浅谈LED照明灯具在循隆高速公路隧道中的应用

原晓伟

(山西省交通建设工程监理有限责任公司，山西 太原)

0 引言

青海省G310线循化至隆务峡公路位于青海省循化撒拉自治县和化隆回族自治县内，是G310线连云港至共和公路的重要组成部分，项目全长40.464 km，桥隧比占54.3%，隧道9座共计13 884 m，其中黄河库区连续7座隧道。

高速公路隧道是一段封闭的空间，自然光无法照射其中，为了保证车辆行驶的连贯性及驾驶员的生命安全，即便是白天其内部全程也需要照明。照明灯具在选择过程中，根据本项目隧道的特点、结合行车安全及运营节能的综合考虑，选取高效节能、寿命长、维护方便、绿色环保等优点的LED灯具，以便达到有效提高高速公路的照明效率,降低运营照明成本的目的。另外隧道照明与一般的道路照明不同，汽车尾气、噪声、振动、污浊空气、腐蚀气体、水分等恶劣环境形成隧道照明的特殊性，其对安全上的考虑在照明系统上表现得尤为突出。

1 隧道照明的特点

因隧道出入口段与隧道洞外色温及显色指数差异，从而产生“黑洞”、“白洞”及“适应滞后”等现象。为了能让驾驶员在隧道两端出入口处能有一个良好的视觉过渡，隧道照明采用分段照明[1]。由于隧道内部通风条件的限制，汽车排出的废气不易快速稀释，容易产生集聚形成烟雾，从而产生烟雾效应[1]。因此，在隧道照明灯具选择上也要考虑其影响。

2 LED灯在隧道照明中的优点

1) 实际利用光效高，LED灯的实际使用光效一般为70～80 lm/w，而高压钠灯一般只有40～50 lm/w，从此可以算出，在获得相同亮度环境的情况下，LED灯所需的功率仅为高压钠灯的60%左右，其照明用电量也就只有60%左右。对于用电量巨大的隧道照明来说，使用LED灯可以节约照明用电，降低运营成本[3]。

2) 寿命长、光衰小，LED灯是固体的半导体产品，环氧树脂封装，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在合适的电流和电压下LED灯可以达到上万个小时的使用时间，是钠灯使用寿命的一倍。另一方面，LED灯光衰与高压钠灯相比也较小，发光稳定，在长时间使用过程中灯具更换次数明显少于高压钠灯，所需维护成本也比较少。

3) 环保效果好，LED灯不含有金属汞、钠等有害元素，失效后废弃物可回收，无环境污染后患。同时LED灯为冷光源、无热量辐射、不产生紫外线和红外线、眩光小，可以安全触摸，属于新型的绿色照明光源。

4) 控制方式先进方便，通过调整驱动电流，就可以对LED色温和亮度进行调整，使灯光更加清晰、柔和，让人感觉更加舒服。而且它融合了微处理器、网络通信、嵌入式控制等技术，支持智能控制系统的实现。

5) 显色性高，显色指数Ra值越高，表示在相同的亮度情况下，人们越容易看清楚物体。一般LED灯显色性约70～80，高压钠灯的显色指数Ra约20～35，因而在隧道中使用LED灯要比使用传统高压钠灯显得“亮”得多，给人感觉路面看起来更加明亮，换一个角度来讲，在相同的辨识条件要求下，使用LED隧道灯所需的亮度更低，也可以获得同样的视觉效果[3]。

3 LED灯在隧道照明中存在的问题

3.1 灯具单价较高，初期投入成本较大

目前LED灯作为新型照明产品，单灯价格较高，是普通高压钠灯的3～4倍。由于隧道照明所需灯具数量多，如果隧道照明采用LED隧道灯，初期投入的成本将大幅增加，造成较大的资金压力[3]。

3.2 “黑、白洞”效应仍未能有效解决

1) 在隧道入口段，根据隧道照明设计规范要求，入口段的加强照明所用灯具可以从洞口以内10 m，开始布设[1]。若在采用LED隧道灯时，按洞口10 m不布灯的方式设计，将直接加剧“黑洞”效应的不良影响。

2) LED隧道灯具的光源一般采用白光LED，白光LED更接近太阳光，而入口段照明的亮度只是洞外亮度的2.2%～4.5%，在光色接近但亮度差异大的情况下，进入隧道时出现“黑洞”效应，出隧道时出现“白洞”效应。

3) 由于白光LED隧道灯具的显色指数较高，在相同的亮度情况下，给人的感觉要亮得多，在晨、暮、雨、雾等天气状态下，当车从远处向隧道内行驶时，由于隧道内亮度过高，对驾驶员会产生眩光，较难看清隧道中的交通环境，对驾驶员心理也造成很大的影响，不利于行车安全。尤其是在晚上，这种“白洞” 效应更为明显[3]。

3.3 色温偏低，隧道行车环境不理想

LED隧道灯的色温一般为4 000～6 500 K，给人的感觉较为偏冷。当驾驶员进入LED隧道灯照明这种偏冷的色温环境，在一定程度上会影响驾驶员的视觉习惯和驾驶心理，影响行车安全。同时，从人的喜好心理上来说，较为暖和、稳重的色温，给人的驾车环境也较为踏实，利于行车安全。另外，色温偏低，也是“白洞”形成的一个重要因素[3]。

4 LED隧道灯的应用实例

为解决人们进入公路隧道的“适应滞后” 现象及LED隧道灯色温偏低的问题，并将“黑洞”、“白洞” 效应的影响切实有效的降低，确保车辆安全、高速的接近和穿过隧道。循隆高速建设管理单位经论证决定打造一个具有管理先进、智能管理、安全可靠、运营低耗的具有示范和标志性的隧道照明工程。将隧道入口的基本照明及入口加强和过渡段加强照明灯具采用变色温LED隧道灯，中间基本照明使用可调光LED隧道灯，在隧道洞口设置亮度传感探头、色温检测探头和隧道LED照明灯具的控制系统。

4.1 灯具选择

在隧道入口段1、入口段2采用120WLED变色温隧道灯，过渡段1、过渡段2采用60WLED变色温隧道灯，隧道所有加强灯具均为隧道两侧交错布置，安装高度5.3 m。

隧道全线设置了基本照明，LED隧道灯各段均为间距10 m,安装高度5.3 m，两侧交错布置，隧道两端入口段、过渡段和出口段内的基本照明灯具设计采用60WLED变色温隧道灯照明，该照明方式白天作为隧道基本照明，夜间以不同色温与亮度作为隧道夜间照明。中间段基本照明采用40 W单色温可调光隧道灯，色温宜采用4 000 K；对于超长隧道，其中间段长度1 km采用5 700 K高色温光源，以提高驾驶员的驾车注意力。

4.2 主要参数

表1 LED隧道灯主要参数

4.3 灯具光学性能

整体光衰10 000小时不超过10%，使用寿命≥50 000小时，光衰不超过初始值的30%，配套光学透镜90×130度，整体投射角垂直不小于90度、水平不小于130度，窄长蝙蝠翼配光单灯投射面均匀度不小于0.8，灯具的配光曲线满足公路隧道照明要求。

4.4 灯具结构性能

灯具采用模块化设计，各模块之间的衔接接口采用通用化设计。方便更换部件和清洁，可维护性强。灯具外壳选用强度高、韧性好的防腐铝合金制成。光学面罩采用3.5以上高透光钢化玻璃。灯具的安装角度能灵活调整。灯具及电源外壳表面能承受盐雾、汽车废气及清洗剂的腐蚀；灯具与电源采用分体设计，连接采用防水电缆。

4.5 灯具散热性能

铝拉伸模组散热器，散热效果好，热阻值小，芯片结温温升控制在30 ℃以下。

4.6 照明控制方案

本项目对隧道灯光进行全自动控制，包括白天根据洞外亮度、色温变化调节加强段的照明、色温及夜间对灯光的控制，主要通过时间设置进行时序控制或通过洞外亮度、道路流量监控、洞内空气质量通风监控、消防等信息的采集，为控制系统提供实时准确的数据，以便发出相应的控制命令，进行实时控制，其实施方式分两种 ：通过控制PLC控制系统开关电源和通过RS485控制，进行回路调光控制。

可调光LED隧道灯通过道洞口设置亮度传感探头和LED隧道灯的控制系统，调节LED照明灯具从0～100%功率自动变化，实现真正意义上的“按需照明”，达到安全可靠，节能减排的目的[2]。

变色温LED隧道灯具是通过集中控制系统对电源的调节来实现两种不同色温光源的亮度配比变化来实现，隧道采用变色温灯具，色温从3 000 K～6 500 K之间任意变化。集中控制器是系统的核心控制设备，提供灯的状态收集、故障上报、发送和接收控制信号、定时发送控制信号、自动升级系统。根据洞外光环境自动实现灯具亮度控制，达到二次节能的效果。

变色温LED隧道灯具根据不同的隧道周边环境和光环境需求，通过调节不同色温的光源，在一定范围内减小隧道入口段与隧道入口洞外色温及显色指数差异，使洞内光环境更加舒适有利于驾驶视认，缓解驾驶员驶入隧道时因色温变化对视觉产生的影响，在相同的视认效果情况下提高驾驶员视认效率，增加驾驶的安全、稳定和舒适性，同时在相同的视认效率情况下降低安全环境亮度，可有效解决盲目调光浪费资源的问题，从而达到合理有效节能和资源利用的目的。

4.7 隧道照明控制系统

系统主要由隧道集中调光控制器、亮度和变色温检测仪、照明自适应控制单元和远程控制服务器及软件四部分组成。

1) RS485集中调光控制器是系统控制调光的部件，主要负责通讯网络的架构和调整，向下传达控制命令输出1～10 V调光信号至控制线缆，控制连接在控制线缆上的灯具；向上接收照明自适应控制单元的命令并反馈相关信息数据。安装在隧道内摄像机的控制箱内，上行通讯利用隧道备份光纤自己组成隧道调光控制网。

2) 全密封传感器包括亮度检测仪和色温检测仪，是系统控制的信号采集设备，整合洞外亮度光感数据、色温数据等信号采集，为控制系统提供实时准确的数据，以便发出相应的控制命令。

3) 照明自适应控制单元作为隧道照明控制的核心部件。上行通讯联系远程控制服务器；下行通过集中调光控制器实现对灯的调光控制。并提供了网线接口模块，方便客户远程对其进行控制和操作。还可上报多种警报信息，并具有远程升级的功能。可以通过外加智能电表，实时监控线路的电量信息；外接亮度检测仪和色温检测仪设备，通过智能调光算法，根据时段、亮度、流量进行实时调整。安装在隧道内摄像机的控制箱内，上行通讯通过有线(光纤)、无线(GPRS)方式；下行通讯通过有线方式。

4) 远程监控服务器及软件。远程监控服务器作为系统的核心数据存储设备，提供intranet、TCP/IP等接入方式，能在隧管所监控室及任何联网的PC上对集中器和节点控制器进行实时检测和控制。控制管理软件具有数据备份功能，可存储设备详细信息和组网配置数据。系统采用B/S架构来构件服务器和数据库。

5 结束语

目前，在我国高速公路建设飞速发展的背景下，LED灯作为主要的高速公路隧道照明的灯具，已经在实践应用中体现出了其巨大的优势。它一方面能有效节约用电及维护成本，对于隧道长期运营来讲经济效益显著，另一方面又满足当前绿色照明产品的需求，具有良好的社会效益。因此，在隧道应用LED照明灯具，无论从安全行车角度，还是经济、社会角度都具有重要意义。

[1] 交通部重庆公路科学研究所.JTJ 026.1-1999公路隧道通风照明设计规范[S].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 韩直,吕晓峰,尹林,等.公路隧道LED照明调光控制技术研究[J].中国交通信息产业,2009(10)：99-102.

[3] 宋全威.浅谈高速公路隧道LED灯具照明与应用[J].广东公路交通，2012(2)：57-59.