公路隧道照明调光过程中的危险因素分析及安全性指标

李宏杰, 马二顺， 吕晓峰， 夏　倩

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安　710077； 2.广东省公路建设有限公司江罗分公司，

广东 云浮　527431； 3.合肥源辉光电子有限公司， 安徽 合肥　230041)



公路隧道照明调光过程中的危险因素分析及安全性指标

李宏杰1, 马二顺2， 吕晓峰3，*， 夏倩3

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安710077； 2.广东省公路建设有限公司江罗分公司，

广东 云浮527431； 3.合肥源辉光电子有限公司， 安徽 合肥230041)

摘要：公路隧道入口照明的连续性调光，是确保在安全前提下实现按需照明的关键。针对公路隧道加强照明调光方式中频繁出现亮度跳变和亮度过低的问题，利用杭州彩虹快速路特长隧道LED智能化精细调光照明系统记录下的洞外亮度变化曲线，换算出理论调光曲线，并与实际调光曲线进行图形化对比研究，揭示导致亮度频繁跳变和亮度低于标准要求的形成原因，提出通过增加调光亮度等级和减小调光间隔时间进行改善。得出如下结论： 1)调光的亮度等级越高，调光的间隔时间越短，从而使隧道入口段出现亮度跳变的幅度越小，行车越安全； 2) 照明调光系统的精细化程度和调光操作的间隔时间，是体现系统安全性的重要指标。

关键词：盲视效应； 精细调光； 实时性； 隧道智能照明系统控制器； 公路隧道

0引言

随着我国高速公路隧道建设数量越来越多，隧道照明设施的规模及数量也越来越大，隧道的运营电费和维护费用也越来越高，行车安全和照明节能的矛盾也越来越突出。公路隧道照明节能是公路隧道建设及运营管理的一项长期的课题。但不良的节能方式，也会给行车埋下事故隐患。据有关资料分析，公路隧道事故多发主要与低照度导致驾驶员视觉能力下降有关。近年来，公路隧道照明领域出现了LED灯照明调光系统。这些调光系统中多数为每隔一段时间对洞内亮度进行一次调节，也有的是简单地分为若干个亮度等级来进行调光。这些调光方式在晴天理想的洞外亮度变化条件下，能够较好地使洞内亮度跟随洞外亮度进行阶跃变化。杨晓光等[1]针对公路隧道理想的洞外亮度变化特点，介绍了传统分级调光在隧道入口段加强照明调光的方案。它每天仅有若干次的亮度跳变，但在实际的公路隧道，其洞外亮度受云系变化的影响，通常变化极大，仅有很少的天气条件接近理想状态。因此，公路隧道入口段照明如果仍旧采用简单的分级调光，将会使洞内入口段亮度频繁出现大幅度地阶跃性跳变；这种调光照明方式虽然能够起到一定的节能作用，但也为行车安全埋下事故隐患。吕晓峰[2]在公路隧道无级调光照明节能原理及投资分析中，分析了采用回路自动多级调光照明系统对交流接触器造成的损害，并对公路隧道调光过程中存在的低于标准值的现象进行了分析。有鉴于此，目前公路隧道入口各段加强照明虽然都设有根据洞外亮度自动调光的控制系统，但在实际运营时均很少使用。为了避免调光回路频繁开闭，目前多数隧道在运营时还是以时控为主或采用人工手动控制；这无形当中也增加了运营管理成本。吕晓峰[2-4]分析总结了公路隧道照明系统电能浪费的三大因素，即车流量变化、洞外亮度变化以及养护系数冗余；同时还介绍了消除电能浪费的方法。新近颁布的行业标准[5]已明确要求公路隧道照明系统应根据洞外亮度及交通量变化进行调光。本文意在分析研究公路隧道照明调光过程中不良的调光方式所形成的危险因素，并提出改善不良调光方式的技术方案和关键技术指标。这对保障公路隧道的运营安全，降低隧道当量事故率和照明能耗以及大幅延长灯具使用寿命均具有重要的现实意义。

1公路隧道传统照明方式存在问题

公路隧道传统照明方式存在的问题主要有低照度、黑洞效应、盲视效应、频闪效应、斑马效应和眩光等。其中低照度、黑洞效应、频闪效应、斑马效应和眩光在行业标准中已有具体规定，但盲视效应(当环境亮度由较高亮度向低亮度发生阶跃跳变时，人眼短时间所产生的黑暗现象，即什么也看不清)却是一个新的概念，它是伴随着可调光LED灯具在调光过程中亮度由亮变暗的跳变时人眼因短时间不适应而形成的黑暗现象。尽管有关行业标准已对影响公路隧道运营安全的路面亮度做出了具体规定，而在公路隧道正常依据标准开灯的情况下，还是会从一些隧道交通事故的调查分析中了解到黑洞效应的存在。对亮度可控型LED灯而言，如果调光的实时性较差且亮度等级较低，不仅难以消除黑洞效应，还会派生出危及行车安全的盲视效应。随着LED智能化照明系统的普及，黑洞效应和盲视效应也将随着LED灯调光精细化程度的提高和实时性的增强而逐渐消失。

2洞外亮度变化的随机性分析

图1为相对理想的实际洞外亮度变化曲线。这一天，天空是万里无云。在这种洞外亮度变化条件下，不论是采用传统的分级调光还是采用现代的无级调光亦或是其他多级调光，均能较好地满足安全需求。图2是隧道智能照明系统控制器监测到的一天的洞外亮度变化图。对于图2所示的洞外亮度变化，一些调光方式将无法应对。

图1　相对理想的实际洞外亮度变化曲线

Fig. 1The actual adaptation luminance change profile of relative ideal

图2　某天实际洞外亮度变化曲线

从图2可以看出，天空的云系多变，洞外亮度变化极大，毫无规律可言。在这种情况下，传统的分级调光照明系统只有采用满功率照明，方可满足标准要求。

图3是将图2在10:40～11:40时间段将时间轴拉长的变化情况。从图3可以看出其具有相当大的亮度变化范围，且亮度变化是随机的。

根据图3的洞外亮度变化，可计算出隧道入口段在10：40～11：40的理论照明调光曲线。图4是入口段路面亮度随洞外亮度变化的理论调光曲线。该曲线同样具有较大的亮度变化范围，而且是无规律的。理论调光曲线是依据文献[5]规定的计算公式计算所得，其计算公式为

Lth1=k·L20(S)。

(1)

式中：Lth1为入口段TH1的亮度；k为入口段亮度折减系数；L20(S)为洞外亮度。洞外亮度在设计时应按L20(S)取值，但在运营时应为L20(t)，是时间t的函数，即是一个随时间变化的变量而非夏天晴天中午的最大值。因而式(1)实际应写为

Lth1(t)=k·L20(t)。

(2)

式(2)是智能化照明的雏形。

图3　图2在10:40～11:40的洞外亮度变化曲线

Fig. 3Fig. 2 adaptation luminance change profile at 10:40 to 11:40

图4入口段路面亮度在10:40～11:40随洞外亮度变化的理论调光曲线

Fig. 4The theoretics dimming profile of threshold zone luminance following adaptation luminance change at 10:40 to 11:40

3定时跟踪调光照明方式对隧道照明安全的影响

图5是依据图2在10：40～11：40的每隔10 min调节一次洞外亮度的变化曲线。目前一些简易化调光照明系统多是这种调光模式。图中棕色直线为实际调光曲线，蓝色曲线为理论调光曲线。从调光的相关性来说，实际的棕色调光直线与理论的蓝色调光曲线相关性并不大。这主要是由于调光的间隔时间过长(10 min)的缘故。当调光曲线在理论曲线之上时，虽然路面亮度能够满足标准要求，但电能浪费巨大；而当调光曲线在理论曲线之下时，路面亮度就会低于标准要求，此时车辆进入隧道时会产生“黑洞效应”。图中亮度偏低最大值高达50%以上。“黑洞效应”产生的时间段，就是车辆在此行驶的危险时段。当亮度由高到低跳变时，即是“盲视效应”产生的时刻。图中圆圈部位为亮度监测时间点，其调光依据是根据该时刻检测到的洞外亮度值按式(2)换算后得到的调光数值，但10 min才变化一次，远跟不上洞外亮度的变化，因而给隧道行车埋下了严重的事故隐患。

图5　在图3时段内每隔10分钟调节一次的入口段亮度变化曲线

Fig. 5Threshold zone luminance change profile of regulating once every ten minutes on Fig. 3 occasion

图6是依据图5在10：50～11：00每隔1 min调节一次的洞内入口段调光曲线。从图6可以看出，只有在亮度较快上升时，才会出现短时间的“黑洞效应”，其亮度偏低最大值仍高达38%。其他时间段实际调光曲线基本上在理论调光曲线上下波动，但偏差并不大。由此可以看出，调光周期越短，调光的实时性就越好，在隧道内行车也就越安全。

图6　每隔1 min调节一次的入口段亮度变化曲线

Fig. 6Threshold zone luminance change profile of regulating once every one minute

图7为每隔20 s调节一次的入口段亮度变化曲线，与图6的调光时间段相同，只是调光间隔时间由图6的每分钟一次缩短为每隔20 s调节一次。从图7可以看出，只有在亮度较快上升时，才会出现短暂的“黑洞效应”，其亮度偏低最大值仅为17%。其他时间段实际调光曲线基本上在理论调光曲线上下波动很小。从图7的亮度偏低最大值处可以看出，其对应的理论调光曲线上升几乎是线性的。因此，如果将这一实际调光曲线的调光间隔时间由20 s再细分为10个等分，即2 s调光一次，则图7中的亮度偏低最大值为17%/(20 s/2 s)=1.7%。

图7　每隔20 s调节一次的入口段亮度变化曲线

Fig. 7Threshold zone luminance change profile of regulating once every 20 seconds

国际照明委员会(CIE)在文献[6]中给出了驾驶员进入隧道后人眼在隧道内的亮度适应曲线。该亮度适应曲线已被包括中国在内的世界许多国家所采纳。当洞内各段亮度在该曲线以下，则行车安全无法保障。依据该曲线的要求，在公路隧道照明调光过程中，其入口段亮度应在图7中的理论调光曲线即蓝色曲线之上。尽管已将调光间隔时间缩短到2 s,但偶然依旧会出现低于标准值的情况出现。为了避免低于标准值情况的出现，可通过精细化的调光照明系统，预先将调光值上调3%～5%，即可使得实际调光曲线始终在理论调光曲线之上。

从图5—7可以得出，调光的间隔时间越短，调光的实时性就越好，隧道内行车也就越安全。

4调光精细化程度对隧道行车安全的影响

图8是实时跟踪分级调光照明系统的调光响应模式，是依据图2在10：40～11：40分10级调光曲线。它从0 cd/m2开始，每隔20 cd/m2为一个亮度等级。图中黑色线为亮度等级的分界线即调光动作阈值，蓝色曲线为理想的调光曲线即理论调光曲线，棕色线为实际的调光曲线。当理论调光曲线经过亮度等级分界线时，实际调光曲线才开始向上一级或下一级变化。

图8　分10级调光曲线

从图8不难看出，这种调光方式会使洞内频繁出现20 cd/m2亮度跳变，在亮度低点处的亮度瞬间降幅高达33%；而由亮变暗的跳变又会产生“盲视效应”，严重危及行车安全。在传统的钠灯分回路调光照明中，虽然也会出现亮度跳变，但由于钠灯启动一次通常需要数分钟时间，频繁开闭会加速钠灯光源老化，故调节的频度极低，每日通常不过两三次[2]，因而其危险性并不突出。从分10级调光的相关性来说，实际的棕色调光曲线与理论的蓝色调光曲线相关性仍旧存在较大差异。这主要是由于调光亮度等级太少的缘故。这种简单分级调光方式还始终存在着过度照明(照明强度超出实际需求的照明称为过度照明。在各种照明设计规范中，都对被照场所的照度(亮度)值作了最低限定，但由于照明设计富余量过大和必须考虑的维护系数等因素，使得灯具投入初期的照明强度远高于标准要求，形成过度照明)，使节能效果下降。若将图8的时间轴拉大，看在11:22:01～11:24:14期间亮度急剧下降的情况。将调光亮度等级细分为100级，如图9所示。从图9可以看出，实际的调光曲线与理论调光曲线非常接近，洞内虽然也会频繁出现亮度跳变，但其每次跳变的亮度仅为2 cd/m2，亮度跳变在亮度低点处的亮度瞬间降幅仅有3.7%，这样洞内就不会有亮度大幅跳变的感觉，因而行车也就越安全。

5实现公路隧道精细化调光的技术方案

2014年颁布的行业标准[7-8]，在起草阶段就已充分考虑到了公路隧道洞外亮度变化的随机性，并提出了相应的应对措施，即要求公路隧道照明宜采用无级调光。当采用有级调光时，不宜低于24级；而在照明控制器的行业标准中[8]则要求照明控制器输出的调光等级不应低于24级。这些要求正是基于应对公路隧道洞外亮度随机变化时的安全考量。

图9　分100级调光曲线

为了实现公路隧道的精细化和实时的调光，吕晓峰提出了公路隧道智能化照明的系统架构。周建等[9]针对多种电源调光控制方式的优缺点，提出了采用DC 0～5 V进行调光控制的电源方案。文献[10]提出了LED照明灯亮度控制装置的系统方案，JIANG Haifeng[11]提出了公路隧道自适应无级调光照明系统的一种方案。图10为参照这2种方案的杭州彩虹快速路隧道LED照明亮度智能无级控制系统图。该系统主要由洞外亮度检测仪、智能照明系统控制器和亮度可控型LED灯、通讯系统和上位机管理软件组成。系统洞外的亮度检测装置将检测到的洞外亮度信号转化成4～20 mA的电流信号，传送至智能照明系统控制器上，再由其换算后转化成DC 0～5 V的直流模拟信号输出，去控制LED灯上的电压控制电流源。控制器输出信号电压的变化，会使灯具输出电流发生变化；而灯具输出电流的变化又会引起LED灯的输出功率和输出通量发生变化，从而实现控制灯具亮度的目的。由于系统的调光周期不大于2 s，调光亮度等级高达256级，这使得实际调光曲线与理论调光曲线基本一致，实现了洞内亮度实时跟随洞外亮度变化且亮度能够平缓过渡，较好地消除了黑洞效应和盲视效应。

图11是隧道LED照明系统上位机监控软件主界面。上位机设于中控室内，通过以太网光端机与现场的隧道智能照明系统控制器实现通讯，上位机利用无级调光监控管理软件，实现相关参数的设定、指令下达、实时信号读取与储存。此外监控管理人员可以通过该界面设定相关参数，并进行紧急故障处理操作，从而实现按需照明的目的。

图10　公路隧道LED照明亮度智能无级控制系统

Fig. 10The intelligent stepless control system of LED lighting for highway tunnel

图11　上位机监控软件主界面

Fig. 11Upper computer main interface of monitoring management software

6结论与建议

本文利用公路隧道入口段加强照明的理论调光曲线和在不同调光间隔时间及亮度等级的条件下生成的实际调光曲线进行图形化对比，得出了以下结论。

1)在公路隧道照明调光领域，调光的间隔时间越短，调光的亮度等级越精细，则洞内出现的“黑洞效应”和“盲视效应”就越小，隧道行车的安全性就越高，节能幅度也越大。

2)照明调光系统的精细化程度和调光操作的间隔时间，是体现系统安全性的重要指标。建议在公路隧道照明系统设计时，应将调光间隔时间限定在2 s以内；调光的亮度等级宜不低于100级。

3)目前国内一些公路隧道应用的调光系统未能实现精细化和实时性调光，其主要因素是没有针对公路隧道照明专用的智能照明系统控制器。大多都是简单地用PLC来控制或者是用计算机和中继器进行远程控制，前者是亮度等级较低，而后者会存在较大地延迟，这些问题需要解决。

4)近年来，国内文献发表有关隧道照明的文章几乎都是从节能和系统实现的角度进行研究，仅文献[2]提出了洞外亮度变化的“无规律”概念。本文从不同的调光间隔时间和亮度等级所形成的调光曲线着手，着重分析了导致危及行车安全的黑洞效应和盲视效应的调光因素，并提出了缩短调光间隔时间和提高调光的精细化程度的全新照明理念及对策。

5)在LED智能化照明即将到来的时代，本文从理论上分析了公路隧道照明调光过程中的危险因素，并提出了消除这些危险因素的切实可行的方法以及相应的技术指标。文中介绍的无级调光照明系统已在杭州彩虹快速路特长隧道和云南楚大高速公路九顶山特长隧道得到良好的应用。目前，我国已有1万多座公路隧道，总里程已达1万多km。按每公里年平均电费30万元计算，全国公路隧道每年照明能耗高达30多亿元。因此，公路隧道照明系统节能是一项长期的任务。但不当的节能方式也会给隧道行车埋下事故隐患。本文所做分析对公路隧道照明系统在确保行车安全前提下的节能具有重要的指导意义；其相应的对策及安全性指标，对确保公路隧道行车安全具有非常重要的现实意义。本文介绍的公路隧道实时的精细化照明调光方案，不仅能够让公路隧道在安全前提下节能，还能延长灯具的使用寿命，提升照明系统的自动化程度以及降低运营管理费用，未来必将会产生巨大的社会经济效益。

6)本文的系统架构未将照明供配电、车流量和洞内亮度检测考虑在内，在今后的研究中，将对此做进一步的研究。

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[9]周健，侯鹏，林利安，等.公路隧道LED灯照明系统无级调光控制方式研究[J].公路交通科技： 应用技术版，2009(11)： 105-108.(ZHOU Jian,HOU Peng,LIN Li’an,et al.Research on the control method of stepless dimming of LED lighting system for highway tunnel[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development: The Application of Technology Edition, 2009(11): 105-108. (in Chinese))

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Analysis on Risk Factors and Safety Index during

Light Dimming in Highway Tunnel

LI Hongjie1, MA Ershun2, LV Xiaofeng3，*, XIA Qian3

(1.CCCCFirstHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Xi’an710077,Shaanxi,China; 2.JiangluoBranchof

GuangdongProvincialHighwayConstructionCo.,Ltd.,Yunfu527431,Guangdong,China;

3.HefeiYuanhuiOptoelectronicCo.,Ltd.,Hefei230041,Anhui,China)

Abstract:The continuous dimming of the illumination at the entrance section of the highway tunnel is critical to realize illumination on demand under the premise of safety. Regarding the problems of brightness jump and brightness insufficiency frequently appearing during the dimming of highway tunnel enhanced illumination, this paper uses the adaptation luminance change profile recorded by the LED intelligent fine dimming illumination system of Caihong expressway extra-long tunnel in Hangzhou, to fit into a theoretical dimming profile, and make graphic comparable research with the real dimming profile. It reveals the reasons causing brightness frequently jump and brightness lower than the standard requirement, and proposes methods to improve dimming safety, and draw the following conclusions: 1) With higher level of dimming brightness and shorter interval, the amplitude of brightness jump at the tunnel entrance section will be smaller and the traffic is more safe; 2) The fineness of illumination dimming system and interval of dimming operation are important indexes of system safety.

Keywords:blindsight effect; fine dimming; real time; intelligent tunnel illumination system controller; highway tunnel

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1252-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.003

作者简介：第一 李宏杰(1967—)，男，陕西岐山人， 1991年毕业于长安大学(原西安公路学院)，交通信号与控制专业，本科，高级工程师，从事机电工程研究与设计工作。* 通讯作者： 吕晓峰，E-mail：hefeiyh@126.com。

收稿日期：2015-05-20; 修回日期: 2015-09-26