高速公路隧道照明智能调光系统的应用再探讨

蓝福东

(福建省高速公路集团有限公司 龙岩管理分公司，福建 龙岩 364000)

0 前言

在高速公路建设中，隧道照明需耗费庞大的资金，对于运营单位而言，需承受较大的经济压力。随着节能减排理念的提出，加上为了提升企业的经济效益，减少隧道照明的费用便成了企业的重要目标。在以往的隧道照明中，钠灯为首要的选择，但资源损耗较大，系统的启动速度还需优化，且难以达到智能化的标准。而随着LED灯及智能调光系统的应用，改善了隧道照明的现状，经济环保、低能耗，发展前景广阔。但在智能调光系统的应用后，也发现其有一定的不足，还需改进优化，使智能调光系统更加先进、完善，以实现节能减排的目标。

1 智能调光系统的应用背景

在社会经济迅猛发展下，高速公路建设也在如火如荼地进行，而隧道的数量也在不断增多，其所产生的运营费用便成了一项重要的问题。在隧道运营成本中，隧道照明的占比最大，其所耗费的资金超过5成，这也体现了改善隧道照明现状的重要性。在以往的隧道照明设计中，灯具的安装数量及功率按隧道最大亮度需求值进行设计，运营中，无法达到按隧道外亮度及车流量变化进行智能化控制的要求，管理人员根据以往的工作经验设置开关灯的时序及开关灯的数量，为了进一步提高隧道通行的安全性，一般按照多开灯的原则进行，虽能够保证汽车在隧道内安全通行亮度要求，但对电能的损耗极大，也造成了能源浪费，这也使得隧道的照明成本急剧增加，与节能减排的理念不符。在节能减排的理念提出后，减少隧道的照明成本便成了一项重要的问题，而LED灯投入市场后，对隧道照明的高损耗难题带来了解决方案，其最显著的特点便是可调控，并利用智能调光系统，准确的掌控高速公路沿线隧道的各个时段、各个区域的环境变化，尤其是隧道内外的亮度差异，从而进行对LED灯的调控，以达到按需照明的目标，减少对电能的损耗，提高灯具的利用效率。

2 智能调光系统的特点

2.1 经济性

就高速公路的隧道照明而言，虽然看似简单，只需要安装照明灯即可，但其投入大，结构复杂[1]。就投入而言，无论是照明灯、电缆，还是消耗的电能以及后期的维修等，等需要花费大量的资金，这些花费集中在一起，是一笔不小的数目。就其结构而言，需要进行系统的设计，还需配备配电箱、应急电源等，所连接的单元较多，结构相对复杂。在以往的钠灯系统照明中，虽其光效较好，但资金投入较大，能源损耗多，后续的维修也是不小的花费，与节能减排的理念不符。而在LED灯的智能调光系统中，LED灯本就属于节能减排产品，与钠灯相比，同等的亮度下，耗电量更小，且使用寿命更长，维护工作量少等优点。使用智能调光系统后隧道照明系统工作更加稳定，效率高，能够实现按需照明，由于对电能的消耗更少，使得运营成本大大降低，这便体现了智能调光系统的经济性。

2.2 更加智能

智能调光系统相对于钠灯分级调光系统而言，具有显著的差异，其中一个重要的点便是智能调光系统更加智能，这是钠灯分级调光系统无法比拟的。在智能调光系统中，其能够感应外部环境的变化，通过检测外部亮度变化适时调节隧道内照明回路灯具功率，从而对隧道内亮度进行控制，减少无效能耗，实现“按需照明”。由于其具备亮度检测器，时刻感知隧道洞口外亮度变化，然后通过系统的智能调节，以优化内部亮度，使得车辆进入隧道后增强驾驶舒适性，不会因为隧道内外亮度的差异大及亮度的均匀性差而感到不适或者影响视觉，有效降低了隧道内安全事故的风险，对隧道通行安全也具有重要的意义。另外，使用智能调光系统，减轻LED灯的光衰，LED灯的使用寿命可显著增加，从而减少灯具日常维护工作量。

3 智能调光系统的调光原理

在智能调光系统中，通过亮度检测器感知隧道内外亮度的变化，其采集频率为1次/min，亮度传感器输出信号为4～20 mA模拟量信号，通过模拟量/以太网转换器及以太网光端机等设备接入监控网络，达到对隧道内外亮度的监控，智能调光系统智能软件将获得的亮度数据进行处理。其在对亮度数据进行处理分析时，主要依赖以下两项公式：

Lin=0.035*Ls20*0.014

L=0.027*x+0.43

其中Lin、Ls20、L、x，分别为基本段亮度、洞外亮度、照明亮度、输出百分比。亮度数据需结合光衰偏移量进行计算比较，确定输出百分比的数值。

4 智能调光系统的优化

4.1 优化基本段照明控制

智能调光系统通过检测隧道外车辆的通行数据，并将数据进行分析整理，可以了解每天各个时段的车辆流量以及各个季节的车辆通行变化，评估车辆流量最多的时段以及车辆流量最少的时段，计算出车辆流量的峰值。

智能调光系统通过采集的通行数据，若发现某时段的车辆流量极大，可将调光信号调整至95%以下，75%及以上，使得密集的车辆能够在隧道内安全的通行，保证光效的合理；若发现此时段的车辆流量处于一般水平，则只要将调光信号调整至75%以下，55%及以上，由于此时段车辆流量只是一般水平，则不需要较高的调光信号，在保证车辆安全通行的同时，以减少对电能的损耗；若发现此时段的车辆流量较小，甚至仅仅只有零星的车辆在隧道通行，则可以将调光信号调至55%以下，35%及以上；若某一时段内车辆流量为零，则可以将调光信号调整至最低的数值，一般设置为15%左右，使灯具处于低功耗的状态，以减少对电能的损耗。

智能调光系统应根据隧道通行模式，比如单向交通或双向交通等模式，设置隧道内有车辆通行时最底亮度要求值。

值得一提的是，由于夜晚隧道外的亮度极低，为了让司机更加适应隧道内外的环境变化，避免隧道内强光刺眼的现象，也需要使LED灯维持在较低功率的工作状态，通常情况下，只需要保持最高功率的15%～20%即可，一方面能够让司乘人员更好地适应隧道内外的亮度差异，另一方面极大地降低了对电能的损耗，而且能够延长灯具的使用寿命。

4.2 优化隧道的出入口照明控制

在智能调光系统中，不仅需要考虑各个时段的车流量，还需要考虑白天与夜晚对隧道内环境的影响，以及隧道所在区域天气的变化，如在阴雨天、乌云密布的时候，应该对隧道内灯光亮度进行降档调控，降低能耗；在强日照天气或阳光照射隧道洞口时，应提升隧道出入口亮度，消除车辆进出隧道时的“黑洞”或“白洞”效应，确保通行安全。

在以往的通过PLC进行的时序控制，只能根据经验进行简单的晴天或雨天模式设置开关灯时间，在天气变化时，无法适时采取降档照明或提升照明措施，造成能源浪费或隧道出入口亮度不够现象。

智能调光系统需要采集实时隧道洞外亮度数据和滑动窗口平均值亮度数据。滑动窗口平均值处理，使亮度变化更加平缓，也更适合用于灯具控制。在有云或无云天气，洞外亮度的变化较大，所以滑动窗口初始值可以设为10分钟，是可调节的参数，需要根据现场测试情况，调节出合适值。智能调光系统在强日照天气或阳光照射隧道洞口时，以消除黑洞”或“白洞”效应为优先，确保通行安全，判断亮度值处于强光等级范围内时，出入口照明回路全开，LED灯保持100%的功率工作。

5 隧道LED照明智能调光系统的应用后的节能率

隧道照明智能调光系统在高速公路芦芝隧道进行了测试，在测量时间内智能调光系统应用后的能源消耗及采用时序控制的能源消耗进行对比分析，智能调光系统应用后，节能率达20%左右[2]。

节能率(%)=(时序控制用电量-智能调光用电量)/时序控制用电量*100%，

芦芝隧道出入口段加强灯还使用了部分高压钠灯，该部分功率合计为56.8kW，如使用LED灯进行替换，加强灯合计功率可以降低到30kW，节能率预计可以达到30%。

6 结语

在高速公路建设中，隧道照明的优化是一项重要的课题，不仅要保证对能源的损耗降到最低，也需要保证隧道内车辆通行的安全。而随着智能调光系统的应用，解决了以往隧道照明的问题，与节能减排的理念相符。但在以后的发展中，还需要不断的优化智能调光系统，使其更加标准、先进，以提高经济效益。