隧道跟随式照明智能调光系统在高速公路的应用

陈学文 江凡 王育忠 李莺

（1.广东云茂高速公路有限公司，广东 广州 525300；2.广州博路电子科技有限公司，广东 广州 510430）

随着我国高速公路建设事业的快速发展，现役高速公路隧道的数量剧增，如图1所示。隧道作为公路的特殊构造物，为了保障隧道内行车安全，隧道照明是安全行车必不可少的安全保障。隧道照明是隧道能源消耗的主要组成部分，相应的照明电费支出是高速公路运营单位电费支出的主要部分。

图1 2010 年～2020 年我国隧道长度及数量统计

2019年交通运输部《关于印发促进公路隧道提质升级行动方案的通知》《公路隧道提质升级行动技术指南》对隧道照明安全设施提出了升级提质的安全营运要求。如何在确保隧道安全营运的前提下，达到“绿色、发展、节约集约、低碳环保”的要求，是隧道照明调光控制技术不断优化发展的主要目标。

现有隧道照明大部分控制模式为24小时硬性开启状态，其隧道照明调光控制主要是根据洞外的亮度变化控制：加强照明段分为晴天、云天、阴天及重阴天（傍晚）四级调光，基本照明段分为白天和深夜二级调光。该调光控制方案下各段照明的亮度始终处于最大值，没有考虑车流量实时变化因素，导致在深夜低车流时段仍保持高亮度的照明输出，特别对于车流量较小路段的隧道照明存在较大的电能浪费。对此，有必要在保证安全行车的前提下，针对车流量等实时变化的因素，实施隧道照明智能调光，实现节能和降本增效。

隧道跟随式照明智能调光系统综合考虑隧道安全照明和节能需求，实时定位驶入隧道的车辆并判断其状态，根据获得的数据信息，调节隧道内照明强度，使现有隧道照明自动化、智能化和信息化。该系统是实现隧道运营安全与照明节能和谐统一的新技术，是推动智慧交通建设的有效举措，也是智慧交通的组成部分。高速公路隧道引入“照明智能调光系统”，将大幅降低电能消耗，获得节能减排、降本增效的成果。该系统在云茂高速6座隧道开展了实际应用，该分析系统可靠性、安全性和经济性，能为运营的高速公路隧道照明控制改造和新建高速公路隧道照明控制设计提供借鉴。

一、项目应用情况

云茂高速是广东省“十三五”规划的重要项目，地处广东省重要扶贫脱困的粤西偏远山区，主线全长约129.8公里，全线共设隧道8座，其中特长隧道1座、长隧道3座、中隧道2座、短隧道2座，单洞总长23.19公里。为响应国家节能降耗战略，实现“碳中和”目标，云茂高速选取在竹瓦岭隧道、黄楼隧道、南寨隧道、茶山岭隧道、新屋隧道、金林隧道共6条隧道安装，隧道跟随式照明智能调光系统。

（一）工作原理

隧道跟随式照明智能调光系统通过固定激光雷达车检器和移动激光雷达车辆检测器对车辆实时监测，提供有效数据，从而实时管理隧道照明，实施分段独立控制。

当隧道无车通行时，激光雷达车检器获得无车通行信号，系统通过与原有隧道照明系统控制器信号连接，控制隧道照明灯具，实施灯具调光，使照明亮度降低至低限水平；隧道内有车辆行驶时，激光雷达车检器获得有车通行信号，隧道照明亮度降至原有照明的40%～20%；有车辆接近隧道入口及在洞内行驶过程中，沿隧洞纵向分布的不同激光雷达分别接收到有车信号，跟随式照明智能调光系统实现跟随车辆行驶轨迹分段调光，洞内亮度分段增加至设定的亮度范围，实现“车来灯亮、车过灯暗”，在保证交通安全的基础上，获得节能的最大化。

应急情况，如设备故障或隧道内车辆事故时，跟随式照明智能调光系统的现场应急控制系统启动，退出调光模式，照明系统的工作状态调整为灯具全开状态，保证行车安全。系统工作流程图如图2所示，系统工作原理图如图3所示。

图2 系统工作原理图

图3 调光系统原理图

（二）系统整体架构

隧道跟随式照明智能调光系统主要构成如图4所示。

1.洞外固定激光雷达车检器：检测车辆是否进入隧道。

2.洞内移动激光雷达车辆检测器：检测隧道内车辆状况。

3.数据采集及调光一体机：分析雷达车检器数据，实现命令传输及调光操作。

4.隧道实时状况监控软件平台：安装于监控中心，实现远程监视、预警、人工干预等。

（三）系统特点

隧道跟随式照明智能调光系统具有创新性、先进性和独特性。

1.隧道安全照明调光技术

目前，大部分隧道调光系统普遍存在硬性化、无效调光、调光响应不及时等现象，实际节能效率低。隧道跟随式照明智能调光系统是基于隧道自动化照明和运营安全为前提，定位驶入隧道的车辆并做状态判断，根据获得的数据信息调节隧道照明灯具亮度，在安全与照明节能的和谐统一基础上实现照明调节自动化、智能化。

隧道跟随式照明智能调光系统按照最大交通量和行驶速度对照明做出有级控制，主要包括当隧道无车通行时，系统在原可调光灯具的控制回路上，叠加一个调光电压去控制照明灯具亮度，使亮度降低至设定的低限水平；当隧道有车辆通行时，系统逐渐恢复亮度至原设定的亮度水平，实现“车来灯亮、车过灯暗”的智能控制，从而降低照明能耗。

发生车辆在隧道内故障、停留或拥堵等应急情况时，系统应急控制系统自动启动，控制照明系统的工作状态调整为灯具全开状态，保证行车安全，系统将在软件平台预警，提醒监控人员关注。但应急控制系统失效时，可通过人工干预的方式，在监控中心通过软件关闭调光功能，照明系统将恢复到原亮度状态。

2.车辆精准检测和定位技术

车辆检测和定位的精度，直接影响系统的节能效率，甚至影响交通安全，譬如将无车通行状态检测为有车通行，则会造成照明大功率投入，浪费电能；如将有车通行状态检测为无车通行，则将导致行车环境亮度不足。

隧道跟随式照明智能调光系统实时跟随车辆动态（移动激光雷达每秒扫描隧道内范围150度～200度），隧道全方位覆盖监测，可实时监测隧道内的车流量、故障车、停车等事件，准确性达99%；使用该系统可实现全自动化隧道照明运营，系统实时监测，可连接隧道监控系统，激光雷达有故障时通过软件平台实时预警。

3.分段调光控制技术

该技术将长隧道的灯光分段独立控制，通过软件算法结合雷达车检器数据，实现“来车灯亮，车离开自动降低灯光亮度”，有效节约能源。

二、项目实施效果

（一）系统运行情况

隧道跟随式照明智能调光系统于2021年6月投入使用，系统总体运行稳定，各项性能指标满足设计要求，达到预期要求。

（二）运行节能效果

该系统在云茂高速共6座隧道开展应用，为测试节能效果，通过开启/关闭系统统计同一隧道不同时期照明用电量节能效果，综合考虑隧道的长度和平均车流量，选取黄楼隧道作为测试隧道（左线995m，右线955m）。

测试方案：2021年7月5日～7月18日期间，任意选取4天（7月8日～7月11日）关闭系统，其余时间开启系统，采集隧道车流量和用电量，如表1所示。

如表1所示，当关闭系统时，隧道的耗电量与车流量并无关系，隧道用电量基本不变；当系统开启时，隧道的耗电量与车流量有关，车流量少耗电量也少；车流量与耗电量并不是简单的线性关系。黄楼隧道左线和右线的长度接近，安装的灯具和调光系统设备是一样的，关闭系统时左右线的耗电量相差不大，综合对比，以车流量为主要考量。

表1 关闭系统时车流量和用电量

如表2、表3所示，系统节能效率与车流量有关。当车流量3000辆/日左右的时候，工作日期间节能效率30%～37%；当车流量3150辆/日左右的时候，工作日期间节能效率30%～25%。故以3000辆为基数时，通过线性预测，每当车流量增加5%，节能率下降5%。

表2 车流量和用电量关系（车流量约3000 辆/日）

表3 车流量和用电量关系（车流量约3150 辆/日）

此外，系统节能效率也与隧道的车流分布有关。如7月17日车流量在3116辆时节能率仅有24.75%，7月12日车流量3218辆时节能率上升到29.78%。根据实际情况，车流量一般集中在早、晚通勤高峰，车流量增多对节能效率的影响不大，因为一辆车通过隧道和几辆车同时通过隧道，均需恢复原照明亮度，系统并不调光。因此，为了数据的严谨性与实用性，在分析隧道跟随式照明智能调光系统的节能效率时，不能仅以车流量作为主要测算依据。

三、结语

本文通过在高速公路隧道照明控制系统中应用跟随式照明智能调光系统，利用先进的雷达车检器感知车辆实时情况，以数据处理技术为核心，集合车辆识别、车辆跟踪、轨迹跟踪、状态识别等技术，实现了隧道照明全自动化调光，有效提升了隧道智能调光智能化和综合管理水平，解决了隧道照明过度投入、电能浪费等问题。该系统的成功应用能为营运隧道照明安全节能改造及新建隧道工程机电设计提供参考案例，为相关场景的应用提供借鉴，是智能交通技术应用的有效探索。