高速公路隧道按需照明的节能控制系统研究

邵 宇

深圳市七大洲汽车运输有限公司（广东 深圳 518100）

0 引言

人们需要结合高速公路隧道区域内的交通流量及其外部的环境亮度情况，明确洞内照明亮度需求。在以往的高速公路隧道照明控制工作中，人们选用的照明控制方式虽然具有一定的科学性，但很难节约电能[1]。按需照明的应用理念在于结合高速公路隧道区域内的交通流量及其外部的环境亮度情况，准确且科学地计算洞内照明亮度的具体需求，然后结合计算结果进行动态调光控制。这一目标的实现需要借助LED照明智能无级调光控制系统，该系统能够实时获取隧道的环境参数，并及时进行有效的逻辑运算，最终提出切实可行的控制策略，以便相关人员更加高质、高效地调节洞内的照明亮度，为人们提供安全、良好的行车环境，避免电能浪费。

1 高速公路隧道照明设计要求

高速公路长隧道是指高速公路上单洞长度在1 km以上且车辆单向通行的隧道。隧道各区段照明设计标准根据我国相关设计规范予以明确。

（1）入口段照明。入口段即驾驶员即将驶入隧道的路段，合理设计该路段的照明，有利于驾驶员较好地适应外部至内部的亮度环境变化。照明亮度和区段长度设置规范如下。

入口段1的亮度：

式中：h为隧道内净空高度；S为接近段起点；L20（S）为接近段起点S处正对洞口方向20°视场测得的平均亮度；DS为接近段长度；k为入口段亮度折减系数，k随交通流量和行车速度的变化而变化，其取值参考如表1所示。

表1 入口段亮度折减系数k

（2）过渡段照明。过渡段即高速公路隧道入口处到隧道内部中间处的路段，科学合理地设计该路段的照明，有利于驾驶员较好地适应外部至内部的亮度的变化。

（3）中间段照明。中间段即高速公路隧道内的中间路段，科学合理地设计该路段的照明，有利于驾驶员适应最低的亮度[2]。

（4）出口段照明。出口段即高速公路隧道洞内到隧道外部的路段，科学合理地设计该路段的照明，有利于驾驶员较好地适应内部至外部的亮度变化。其中，照明亮度和区段长度设置规范如下。

式中：Lin为中间段亮度。

（5）应急照明。在高速公路隧道照明设计过程中，应注重应急照明的设计，以保证当隧道照明由于突然停电或其他因素熄灭时，隧道内的车辆和人员能够及时疏散，确保其安全。应急照明亮度应超过中间段亮度的10%，且高于0.2 cd/m2。同时，其必须选用不间断供电系统供电[3]。

2 高速公路隧道按需照明的节能控制系统

为解决以往高速公路隧道照明设计中存在的问题，切实保障高速公路隧道中驾驶员的行车安全，并最大限度地节约电能，相关部门可结合实际情况，有效引入按需照明理念，从而设计科学合理的高速公路隧道照明系统，为隧道内提供合理的照明亮度。

现阶段，隧道无级调光控制已在我国很多高速公路隧道建设中得到普及，其中LED照明智能无级调光控制系统具有较为显著的效果。该系统主要涉及两项核心技术。

（1）高光效的LED节能光源。LED光源作为第四代光源，也是目前全球最为先进的照明技术，其主要优势在于结构简单、安全性能良好、节能效果显著、效率较高、寿命长且无须维护等。与高压钠灯相比，相同照度需求条件下的LED照明光源的节能效果更优，可节约40%的能源。当前，人们已经能够较为高质、高效地运用LED光源无级调光技术[4]。高光效率的LED节能光源隧道应用示意图如图1所示。

图1 隧道LED照明场景

（2）闭环自适应调控系统。该系统能够全天24 h获取隧道内外的亮度和车流量，并结合数据合理调整隧道内亮度，以实现按需照明。

2.1 系统原理

针对高速隧道外的照明控制，可通过设置亮度检测仪监测隧道外的亮度；针对隧道区的照明控制，可通过设置车辆检测设备对该区域车辆通过情况及交通流量信息进行全过程监测，并通过设置火灾报警系统全天24 h监测隧道内的火灾情况。当系统获取到隧道内外亮度与行车数据，会结合已设定的相关程序进行有效的计算和运算，明确科学合理的照明控制策略，从而合理调节高速公路每个照明段中灯具的亮度，最终获得良好的按需照明效果[5]。当一段时间内无车辆通过隧道区时，系统可将隧道照明设置成应急照明模式或低能耗照明模式，以最大限度地减少能源消耗；当有车辆即将驶入隧道时，系统马上将洞内亮度增加到所需的亮度，以防止长时间的无车照明。一旦隧道内出现火灾情况时，全部照明灯具将尽快调节到最大亮度。

2.2 系统组成

（1）环境检测子系统。借助洞外亮度检测仪和洞内照度检测仪，全天24 h监测和获取洞内外的亮度和照度指标。其中，各个照明段的亮度设定值明确，相关人员可结合我国相关规范要求和监测数据加以运算；针对智能调光控制系统闭环自动控制的实现，可将隧道内各个照明段照度监测值作为主要的反馈数据，并结合该数据判断照明系统是否处于正常运行状态。

（2）交通流检测子系统。在隧道入口外安装两组红外车辆探测器。红外车辆探测器能够实时检测该区域是否有车辆经过，并以此为控制信号让隧道照明系统结合车辆经过情况实时切换正常照明状态和低能耗照明状态。在正常情况下，只有第一组红外车辆探测器开展工作，当该组探测器出现故障时，第二组红外车辆探测器会继续运行，及时唤醒洞内照明，避免安全隐患[6]。除此之外，还需在隧道入口和出口外各安装一组车辆检测器，以检测此两个区域的车流量信息，然后根据检测结果和设计细则明确洞内每个区段的亮度，并借助入口与出口车流量信息判断隧道内是否有车辆停留，待明确无任何车辆停留时，即可让照明系统进入低能耗照明状态。

（3）LED照明灯具。①单色温LED灯具。单色温LED灯具是现阶段高速公路隧道照明中较为常用的灯具，在额定范围内其光源工作电流可进行动态调控，从而为LED灯具亮度的无级控制提供必要的支撑。借助隧道LED照明亮度智能无级控制系统，能够实时跟踪照明功率曲线，并结合具体的功率需求进行有效的照明，避免了不必要的照明能耗。相关实践表明，与钠灯光源的隧道照明和恒定亮度的LED隧道照明相比，单色温LED灯具的年平均白日照明能耗明显更低，从而获得了按需照明的效果。②单色温+变色温LED灯具。对于雾天隧道内无雾的隧道基本段，可首选单色温LED灯具；针对隧道出入口段、雾天隧道内有雾的基本段，可首选变色温灯LED灯具。这两种照明灯具能够根据隧道所在区域天气变化情况，科学有效地控制隧道外部照明段的光源情况，确保各种天气环境下隧道外部照明段都处于相对适宜的照明环境。特别是在遇到大雾天气时，驾驶员往往很难看清前方的道路情况，这就会增加该区域的行车风险。为最大限度地避免这一行车风险，需在隧道入口处选择合适的光源，通常应选用低色温黄色光源，并避免使用高色温的蓝白光源。低色温黄色光源可以提高车辆行驶的安全性，且当隧道入口的色温比较低时，能够和洞外亮度处于相当的水平，尽可能缩小隧道洞外和入口段色温、显色指数之间的差异，从而有效提高驾驶员的视野清晰度，最大限度地降低驾驶员在驶入隧道过程中色温变化影响视觉而发生行车事故的概率。简而言之，就是借助对色温的合理调节，从而在同一亮度状况下帮助驾驶员看清道路行驶情况，确保其行车安全性[7]。同时，可在同一视认效率状况下降低安全环境亮度，有效处理盲目调光而导致的电能资源的浪费，最终获得显著的节能效果，实现资源的充分利用。变色温LED灯具可实现调光控制信号接受与响应功能，能够实现对灯具亮度的科学、有效调节和控制，在直流调压中有良好的应用效果。其电源能够接受DCO-10 V的模拟电压控制信号，并结合信号电压的大小，合理调节电源的输出电源，使LED灯具的光通量处于合理范围内。

（4）通信系统。高速公路隧道按需照明的控制系统可以实时获取隧道的各项数据，然后由传输通道将这些数据信息传至监控室计算机控制系统，借助该系统整理、分析、运算这些数据信息，进而制定相应的调光措施，最后将调光指令传送至隧道内的照明控制系统，合理调节隧道各照明段照明亮度，确保行车安全。其中，通信传输通道以光纤传输与控制总线实现运行，这要求相关人员立足于隧道区与隧道监控室构建以太网光纤环形传输系统。

2.3 智能化调光方式选用

为确保高速公路隧道照明的整体性能，使其具备更好的节能性，构建智能调光系统很有必要。该系统主要由计算机控制系统、照明分析控制软件和照明控制器组成。其中，计算机控制系统可安装到隧道监控室内，并在服务器上运行照明分析控制软件。计算机控制系统可以全程接收隧道洞内照度检测数据，作为反馈信号不断修正调光指令，从而为行驶在隧道的车辆提供所需的照明亮度。照明控制器能够设置多个控制端口，并借助RS485总线与合适数量的照明灯具将所有控制端口连接在一起。每套灯具都设有一个编码地址，可结合协议解码获得该灯具的PWM调制脉冲控制照明驱动电路，进而达到单灯亮度调节的目的，并借助控制软件实现对灯具的分组控制。一旦照明控制器和计算机系统通信无法正常运行，照明控制器可结合预先设置的时序控制模式独立运行。智能调光控制系统在运行应用的过程中，较为常见的调光方式有以下两种。

（1）PWM调光方式。在没有协议的情况下，亮度控制器能够自主发出PWM控制信号，从而实现对灯具的有效控制。PWM控制信号占空比可在0～100%不间断可调，根据信号的占空比可明确隧道内外设置灯具的亮度。LED光源的亮度是既定的，应用该调光模式，可合理调节光源开启与关闭的时间，进而有效调节灯具的亮度。在该调光模式下，当调光控制系统无法正常运行，LED照明灯具无法顺利接收到调光指令时，灯具不会停止运行，而是立即切换到自主运行状态，调至最大照明亮度模式，从而确保行车安全。该调光方式的优势在于控制简便、无须控制协议、维护方便、经济实用，且借助单个控制器就能够控制数百套灯具，无须过多控制回路，线路简洁；不足之处在于无法实现单灯控制，也无法接收单灯的反馈信息[8]。

（2）0～10 V信号控制调光方式。灯具以总线方式在0～10 V控制信号线上进行挂接，每路0～10 V信号控制该路全部灯具的运行情况。该调光方式的主要优势在于布线拓扑简洁，每路仅需2芯线缆，具有很高的可靠性，若其中某一个灯具无法正常运行，其他灯具的调光依然能够保持正常运行状态，0～10 V信号也能够保持正常输出状态；维护方便，单个灯具也不用设置软硬件，具有良好的待载能力和很强的0～10 V信号驱动能力。该调光方式涉及两种系统通信方式。①在线通信方式。借助TCP/IP通信协议，上位机控制调光控制器，待上位机通信传输至调光控制器时，可借助协议内容做出对应的动作，尽快输出硬件0～10 V模拟量调光信号，科学合理地控制灯具的亮度和暗度。②离线方式通信。借助触摸屏输入相关数据，能够实现硬件0～10 V模拟量调光信号的全过程输出，即使灯具在无0～10 V控制信号的情况下，依然能够自动转入100%的亮度模式。但是，该调光方式无法实现单灯控制，也无法得到单灯的反馈信息。

2.4 系统优势

（1）可实现对隧道内光照度的精准设置与有效管理，通过最少的能源确保所需的照度水平，具有非常显著的节电成效，相较于以往分级控制方式的LED照明节能，该系统能够节约40%的能源。

（2）当隧道没有满足设计车流量时，该系统可以结合相关规范和要求合理折减隧道内的照明强度，从而在确保符合相关规范的情况下最大限度地减少电能消耗，让系统真正达到按需照明的节能控制要求。

（3）由于每年夏天中午是一年中光照最为强烈的时刻，要想确保行车安全，必须注重照明灯具的强化，使之实现满功率工作。基本照明的功率设计冗余留到远期再用，隧道通车初期的工作功率会低于灯具的额定功率，这样就可以确保灯具和电源在长期运行后仍旧不会出现温度升高的情况，最大限度地避免了LED灯具的光衰，延长了电源和LED灯具的使用寿命。

3 结语

在高速公路隧道按需照明的节能控制中，可选用LED照明智能无级调光控制系统实时采集隧道内外的环境亮度、交通流量、照度等数据，然后结合相关设计规范和要求制定科学合理的节能控制策略，柔和且平稳地调节高速公路隧道各个区段的照明亮度，为大众提供舒适、安全的行车环境。不仅如此，该系统还能够在实现按需照明的情况下，大幅度节约高速公路隧道的运营成本，切实实现绿色交通和智慧交通。