基于公路隧道提质升级的渝东北地区照明运营应用与研究

周武召，李苓佳，邓礼萍，胡鹏飞

(重庆高速公路集团有限公司东北营运分公司，重庆 401147)

2020年初爆发新冠肺炎疫情，高速公路从2月17日至5月5日实行全民免费，造成集团营运严重欠收，影响企业正常发展运营。如何做到深挖潜能，确保公共服务、应急运输保障等公众服务水平不下滑的同时，实现高速公路营运企业增收节支是当前乃至今后一段时间工作的重中之重。

隧道电费作为山区高速公路运行的高额成本，一直是困扰高速公路运营公司的一大难题[1-2]。为响应集团增收节支、改革创新的工作要求，东北营运公司多次探讨、深挖潜力，对渝东北管辖范围的部分隧道照明控制进行深入研究，希望通过科学研究、实践探索，并基于设计规范对隧道养护的相关要求，进一步优化隧道照明控制[3-4]，实现降本增效。

1 渝东北地区公路隧道照明调控研究

东北营运分公司目前管理渝东北地区3条高速公路：一是国道G42沪蓉高速公路深入三峡库区腹地的万州—云阳—奉节—巫山段，二是万州—开县高速公路，三是奉节—巫溪高速公路，总计287 km，跨越四县两区，地形条件复杂。全路段共有63座隧道，其中特长隧道13座，长隧道20座，中长隧道16座，短隧道14座，除2座短隧道未设置照明设施外，其余隧道均设有照明设施。目前照明的控制方式包括时序方式和手动方式，长隧道均可由人员在监控中心通过隧道PLC实现远程控制。

1.1 提质升级前后的隧道照明运营现状

2019年，东北营运公司根据交通运输部、市政府及市交通局关于隧道提质升级的相关要求对辖区隧道进行了品质提升，2019年已提升完成43座隧道，2020年将实施完成全部隧道的品质提升。经统计，提升前隧道照明总功率为4 384 kW，2020年全部隧道提升后的总功率将达到4 672 kW。若按目前隧道所采用的控制模式进行计算，每月电费约221万元，全年可达4 600万元，其中节能费用约 1 948万元，占比42.35%。因此，若能将这近一半的照明节能费用部分降低，可对隧道的绿色节能运营起到一定的推动作用。

进一步研究发现，隧道品质提升前，当1 h车道流量小于或等于350 veh/(h·ln)时，中间段基本照明亮度规范值为1.5 cd/m2；当1 h车道流量大于350 veh/(h·ln)且小于1 200 veh/(h·ln)时，中间段照明亮度规范值为2.5 cd/m2。隧道品质提升后，中间段基本照明亮度设计值为3.5 cd/m2，实测中间段基本照明亮度(全开模式)为8 cd/m2～11 cd/m2。究其原因，隧道完成品质提升时，短期内实际隧道照明亮度所考虑的折减系数小于设计值，致使各路段实测照明亮度远大于设计照明亮度。以万云路人和隧道照明运营现状为例，其照明亮度见表1。

由表1可知，经隧道品质升级后，短期内照明亮度实际值均大于设计值，使得照明费用不减反增，在积极响应交通运输部提出隧道提质升级的同时，也应根据改造后的实况予以优化，实现隧道照明节能增效。

表1 不同灯具开启条件下万云路人和隧道照明实际值

1.2 各路段车流量对比研究

经统计分析，东北营运公司所辖路段之间交通量差异较大，在白天，万开、万云路1 h车道流量基本大于350 veh/(h·ln)，夜间1 h车道流量小于350 veh/(h·ln)，而云奉、奉巫、奉溪路各时段1 h车道流量均小于350 veh/(h·ln)，具体情况见表2。

表2 各时间段平均1 h交通量统计

由表2可知，不同路段的车流量存在一定差异。白天与傍晚的车流量最大，黎明和傍晚次之。车流量是公路隧道照明至关重要的参数[5]，可考虑将白天与傍晚的照明灯具开启模式设置为高于黎明与傍晚时段，以进一步改善渝东北公路隧道照明因灯具开启模式的不合理而造成不必要的照明浪费。

1.3 基于车流量与灯具开启模式的照明调控运营分析

根据市交通局相关要求，东北营运公司隧道照明灯具开启模式分为白天(6：00—19：00)全功率(13 h全部灯具开启)和夜间(19：00—次日 6：00)半功率(11 h一半灯具开启)2种模式。2019年8月，结合重庆季节特性，以夏至、冬至为分界点，并将1 d划分为黎明、白天、傍晚、夜间4个时间段对照明灯具的开启模式进行了调整，具体情况见表3。

表3 各时间段灯具开启情况

由表3可知，夏至与冬至各天气模式对应的照明灯具开启情况一致，但开启时间略有不同，即夏至比冬至的白天时间段推迟2 h、傍晚时间段推迟2 h、夜间时间段推迟1 h。据统计，按此照明灯具开启模式调整后，平均每月电费支出减少近4万元，占每月电费的2.5%，辖区隧道洞内交通事故率也有所降低。因此，考虑天气、时间因素影响后，公路隧道照明设置的合理性得以极大提高。

2 隧道照明调控应用与优化

基于以上研究结果，以规范标准[3]和上级主管部门要求为导向，结合隧道运行实际情况，分阶段逐步优化隧道照明控制，实现隧道照明控制精细化，目前采取以下措施优化照明控制[6-8]，供其他隧道提质升级后的照明调控参考使用，以减少不必要的照明费用，具有较好的经济效益和社会效益。

1)根据交通量对隧道中间段照明开启模式进行调整[9-11]。规范[3]规定了根据设计车速和交通量共同决定中间段的亮度值，但对中间段灯具的开启情况未作规定。基于上述研究成果，结合隧道实际运行情况，以1 h车流量为划分标准，对隧道中间段照明开启模式进行调整，对于管辖范围内的隧道照明主要划分为“应急照明+基本照明1+基本照明2”、“应急照明+基本照明1”2种模式。

2)根据洞外环境进一步细化入口段、过渡段、出口段照明控制模式。根据不同季节、每天不同时段以及天气变化等影响洞外亮度因素，细化为不同的照明灯具开启模式。夏天适当延长照明模式全开时间，冬天则适当缩短全开时间，对白天的阴雨天气，洞外照度低于200 cd/m2时，仅开启1组加强。同时，将照明模式预先添加进隧道管理软件，由软件自动执行，以减轻人工负担。

3)出现特殊事件时，根据事件类别，调节隧道照明模式。若隧道出现严重病害、交通事故等异常情况，采用占道施工或单道双通交通组织形式时，根据对照明亮度的不同需求制定不同的照明模式。

4)各路段开启照明灯具模式

(1)白天路段1 h车道流量大于350 veh/(h·ln)季节时序开启模式(万云路、万开路)，具体情况见表4。

表4 各时间段灯具开启情况

(2)全天路段1 h车道流量小于350 veh/(h·ln)季节时序开启模式(云奉路、奉巫路、奉溪路)，具体情况见表5。

表5 各路段灯具开启情况

(3)黎明、白天、傍晚天气调节开启模式，具体情况见表6。

表6 各天气灯具开启情况

(4)特殊情况调节开启模式，具体情况见表7。

表7 特殊情况灯具开启情况

通过上述照明控制模式，隧道基本段照明亮度可保持在设计的最低值3.5 cd/m2以上，全年预计可节约用电4.92×106kW·h，节约电费700万元，按照每度电0.272 kg碳计算，全年可减少碳排放 1.34×106kg。

3 隧道照明管控成果的进一步优化措施

3.1 参照外部光照强度实现洞内照明智能控制

隧道中央控制管理系统可自动对隧道信息子系统采集的交通、环境等相关参数进行判读、分析后，选择合理的控制措施[12]。通过安置在隧道洞外的环境采集传感器(如天气、车流量、车速等)实时传输至控制主机并上传中心，按照预先制定的照明方案分级分段控制、调节隧道照明，可节能30%～50%；对隧道内高清摄像机所采集的图像进行数字化处理后，采用数学模型运算可对局部路段(如交通事故等)进行定位并对局部区域调整亮度，配合交通诱导和车道控制进行灯光引导。通过有计划、有制度的亮灯方案，既能有效解决隧道常见的白洞和黑洞效应，又能有效节约电能，同时通过灯具轮休，还能有效延长灯具使用寿命。

3.2 人机协作实现一隧道一照明

东北营运公司管辖路段长，隧道数量多，隧道之间存在差异性(比如隧道所处天气不同、朝向不同、车流量不同、灯具布置不同等)，目前靠季节和时间来确定开关方式，仍可能存在资源浪费或照度不够现象，公司后续将对所辖隧道逐一制定照明模式，同时加强人机和系统的协作[13-15]依靠路段上巡查的路巡和隧道值守保安，掌控现场气象情况，并根据洞外亮度，对隧道照明进行实时更新调整。

3.3 采用主动光源道钉和轮廓标

JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》第9.3.5条中规定：长度小于500 m且设置自发光诱导设施和定向反光轮廓标的高速公路隧道夜间可全部关闭灯具。针对管辖内的短隧道，采用具有主动光源的道钉和轮廓标，既可提升驾驶人员视觉上的感受，又能有效减少短隧道照明耗能。

3.4 改造隧道墙面

在隧道出入口之间的内侧墙壁涂设蓄能反光层，在不增加照明功率及照明灯具的前提下能够有效补充隧道内的照明亮度[16]，从而有效降低整个隧道照明系统的能耗，并能设立良好的视觉参考系，丰富隧道内的视觉环境，有效缓解驾驶疲劳。

4 结束语

隧道照明作为路段最大的耗能设施，在为运营企业减少电费支出方面最可见客观成效。本文从路段环境、车流量、运行状况和控制方式4个方面对隧道照明开启的管理方式进行了全方位的分析，并根据季节、时间段、天气、路段车流量和紧急特殊情况等因素，对隧道照明管控方式进行了优化，实现了隧道的节能照明。虽然我国在公路隧道节能照明技术方面有很大进步，但隧道照明控制暂无明确开关控制意见，仅能通过现场照度测量、设计指导意见、路段畅通率和隧道事故率等指标用以佐证研究结果。在以后的实践过程中，将根据试验情况，进一步完善管理方案，并在保障隧道安全舒适的行车环境下，最大限度地实现隧道运行管理的降本增效，以期达到安全通行与节能减排、企业增收节支的双赢。