隧道照明调光系统设计与应用

安仁军

上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235

0 引言

近年来，随着人们交通出行需求的逐渐增加以及国家对基础设施建设投资的不断加大，我国的隧道建设的规模不断扩大。同时，已建成运营隧道的能耗问题在节能减排的大背景下日益突出，隧道照明电费及灯具的维护费用作为隧道运营中的最大开支，已成为隧道运营管理单位的沉重负担[1]。随着LED隧道灯的大量应用，隧道照明调光系统成为建设节能型、智慧型隧道的一种重要手段。

1 隧道照明分类

隧道照明主要由洞口减光设施、入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明、应急照明及洞外引道照明组成[2]，具体如图1所示。

图1 隧道照明区段划分

洞口减光设施：为减少洞口天空面积百分比而设置的人工减光构筑物，一般形式为减光格栅、遮阳棚、遮光板等。

入口段照明：为使驾驶员白天由高亮度环境驶入隧道能更快地适应隧道内的低亮度环境而设置的人工照明区段。

过渡段照明：由于入口段亮度与中间段亮度有较大的差异，确保驾驶员能更舒适地适应中间段亮度，在中间段与入口段之间设置过渡段照明。

中间段照明：沿隧道通长设置，为驾驶员提供行车所需基本照明条件而设置的照明区段。

出口段照明：与入口段相反，驾驶员需要适应从洞内低亮度向洞外高亮度过渡，从而设置出口段照明。

应急照明：因正常照明电源失效而启用的照明，供人员疏散、保障安全的照明。

洞外引道照明：设置在隧道敞开段以保障车辆夜间驶入、驶出隧道的照明段。

2 隧道照明调光

根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）（以下简称《细则》）规定，在隧道运营过程中加强照明和基本照明均需进行调光控制。其中，为了使驾驶员更快适应白天驶入、驶出隧道时洞内外不同亮度环境而设置的加强照明，需根据洞外亮度来调整洞内加强照明灯具的光输出，使驾驶员安全、快速地适应洞内比较暗的光环境，还可根据车流量、运营时间、运营管理方案等来调整中间段照明灯具光输出。

传统的隧道照明调光控制主要通过开断一次供电回路来调整路面亮度。这种调光方式为了达到较好的调光效果，需将单侧隧道照明灯具分为2～3个供电回路。在工程建设期需要增加电力电缆及相关一、二次开关设备的投入，而且会在路面产生明暗相间的条纹（斑马效应），影响驾驶员视觉舒适度，从而危及行车安全。在后期运营中这种调光系统模式固定、可操作性差、维护困难，已逐渐被淘汰[3]。

LED隧道灯以其长寿命、高光效、方向性好、易于调光等优点，已经在隧道照明中得到广泛应用，基于LED隧道灯的隧道照明调光系统也随之被广泛使用。LED隧道照明调光系统按照控制模式可分单灯控制和回路控制；按照控制信号传输方式可分为有线控制和无线控制；按照灯具调光实现方式可分为数字调光和模拟调光[4]。各种隧道照明调光系统对比如表1所示。

表1 LED隧道照明调光系统对比

3 工程应用实例

已建成通车的海口文明东隧道、苏州春申湖西路隧道以及在建的杭州江南大道隧道均采用基于RS485总线的隧道照明调光系统，调光系统整体架构如图2所示。

图2 隧道照明调光系统架构图

基于RS485总线的隧道照明调光系统主要由监控中心服务器、数据传输通道、隧道照明调光控制器、LED隧道照明灯具组成，其中LED隧道照明灯具由单灯控制器、驱动电源、光源及灯具外壳组成。以海口文明东隧道为例，在隧道监控中心设置隧道照明调光系统工作站及服务器，在隧道东、西变电所内设置照明控制柜，控制柜内设置若干调光控制器，通过RS485调光总线对供电范围内的照明灯具进行调光控制，调光控制器与监控中心服务器通过光纤环网通信。

调光控制系统可根据运营需求、车流量、洞内外亮度值、时间等因素对基本照明和加强照明进行无极调光控制，也可根据运营需求、时间等其他预设模式对加强照明、引道照明、遮光棚照明、景观照明等一次回路进行开关控制。此外，调光控制系统可自动巡检每盏灯具的工作状态和故障状态，具有记忆功能和故障信息保存功能，可将每一盏LED隧道灯的状态信息上传至隧道监控中心，为隧道运营养护及决策分析提供参考数据。

通过分析以上几条隧道照明调光系统的设计与应用可知，基于RS485总线的LED隧道照明调光系统主要有以下优点：

（1）构成简单，便于操作和维护；

（2）能够以手动、自动、遥控等多种方式执行命令，可根据时间、亮度设定的多种模式进行调试和控制，时间控制和亮度控制的参数配置可由管理员重新设定；

（3）可对每盏灯具的工作状态和故障状态进行巡检，具有记忆功能和故障信息保存功能，当出现断电恢复时，灯具能自动恢复断电前的状态；

（4）可靠性高，任意一盏灯具损坏不影响同一回路上其他灯具的调光，也不影响其他路RS485总线信号输出；

（5）RS485总线信号驱动能力强，带载能力好，通信距离可达1 000 m以上，并且支持扩展[5]；

（6）通用的RS485通信接口，采用Modbus通信协议，具有较强的抗干扰性和兼容性，可与隧道综合监控系统深度整合。

4 节能效果分析

海口文明东越江通道项目全长4 380 m，其中隧道段长2 720 m，共设2对匝道。隧道按城市主干路标准建设，主线隧道设计时速为60 km/h，隧道照明总负荷容量为295.3 kW，其中，加强照明为45.1 kW，基本照明为70.2 kW，其余照明负荷为180 kW（含景观照明、设备房照明等）。由于景观照明、设备房照明均不参与调光控制，故在此不作分析比较。结合通车前现场实测数据，隧道照明亮（照）度实测值与规范值对比如表2所示。

表2 隧道照明亮（照）度实测值与规范值对比表

根据《细则》规定，在隧道照明设计阶段养护系数取0.65，由于在隧道开通初期灯具表面相对洁净，LED隧道灯尚未进入光衰期，由表2可知，运营初期路面亮度远高于规范要求值。通过隧道照明调光系统配合各照明区段的亮度仪，将各照明区段的实际亮度值调至略高于规范要求值水平，在运营初期通过隧道照明调光系统可减少电费支出约310 000元/年，再配合洞内外亮度仪、车流量数据对加强照明和基本照明进行无极调光控制，实现按需照明，节能效果将更加显著。

5 结束语

采用隧道照明调光系统可有效降低隧道照明运营能耗，基于RS485总线的LED隧道照明调光系统功能丰富，具有较好的稳定性及兼容性，在单灯控制方面相比其他几种调光方案具有一定的优势。在全力建设智慧城市、智慧交通的背景下，隧道照明设备的物联感知，网络通信，数据融合、处理，服务和应用方面仍有很大的进步空间，相关人员需要从如何获取数据向如何用好数据转变，探索建设节能型、集运营养护于一体的智慧隧道照明系统。