智能型公路隧道照明节能控制技术探析

何奇飞

贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550000

0 引言

据相关报道，截至2018年底，我国公路里程达4 846 500 km，其中公路隧道里程达17 236 km，数量达17 738处，且在不断增加[1]。由此可见，我国公路隧道正处于快速发展的阶段，路网逐渐完善、公路隧道数量不断增多的同时，运行消耗也随之增加，隧道照明便是其中一项重要的运营开销。据调查统计，高速公路电费支出占总支出的80%，而高速公路隧道照明用电电费支出占总电费的80%[2]。因此，在公路隧道建设和运营中，照明用电损耗是影响运营成本的重要因素。为保证公路隧道长远发展，需要设计和采用智能照明调光控制系统，节省隧道照明成本。但实际上，照明是公路隧道不可忽视的一部分，而如何在维持公路运载能力和交通安全的基础上做到照明节能，是一个值得深究和思考的问题。为此，在确保公路隧道行车安全的条件下，公路运营公司需重视智能型照明节能控制系统的设计，更好地节省照明能源消耗和运行成本，促进公路隧道的长远发展。

1 公路隧道照明的问题

由于隧道的结构特殊，当驾驶员从外部环境进入隧道时，会出现适应滞后现象，光线亮度的交替变化导致驾驶员看到的隧道像一个“黑洞”，出现“黑洞现象”。在隧道出口处，阳光照射使隧道外亮度高于隧道内亮度，而驾驶员在隧道内的行驶过程中处于低亮度的洞内光环境，当行驶到洞口时，亮度发生突变，视觉上容易出现强烈的眩光，驾驶员只能看到障碍物剪影，无法看清具体路况和车距，即“白洞现象”[3]。驾驶员在隧道的“黑洞”与“白洞”效应的视觉适应过程中，增加了隧道运营通行的安全隐患。因此，隧道不仅晚间需要照明，而且为了行车安全，白天同样需要照明，这使得隧道照明消耗大量的电能。随着隧道数量与里程的不断增多，隧道照明的电能消耗也在逐年攀升。

2 公路隧道照明系统的特点

目前，我国《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）要求公路隧道照明分档控制，需要根据当日天气确定隧道内灯具开关数量，同时隧道内灯具都是人工手动开关[4]。长度大于200 m的公路隧道、长度大于1 000 m的二级隧道和一级隧道都需要设置照明系统，以提供高效、安全、舒适的视觉环境，确保隧道交通正常运行。公路隧道的位置隐蔽，多建于山间，隧道中通常一片漆黑，需要全天候开设照明设备，以确保车辆出行安全，同时为了避免“黑洞现象”和“白洞现象”，隧道白天照明比夜间照明更复杂。公路隧道照明系统具体特点如下。

2.1 分段式区间照明

为了让车辆驾驶人员在公路隧道中能拥有良好的视觉感受，隧道内的照明系统被分为入口段、过渡段、中间段和出口段多个区段，而且每个区段照明的路面亮度要求也有所不同，隧道各段落照明亮度需求标准如表1所示。

表1 隧道各段落照明亮度需求标准

2.2 洞口区段加强照明

为确保驾驶员在进入隧道和驶出隧道时视觉清晰，提高其视觉舒适度，也减轻驾驶员心理恐惧感，隧道洞口区段需要根据白天户外环境亮度变化情况设置入口段、过渡段和出口段照明，逐渐增强照明亮度，使隧道内亮度与户外自然光亮度产生理想的过渡与衔接。

2.3 全区段应急照明

建筑建设中都会设置应急照明，公路隧道也不例外，应急照明可以预防隧道内意外断电而引发交通事故，其也作为基本照明的一部分，通常保持照明状态，维持隧道安全运营。

3 公路隧道照明节能控制的意义

公路隧道照明与普通公路照明不同，公路隧道大多穿山而建，山间隧道可见度较低，因而通常需要密集、高强度的照明系统，保证驾驶人员能清晰看清路段，确保行车的安全性。但长此以往，公路隧道照明成本会不断增加，同时增加公路隧道运行成本，也阻碍公路建设的长远发展。故而，公路隧道照明节能控制对高速公路建设具有重要意义。同时我国也提出了节能减排的发展战略，而公路隧道应用智能型照明节能控制技术符合国家发展的要求与趋势，有利于实现环境保护、资源节约的目标，可以体现公路隧道照明节能控制在当今的重要意义。

4 公路隧道照明节能控制技术

近年来，国内外对公路隧道照明节能控制技术进行了深入研究，从视觉需求、互联网技术方面入手设计照明节能控制系统，实现按需照明的目标，也能实时监测隧道照明情况，最终达到隧道安全运营和节约资源的效果。

4.1 PLC电力载波控制技术

PLC技术不仅突破了传统继电接触控制技术的局限性，还提高了控制可靠性、灵活性、便捷性，能减少耗能情况，同时根据电气维修人员实际操作能力与习惯，采用微机处理器设计基础简单指令，将编程变得简易、生动形象[5]。

在隧道车辆行驶方向的右侧壁洞内安装PLC控制器，连接光强检测仪AI接口，并将照明控制电路与PLC功率输出模板相连接，可以自动收集隧道检测设备检测的信息。当PLC控制器收到控制指令后，会向下端发布执行指令，进而起到控制照明的作用。

将PLC控制器应用于公路隧道照明节能控制中，以电力线路为传输通道，可通过载波的方式将模拟信号或者数字信号进行高速传输，且整个系统无路由级数的限制，无须布线、施工方便、价格低廉、延伸方便，具有通道可靠性高、路由合理、可同时复用远动信号等优点。但是，由于变压器对通信信号有阻隔作用，导致传输距离只有数公里。

4.2 DALI数字控制方式

DALI数字控制方式下系统主要由控制软件、控制主机、控制器、接收器构成。控制主机安装于变电所照明配电柜，控制器安装于隧道现场照明配电箱内，接收器安装于LED隧道灯具上，接入隧道以太环网与照明调光控软件通信。控制器与控制软件通信接口应采用开放接口，支持开放式协议，具备自动搜索并分配灯具地址功能，支持广播全体调光、分组调光、单灯调光。

控制器与接收器之间通信接口应符合DALI隧道数字可寻址照明接口标准，DALI隧道数字可寻址照明控制器应具有2～4条DALI总线，总计支持l28～256盏灯具；接收器与灯具之间调光接口采用PWM接口，接收器输出的调光信号为PWM调光信号，接收器与控制器通信中断时，接收器控制LED隧道灯进入全亮状态。

4.3 RS485总线调光技术

RS485总线调光技术以灯具亮度调节控制为主，依托RS485总线实现系统通信，采用Modbus通行协议的传输照明控制信号+隧道以太网的方式进行调光控制，通过控制器调节受控灯源亮度与开关。系统的洞外亮度监测装置将检测到的隧道洞外亮度信号转换为4～20 mA标准信号传送至LED亮度控制装置上，RS485通信的集中控制器接收监控中心灯具照明智能管理系统平台的指令后，将接收信息转为DC 0～10 V的直流模拟信号输出，与灯具通信控制LED灯上的电压、电流，引起LED输出功率和输出光通量发生变化，从而达到与所连接的LED灯具分区域亮度调光控制目的。采用RS485技术与单灯控制器、电源模板进行通信，可以实现无级调光，并应用于隧道内部、洞口的照度传感器、车流量检测器，有助于根据车流量和隧道外亮度控制隧道照明。RS485总线调光系统结构如图1所示。

图1 RS485总线调光系统结构图

4.4 Wi-Fi无线调光技术

Wi-Fi无线调光主要将无线信号作为传输媒介，通过借助无级调光方式，将Wi-Fi调光光纤收发器连接公路隧道、洞口光照亮度感应器和交通量检测传感器，在电源线上建立Wi-Fi基站，实现与LED控制器、电源模块的无线通信，进而可以根据隧道交通量和隧道内外亮度智能调节照明，同时能监测灯具的电流、电压等参数，实时远程报警灯具故障[6]。Wi-Fi无线可以根据需求拓展，能在任意位置上补充节电灯具，故具有带载能力好、驱动能力强的特点，即使在隧道封闭空间也能抵抗干扰，维持正常工作运行。

4.5 隧道“按需照明”控制技术

隧道“按需照明”控制技术能在无极调光控制系统的基础上，根据天气变化、短时交通量变化等，通过洞内外亮度检测器和毫米波雷达或者车辆检测器等，对隧道内车辆进行实时检测与跟踪，运用跟随算法及边缘计算技术，实现LED照明灯具开光和亮度的实时控制，达到“车来灯亮，车走灯暗、灯随车走”的“按需照明”效果。该技术对于车流量小、长度越长的隧道，所达到的节能效果更明显。

系统可具备科学智能调光、能耗监测等功能，在实现智能调光控制的同时，可以通过不定时上报数据实现对灯具的巡检，节省运营成本，有效避免LED隧道照明灯长期处于全开状况。但是目前照明设计规范对洞外亮度和交通量调光具有一个低限指标要求，现提出的控制理论对规范的交通量的低限指标略有突破。当下对于采用短时交通流预测控制的“按需照明”系统仍停留在理论与课题上，期望未来有相关的文件和标准来指导设计和实践。

5 结束语

随着工业自动化技术的发展，公路隧道照明节能控制技术也丰富多样。目前隧道照明节能控制技术大多从可调光型灯具出发，基于隧道外光照强度、交通流量等信息，对信息进行读取分析后，控制器以不同的通信技术来实现隧道内实时的调光控制策略，在保证隧道安全运营的情况下，能减少驾驶人员视觉上的不适，避免因光照亮度差异化而造成交通事故，同时一定程度上实现隧道照明节能目标，进而减少隧道照明能源损耗和运营维护管理工作量。

公路隧道照明节能控制技术的选择应结合实际需求、运营规模和所处环境等因素综合考虑。在传统的隧道照明设计中，无论隧道中是否有车辆行驶，隧道中的照明灯具

都会持续运行，这导致隧道照明能耗被大量浪费。随着工业自动化的快速发展，未来基于隧道内车辆识别、位置追踪定位技术的结合，根据隧道内交通量、洞内外亮度环境、车辆行驶速度、天气条件等以大数据分析新理念来计算隧道照明需求，进而调整隧道照明实时调光控制策略，在隧道照明总体控制系统等方面实现科学化、经济化、人性化的照明节能控制也是隧道照明的发展趋势。