公路隧道照明优化设计与计算方法研究

张德钱， 洪远泉， 周永明

(韶关学院物理与机电工程学院， 广东 韶关 512005 )



公路隧道照明优化设计与计算方法研究

张德钱， 洪远泉*， 周永明

(韶关学院物理与机电工程学院， 广东 韶关 512005 )

JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》列表数据有限，无法满足公路隧道照明按需控制连续参数取值需求，为解决上述问题，采用MATLAB曲线拟合工具，拟合了隧道入口段折减系数、中间段亮度和照明停车视距计算公式，最大拟合误差分别为-1.43%、-1.7%和8.48%。仿真分析了不同设计时速下隧道车流量、洞外亮度和隧道坡度变化对隧道照明功率变化的影响，提出了隧道照明节能优化措施。结果表明，设计车速超过60 km/h后，车流量和洞外亮度变化引起的照明功率变化开始快速增加。公式化的隧道照明设计方法可为不同工况的隧道照明功率优化计算提供设计参考。

公路隧道； 分段式照明； 公式拟合； 照明功率； 节能优化

0 引言

根据交通运输部门的统计，截至2016年底，我国公路隧道总数达到15 181处，总长为1 403.97万m[1]。2014年8月1日，JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》(简称设计细则)作为新的隧道照明设计标准开始实施，提倡采用按需照明控制方式实现节能。公路隧道按需照明控制是根据车速、车流量和洞外亮度等实时运行参数自动调整照明功率，以满足隧道照明节能与运营安全的要求，是当前隧道照明智能控制研究的热点[2-4]。但该设计细则里只列出常规车速、车流量下隧道照明亮度的参考数值，无法满足隧道照明按需控制的精确参数取值需求[5-6]。

近年来，国内外学者对公路隧道照明节能优化设计进行了大量的研究。李农等[6]采用数学拟合方法，得到入口段折减系数和照明停车视距拟合公式，最大拟合误差分别为13.3%和13.8%。G. Parise等[7-8]提出用平均电源功率密度来分析隧道照明功率与照明亮度关系的方法，并应用在隧道照明节能优化研究上。

根据隧道实时运行参数精确估算照明需求功率，是公路隧道照明节能优化的关键。本文研究了公路隧道照明优化设计和计算方法。拟合了准确度更高的隧道入口段折减系数、中间段亮度和照明停车视距计算公式，提出了全公式化的分段隧道照明亮度和长度的设计方法。仿真分析了隧道照明功率与车速、车流量和隧道洞外亮度等隧道运行参数的关系曲线，提出公路隧道照明节能优化的主要措施。

1 分段式隧道照明亮度设计公式化

1.1 分段式隧道灯光照明曲线模型

单向公路隧道可分成入口段、过渡段、中间段和出口段4个部分[9]，其照明曲线如图1所示。入口段分为TH1和TH22个分段， 过渡段分为TR1、TR2和TR33个分段，出口段分为EX1和EX22个分段。

图1 分段式隧道灯光照明曲线

1.2 入口段亮度折减系数数学拟合

入口段2个分段亮度

LTHi=nkL20(S)/i(i=1,2)。

(1)

式中：L20(S)为隧道洞外亮度，cd/m2；k为亮度折减系数；n为修正因子(长度D>500 m的非光学长隧道及长度D>300 m的光学长隧道，n取1； 长度300 m

根据《公路隧道照明设计细则》表4.1.1列出的小流量(指单向交通车流量N≤350、双向交通车流量N≤180，下同)与大流量(指单向交通车流量N≥1 200、双向交通车流量N≥650，下同)折减系数标准值，利用MATLAB拟合的四阶线性多项式如式(2)所示。

计算值有效位数与标准值相同时，入口段折减系数拟合误差分布如表1所示。大流量120 km/h设计速度下误差为-1.43%，其余误差为0.0%，说明拟合公式能准确描述隧道入口段折减系数与速度的关系。

式中：kH(v)、kL(v)分别指大流量和小流量的折减系数值；V=[v4v3v2v1]T为速度基函数[10]，km/h。

表1 入口段折减系数拟合误差表

Table 1 Fitting error e of illumination reduction coefficient of tunnel entrance section

流量级别类别设计速度v/(km/h)20～406080100120大标准值0．0120．0220．0350．0450．070流计算值0．0120．0220．0350．0450．069量误差值/%0．00．00．00．0-1．43小标准值0．0100．0150．0250．0350．050流计算值0．0100．0150．0250．0350．050量误差值/%0．00．00．00．00．0

中流量(指单向交通车流量350

(3)

式中：NL为小流量上限值，单向交通时取350，双向交通时取180；NH为大流量下限值，单向交通取1 200，双向交通取650。

折减系数与速度、车流量的关系曲线如图2所示。

图2 折减系数与速度、车流量的关系曲线

Fig. 2 Relationships between illumination reduction coefficient and design vehicle speed and vehicle flowrate

1.3 中间段亮度数学拟合

中间段3种交通流量状态下的隧道照明目标亮度拟合公式如式(4)所示。

式(4)求出计算值取小数点后1位有效位数，相对误差分布如表2所示。中流量120 km/h速度下的误差为-1.7%，其余误差为0，说明拟合的效果好，准确度高。

式中：LINH、LINM、LINL分别代表大流量、中流量和小流量的亮度值，cd/m2； 速度基函数矢量V=[v4v3v2v1]T。中间段亮度不低于1 cd/m2。

表2 中间段亮度拟合误差表

1.4 过渡段与出口段亮度

过渡段与出口段照明目标亮度如式(5)和式(6)所示。隧道长度小于300 m，可不设置过渡段。过渡段亮度LTR3不大于中间段亮度2倍时，LTR3可与中间段亮度相等[5-6,9]。

(5)

LEXi=(1+2i)LIN(i=1,2)。

(6)

2 分段隧道长度设计公式化

2.1 入口段长度与照明停车视距数学拟合

DTHi=0.577Ds-2.837(h-1.5) (i=1,2)。

(7)

式中：DTHi为入口段长度，m；Ds为照明停车视距，m；h为隧道净空高度，m；i=1,2代表入口段2个分段。

照明停车视距大小由道路纵坡坡度和设计速度决定。二元线性多项式拟合结果

Ds(v,θ)=-0.000 166 2v3+0.051 2v2-0.143 6v2θ-2.38v+11.33vθ+50.07。

(8)

式中：v为设计速度，km/h；θ为纵坡坡度[5-6,9]。

照明停车视距拟合误差分布如图3所示，速度低于60 km/h时，最大的相对误差绝对值为8.48%； 60 km/h以上的拟合相对误差绝对值低于4.8%。高速端的拟合准确度优于低速端的准确度。隧道主要运行在高速端，说明拟合公式效果很好。

图3 照明停车视距拟合误差分布

2.2 过渡段、中间段与出口段长度

(9)

式中：DTRi为3个分段过渡段长度，m；DTH为入口段长度，m；iv/1.8为2 s内的行驶距离，m；i=1,2,3代表过渡段的分段编号。

出口段2个分段的长度通常都取恒定值30 m。隧道中间段是指入口段、过渡段和出口段之外的位置[6,9]。

3 隧道照明功率仿真与优化分析

式(1)—(9)描述了隧道各分段亮度、长度与隧道设计速度、交通流量、洞外亮度、隧道坡度等参数的关系。隧道灯光照明设计要根据这些公式计算各个分段的亮度和长度，并进行照明功率配置。隧道内部单位面积上的照明功率称为平均电源功率密度。根据文献[7-8]，LED灯和高压钠灯(HPS)的平均电源功率密度与照明目标亮度的关系为

δLED≈0.19L；

(10)

δHPS≈0.24L。

(11)

式中：δ为平均电源功率密度，W/m2；L为照明目标亮度。

隧道分段区域灯光照明功率

P=δLEDwd。

(12)

式中：P为灯光照明功率，W；w为隧道宽度，m；d为隧道长度，m。

3.1 速度、车流量对照明功率的影响

假设长度为2 500 m、宽度为11.25 m、净空高度为7.8 m的单向三通道隧道，隧道洞外亮度为3 000 cd/m2，LED照明功率曲线仿真图如图4所示。由图可知，隧道的照明总功率随设计速度、车流量非线性增长。在低速端，白天、夜间以及车流量变化对照明功率的影响比较小。速度超过60 km/h后，照明需求功率随车流量、车速高速增长。夜间，隧道取消加强照明，按照中间段的亮度要求运行，照明功率可大幅度降低。如大流量120 km/h的速度下，照明功率白天为130.6 kW，晚上比白天降低了59%的功率，为53.5 kW。

图4 隧道照明功率与速度、车流量曲线关系

Fig. 4 Relationships between tunnel illumination power and design vehicle speed and vehicle flowrate

3.2 隧道坡度对照明功率的影响

隧道坡度影响照明停车视距的长度。入口段与过渡段的照明功率与速度、坡度的仿真曲线如图5所示。低于90 km/h时，坡度变化对照明功率的影响很小； 超过90 km/h后，坡度变化对照明需求功率的影响增大，且正坡度的照明功率低于负坡度的照明功率。隧道上坡时，烟雾对照明效果也会产生影响。对于烟雾影响严重的特殊地段，要采用透雾性能比较好的光源，如高压钠灯[9，11-12]。

图5 隧道照明功率与速度、坡度曲线关系

Fig. 5 Relationships between tunnel illumination power and design vehicle speed and tunnel slope

3.3 洞外亮度、车速对照明功率变化的影响

由式(1)、(5)、(12)可知，隧道入口段和过渡段照明功率与隧道洞外亮度成线性关系。但是，由于入口段的折减系数与车速和流量的非线性关系，隧道入口段与和过渡段的照明功率对洞外亮度变化的敏感程度是不一样的。相同速度下，照明功率与洞外亮度按照线性规律变化； 不同速度下，洞外亮度变化产生的照明功率增幅是不一样的。高速端的增幅大于低速端的增幅。大流量下，入口段和过渡段的照明功率与洞外亮度、速度的仿真变化曲线如图6所示。图中，低速端60 km/h对应的照明功率最大值为14.74 kW，最小值为7.47 kW； 在高速端120 km/h对应最大照明功率为164 kW，最小照明功率为82 kW。2种速度下对应的功率差值分别为7.47 kW和82 kW。

图6 隧道照明功率与速度、洞外亮度曲线关系

Fig. 6 Relationships between tunnel illumination power and design vehicle speed and luminance outside tunnel

3.4 隧道照明节能优化措施分析

根据隧道灯光照明需求功率的理论计算公式以及仿真分析结果，可在以下3个方面进行隧道照明节能优化。

1)采用发光效率高的新型材料照明，可节省照明功率。由式(10)和(11)可知，相同目标亮度下，LED照明功率比高压钠灯照明功率低。

2)降低洞外亮度L20(S)对隧道加强照明功率的影响。对于高速运行隧道，在隧道外路基两侧通过种植树木、设置百叶天棚和断墙洞口等方式进行减光，可有效降低隧道入口段和过渡段的照明需求功率[13]。车速越高，降低洞外亮度引起的照明功率减幅就越大。

3)采用智能控制技术，实施按需照明控制，兼容节能与安全的要求。根据设计细则，控制隧道照明功率随车速、车流量和洞外亮度等参数实时变化，既能满足隧道行车安全的要求，又能避免隧道过度照明，产生能源浪费[14-15]。图4中，设计时速为100 km/h的隧道，大流量时的照明需求功率为69.11 kW。时速在±10%内波动，照明需求功率为51.49～92.08 kW。可见，完全按照设计时速确定照明功率，运行速度低于设计速度时，就产生过度照明，浪费电能； 运行速度高于设计速度，则隧道亮度不足，影响行车安全。车流量和洞外亮度的变化对隧道照明功率产生同样的影响。因此，按需照明，是同时满足节能与安全要求的有效控制方案。

4 结论与展望

本文以设计细则为基准，对隧道入口段折减系数、中间段照明亮度、照明停车视距公式进行了数学拟合，实现了隧道照明功率设计的全公式化，可为不同工况的隧道提供照明设计参考，并为隧道按需照明节能系统计算目标亮度提供理论支持。利用隧道分段亮度、长度和照明功率计算公式，仿真分析了不同车速下的车流量、洞外亮度和隧道坡度变化对照明功率的影响。仿真结果表明： 1)速度超过60 km/h后，车流量和洞外亮度变化对照明功率的影响明显增强； 2)速度超过90 km/h后，隧道坡度变化对照明功率的影响开始显著增加； 3)按需照明，能兼顾隧道照明节能与行车安全要求。

下一步，将以本文研究为基础，进行按需照明控制系统设计，并在实际隧道中进行节能效果测试，分析节能效益与按需控制成本的关系，制定最优隧道照明节能控制方案。

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Research of Optimization Design and Calculation Method of Illumination of Highway Tunnels

ZHANG Deqian, HONG Yuanquan*, ZHOU Yongming

(SchoolofPhysicsandMechanical&ElectricalEngineering,ShaoguanUniversity,Shaoguan512005,Guangdong,China)

The list data of JTG/T D70/2-01—2014GuidelinesforDesignofIlluminationofHighwayTunnelsare limited, because of which the control of continuous parameter valuing can not meet the requirement of illumination of highway tunnels. The illumination reduction coefficient of tunnel entrance section, luminance of intermediate section and calculation formula of illumination parking stadia are fitted by curve fitting tool MATLAB, and the maximum fitting error is -1.43%, -1.7% and 8.48% respectively. The influences of vehicle flowrate in tunnel, luminance outside tunnel and tunnel slope variation on illumination power in tunnel are simulated and analyzed; and optimization methods for energy saving of illumination in tunnel are proposed. The results show that: 1) The illumination power induced by vehicle flowrate in tunnel and luminance outside tunnel increases rapidly when the design vehicle speed is larger than 60 km/h. 2) The formularized tunnel illumination design can provide reference for design and optimization of illumination power under any cases.

highway tunnels; sectional illumination; formula fitting; illumination power; energy saving optimization

2017-03-02;

2017-05-07

广东省教育厅科技创新项目(2013KJCX0169)； 韶关市科技计划项目(2013CX/K55)； 韶关学院教育教学改革重点项目(SYJY20141504)

张德钱(1979—)，男，广东南雄人，2008年毕业于华南理工大学，电子与通信工程专业，硕士，实验师，主要从事物理电子技术教学与应用方面的研究工作。E-mail: 304565115@qq.com。*通迅作者： 洪远泉， E-mail: sdhyq@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.004

U 453.7

A

1672-741X(2017)07-0803-05