好隧道亮度,提前多久亮灯取决于车辆行驶的速度、驾驶员视距,以及控制中心发出命令到灯亮反应时间等因素,根据这些因素计算出线圈车检传感器距隧道口的安装距离。根据JTG/T B01—2014《公路工程技术标准》[9],高速公路、一级公路停车视距如表1所示;二、三、四级公路的停车视距、会车视距、超车视距如表2所示。道路会车视距一般为停车视距的2倍,车速在30～120 km/h,停车视距为30～210 m,检测车辆到路灯起动反应的时间约0.2 s,比王亚楠[10]提出的公路隧道进出口的停车视觉和现行规范要求的数值增加了20.0～30.0 m,计算得出在隧道入口录L(见图3)的距离为150～230 m处安装线圈车检传感器和车流量传感器。在检查到有车即将进入隧道前,隧道内灯具已经亮起,同时也调整好隧道过渡段距离,驾驶员在行车过程安全,舒适;在隧道出口侧安装车流量传感器,车辆驶出隧道时,检测到未有车辆进入行车视距内且隧道内无车,系统延长数秒后灯亮度降至规范规定的最低照度。照度传感器分别在隧道进口外、隧道进口过渡照明段、隧道中间段、隧道出口过渡段、隧道出口外这5个区域布置,每个区域布置若干个,每个布置点的照度传感器测量方法需按照GB/T 5700—2008《照明测量方法》[11]中的规定,测量后取有效照度值。

表1 高速公路、一级公路的停车视距

表2 二、三、四级公路的停车视距、会车视距、超车视距

3 隧道过渡照明动态节能控制系统控制策略

3.1 过渡照明控制模式研究

由于隧道入口段和隧道外部环境相连,是整个照明变化曲线的初始阶段,而且又是对驾驶员直接影响最关键的一部分,依据ISO 15469:2004/CIE 011:2003《日光空间发布·CIE标准普通天》和GB/T 20148—2006《日光的空间分布CIE一般标准天空》指导文件中所列的15种标准天空模型,结合隧道照明受空气污染物、洞外环境、路面材料、交通量等因素,分成5个阶段照度值。照度值区域划分如表3所示。除夜间、阴雨天、晴天这3个阶段照度外,还有早晨、黄昏和有路灯或明亮的月光夜晚这两个阶段照度[12]。根据这5个区间照度,采取5种控制过渡方式分别对应此区间,此外还有第六种控制模式为无车通过时按照JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》设计的最低照度值照明。

表3 照度值区域划分

3.2 动态控制逻辑

隧道过渡照明动态节能控制系统流程首先由控制中心采集线圈车检传感器和车流量传感器数据,当控制中心接收到线圈车检车辆传感器和车流量传感器传入数据时,计算出无车情况,控制中心发出指令控制调光控制器,输出调光模式为最低照度。当经控制中心计算得出隧道内即将有车经过隧道时,控制中心对隧道内外照度传感器照度进行综合计算,发出相对应的控制模式,调整隧道出入口处的过渡照明。动态流程图如图4所示。当控制器发出的指令显示故障时,调光控制器发出控制模式5的控制方式。除此之外,与控制模式相对应的是对隧道入口的过渡照明亮度的调整,控制模式1～5时过渡阶段照度值分3个阶段平稳过渡[13]到隧道内照度,隧道内照度按照JTG/TD 70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》规定的照度值设定。

图4 动态流程图

4 结 语

综上所述,隧道过渡照明动态控制不仅能降低驾驶人的“黑白洞效应”,提高行车安全性,而且能根据交通运输情况动态调整照明,节能降碳。光照强度越强,需要在隧道补光越多,将来还可以增加光伏发电板,根据光照强弱来做变量,在发电板上安装灯具,作为补充光源,与室外光照平滑过渡到隧道内照度,并佐以直接控制器智能综合调光控制系统。