隧道LED照明智能控制节能效果分析

高 建 山

(山西省交通信息通信有限公司，山西 太原 030006)

为了保证行车安全，隧道内部必须有足够的亮度。隧道照明需要耗费大量的电能，为了节约能源，近年来隧道照明选用高亮度低能耗的LED灯具。以往隧道照明控制采用人工控制模式，能耗较高。随着技术的进步，智能控制模式被应用到隧道照明控制中，可有效节约电能消耗，节能效果好。

1 工程概况

贵州省都匀至安顺公路第DAJD-1合同段，设计起讫点桩号为DYK0+053.255～DYK39+090，本合同段共有隧道8 座，其中短隧道2座、中隧道6座，1 000 m以上的隧道2座，隧道内设计车速为80 km/h。为了保证隧道内部照明亮度，通过计算确定隧道引入段、过渡段、中间段、出口段照明灯具的类型、功率和数量。隧道LED照明灯具选用大品牌大功率白光产品，发光效率不低于105 lm/W。LED的色温范围应控制在5 000K±500，使用50 000 h光通量衰减不得超过30%。LED灯具辐射小，质量好，单只灯具损坏不会影响其他灯具照明。与其他灯具相比，LED照明亮度大、功率低，为了节约能源，提高运营管理经济效益，采用智能控制对隧道照明进行控制。

2 隧道照明设计方案

在保证行车安全和舒适性的前提下，根据JTG/T D70/2—01—2014公路隧道照明设计细则和技术标准，根据隧道的位置、地形、地貌等因素，开展隧道照明设计。以牛角寨隧道为例，在对交通量开展预测的前提下，牛角寨隧道内大功率LED灯具设计数量如下：变色温120 W LED灯具124套、变色温60 W LED灯具216套、30 W LED灯具566套，横洞及停车带用30 W LED灯具61套。诱导灯采用双面发光带6个LED灯，共317套，布置断面如图1所示。为了在隧道运营后节约用电，提高隧道运营效率，隧道照明管理采用智能控制系统。

3 隧道照明智能控制模式简介

智能控制可以根据隧道内部的亮度值对隧道照明亮度进行实时调整，LED等级照明亮度不会长时间保持在某一等级，进一步节约能源。尤其在夜间交流量突然增加的情况下，可有效保证行车安全。以往采用的高压钠灯亮度调节难度比较大，可调范围也比较小。如果采用自动控制需要将照明分级，对灯具进行排列组合，通过灯具的组合确定开关数量实现自动控制。然而，高压钠灯启动时间长，频繁开关也会缩短其使用寿命，所以通常几个小时才能调节一次。因此，这种控制模式并不能达到真正的实时控制。

以往的照明自动控制仅考虑了隧道内照明亮度，主要是通过分析隧道内部和外部的亮度检测值，调节隧道内部的照明亮度，使驾驶员能够尽快适应隧道内部和外部亮度变化，保证行车安全，但没有考虑交通量、车速等因素的影响。

照度和亮度是隧道照明计算的两个重要指标，但隧道内路面和障碍物的亮度是影响行车安全的关键。为了提高行车安全，在充分考虑隧道内照明亮度、照度、交通量、车速等因素的情况下，采用智能控制系统对隧道照明进行管理，智能控制流程如图2所示。

将隧道内交通量、车速、隧道外部亮度等变量输入控制系统，隧道外部亮度通过洞口的数码相机采集，交通量和车速通过环形线圈检测器采集。通过既定控制策略算法计算确定隧道内各路段的亮度值，通过智能控制系统实现各路段LED灯具照明的智能无级控制。智能控制系统可以根据隧道的交通情况和洞口天空亮度随时间的变化情况，确定各参数的更新时间间隔。如果隧道内部交通量变化较大，更新时间间隔就小，以满足不同交通流的照明要求。如果隧道洞口处的天空亮度随时间变化率较大，更新时间间隔可适当增大。隧道照明智能控制可以对隧道内部LED照明灯具亮度进行实时调节，节约能源，保证隧道安全、快速、经济运行。

4 智能控制节能效果分析

4.1 隧道外部亮度测试

隧道外部亮度测试可采用人工收集、在隧道洞外布置摄像机进行收集，用于与其他隧道照明控制模式进行对比分析，隧道外部平均照度测试结果见表1。本试验采用亮度采集器对隧道外部环境亮度进行测试，测试频率为每分钟检测一次，计算确定每小时的平均照度。由于夜间隧道外部照度为0，所以本次试验检测时间段为6点～18点的白天。本次试验光照度单位为lux，本地试验时间为9月，6点～7点和17点～18点照度相对较低，中午照度较高。

表1 隧道外部平均照度测试结果 lux

4.2 隧道车流信息测试

文章以牛角寨隧道为研究对象，模拟分析确定车流量和行车速度，统计各时间段车流信息如表2所示。

表2 各时间段车流信息统计表

分析表1,表2试验数据，隧道外部最大照度11 826 lux，出现在下午13点～14点，隧道内最大车流量出现在10点～11点，为987 veh/h，最大车速为80 km/h。白天车流量较大，夜间相对较少，车速相差不大。

4.3 智能控制节能分析

本试验亮度采集器布置在距LED灯具3 m左右的位置，白天隧道内部按照《细则》中亮度曲线进行照明，夜间按中间段亮度进行照明，记录数据作为节能分析的依据。车速按80 km/h，车流量按照实测值对应国家标准的最大值确定。智能控制模式通过对隧道外亮度、车流信息进行分析计算，确定调光信息，调节隧道内部LED灯具的亮度。模拟隧道人工控制和自动控制数据，将智能控制模式的电能消耗与其他两种模式进行对比分析，三种隧道照明控制模式电能消耗随时间变化曲线如图3所示。

分析图3所示三种隧道照明控制模式电能消耗各时段变化曲线，人工控制模式电能消耗最高，其中早6点～晚18点这个时间段电能消耗最高。自动控制模式和智能控制模式相比，智能控制模式电能消耗相对较低，节能效果良好。人工控制模式一天的电能消耗为48.753 kW·h，自动控制模式为24.610 kW·h，智能控制模式为17.968 kW·h，说明智能控制模式可有效节约电能，节能效果明显。

5 结语

结合都匀至安顺公路牛角寨隧道LED照明设计与施工实践，对隧道外部亮度、车流信息进行测试，对比进行节能效果分析，得出以下结论：

1)隧道白天车流量大，隧道内部照明电能消耗也较大，夜间车流量小，电能消耗也较少；

2)与隧道照明人工控制模式和自动控制模式相比，人工控制模式一天电能消耗最高，智能控制模式电能消耗最低，说明该模式可有效减少电能消耗，节能效果明显。