高速公路隧道照明亮度分析控制方案研究

李俊杰

（山西交通控股集团有限公司中部高速公路分公司,山西 太原 030000）

0 引言

随着我国基础国力的不断增强，高速公路作为构建我国交通大动脉的主要基础设施，进入了高速发展时期，其建设里程持续增加，而作为我国高速公路建设重要组成部分的隧道工程的数量和里程也呈现持续增长的趋势[1]。根据交通运输部2023 年2 月23 日的新闻发布会统计数据结果报告情况，我国的高速公路总里程数量已经达到了177 000 km，成为全球最大的高速公路网。其中隧道达到24 850 处，2 678.43 万延米，特长隧道1 752 处，达到795.11 万延米，长隧道6 715 处，达到1 172.82 万延米[2-3]。在高速公路隧道大量投入使用过程中，由于其属于半封闭的环境，在车辆进出隧道洞口的过程中，隧道内外部之间的光照强度变化会对司机的视线和驾驶产生重要影响。即在车辆高速进入隧道时视觉会产生“黑洞效应”，而在快速驶出隧道时又会产生“白洞效应”，导致驾驶员无法看清路面交通情况，容易引发交通事故。根据交通运输部标准《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01—2014）的要求，长度l＞200 m的高速公路隧道、长度100 m ＜l≤200 m 的高速公路光学长隧道均应安装照明设施。以S45 天黎高速左黎段的黄家会隧道、沐池隧道、柏管寺隧道、小寨隧道、故驿隧道、桐峪隧道等6条隧道为例，每年照明电费高达400 多万元，而单洞长3.568 km，总长7.144 km 的沐池隧道单日照明费就高达3 300 元以上，隧道用电量统计结果表明，隧道每1 km年电费为20 余万元，由此可见隧道照明节能减排势在必行[4]。科学有效地进行隧道内照明亮度控制，充分结合外部环境的变化，确保隧道内的光照亮度有效满足驾驶员进入隧道和驶出隧道时的视觉环境需求，研究舒适、安全、节能的隧道照明控制方案是高速公路隧道投入使用的重点工作。

1 公路隧道照明控制方案

对高速公路隧道进行照明控制就是有效规避“白洞效应”和“黑洞效应”，为驾驶员提供舒适安全的隧道驾驶视觉环境，确保无论白天还是黑夜，驾驶员都能够按照设计车速安全通行，以降低隧道安全事故的发生率。为了达到这一要求，就需要针对隧道照明进行科学控制。一方面，驾驶员在驾驶过程中以及外部环境亮度发生变化时，会导致隧道内外的亮度差产生变化，另一方面，隧道内不同部位的亮度以及人的视觉适应能力也会发生变化，多种因素影响，使得隧道照明在控制设计过程中需要以科学合理、经济节能为目标[5]。结合现有的公路隧道照明控制方案进行研究，主要包括三种模式：

1.1 手动控制方式

手动控制方式在应用过程中是由监控中心的操作员结合隧道的照明度具体情况以及外界天气变化进行隧道照明回路的控制。通过对隧道照明回路的控制，改变隧道内照明亮度，能为驾驶员提供相应的照明需求。采用该方法进行照明亮度控制时可分为单回路和多回路两种类型，单回路就是在操作员进行照明控制的过程中可分别针对各照明回路进行单独控制，而多回路则是指将所有的照明回路按照不同等级进行组合，然后进行分组控制。在单回路控制方法应用的过程中其灵活性更强，而多回路在应用的过程中操作更加方便，可结合外部天气变化特点和左线右线的照明需求进行回路控制。

1.2 分段时序照明控制方案

分段时序照明控制方案是指在进行隧道照明系统控制的过程中按照季节时序或者一天中的不同时段进行照明回路控制。这主要是因为隧道外部环境在不同季节和在每一天的不同时段其相应的亮度会发生变化，为了适应这一变化以达到节能减排的目的，可结合不同时段的照明需求来开启相应的照明回路，以保障高速公路隧道内外部的亮度差在合理范围内。在按照分段时序进行照明控制的过程中，依据表1 所示的时间和季节进行分配，由于在设置时相应的季节和时间段都处于固定状态，因此并不能灵活地进行亮度控制，当隧道外部天气发生变化引起内外部亮度差发生较大改变则不能及时进行隧道内部的照明调节，因此在进行亮度控制的过程中，不够准确和及时，存在浪费现象。

表1 时序照明方案时间分配策略表

1.3 亮度自适应控制方案

该照明系统包括LED 柔性调光照明控制系统和车辆感应式照明控制系统。这两个系统既处于相互独立的工作状态，也能够协同工作。其中LED 柔性调光照明控制系统主要是通过柔性调光技术的应用，保障车辆在行驶的过程中能够达到设计规范要求的最小照明亮度值，并结合外部环境的不同亮度变化自主调整隧道内的照明亮度，通过自适应调整使隧道内外的亮度差始终处于合理范围内，这种自适应既能够有效防止因外部亮度变暗而内部出现过度照明，也能够防止因外部亮度过高而内部亮度不足的问题。通过亮度自适应的控制，既能够为广大驾乘人员提供舒适安全的驾驶环境，也能够达到节能减排的目的。而车辆感应式照明控制系统则是防止在隧道使用过程中隧道交通量变化造成资源浪费，尤其是对于隧道交通量较少的情形，采用车辆感应式照明控制系统能够达到节能减排的目的。该系统在应用过程中通过安装车辆检测器以识别隧道的车辆通行情况，结合是否存在车辆通行进行照明系统的开启与关闭，当没有车辆通行时照明系统自行关闭，检测到有车辆即将通过时则开启照明灯。

2 工程概况

该研究所选择工程为山西省高速公路网S45 天黎高速左黎段（左黎高速）沐池隧道。左黎高速是山西省通往京、津、冀地区的重要通道，起点位于晋中市左权县城东北，与阳（泉）—左（权）、和（顺）—榆（社）高速相接，路线全长77.913 km，所在工程沐池隧道为南北走向，隧道全长为3 568 m，为双洞双线单向行驶隧道模式。隧道路面为复合式沥青路面，设计速度为80 km/h。隧道照明采用箱式变电站供电。路段隧道全部采用高压钠灯作为隧道主洞照明、应急照明光源；采用防爆荧光灯作为人行横洞、车行横洞、紧急停车照明光源。隧道照明系统加强照明灯具为对称布设，基本照明灯具为交错布设。全隧道共包括4 个照明回路，其中有2 个照明回路为加强照明，有2 个照明回路为基本照明，在照明回路调节方面按照晴天、雨天、阴天、夜间4 档进行控制，即按照不同天气情况进行自适应照明亮度控制调节。在隧道照明分布的过程中，按照5 个阶段布置，分别为入口段、过渡段1、过渡段2、中间段、出口段。入口段照明采用400 W 高压钠灯，布设间距2 m；过渡段1 照明采用250 W 高压钠灯，布设间距4 m；过渡段2 照明采用150 W 高压钠灯，布设间距8 m；中间段照明采用100 W高压钠灯，布设间距12 m；出口段照明采用150 W 高压钠灯，布设间距6 m。

根据国家相关标准规范，计划改造实施采用LED 灯具替换原高压钠灯，灯具布置按照新的规范要求进行配光。隧道照明段落划分为入口段1、入口段2、过渡段1、过渡段2、中间段、出口段1、出口段2；将原入口段平均划分为入口段1、入口段2，将原出口段平均划分为出口1、出口段2。隧道入口段1 采用140 W LED 灯两侧对称布置，布置间距1 m；入口段2 采用120 W LED 灯两侧对称布置，布置间距2 m；过渡段1、过渡段2 采用80 W、60 W LED 灯两侧对称布置，布置间距4 m；出口段1 采用40 W LED 灯两侧对称布置，布置间距3 m；出口段2 采用60 W LED 灯两侧对称布置，布置间距3 m。基本段采用50 W LED 灯两侧对称布置，布置间距12 m。

3 高速公路隧道照明亮度自适应控制方案应用分析

3.1 高速公路隧道照明亮度自适应控制实施方案

对于该案例所选高速公路隧道在进行照明亮度自适应控制的过程中，其按照入口段1、入口段2、过渡段1、过渡段2、中间段、出口段1、出口段2 不同路段和相关间距进行布灯之后，在LED 柔性调光照明控制实施的过程中按照如表2 所示的照明控制方式，进行控制：

表2 不同天气类型LED 柔性调光照明亮度控制方案

在按照上述不同天气情况进行照明控制之后，进一步结合车辆感应式照明控制系统进行应用，即在感应到有车辆进入隧道时按照上述照明控制方式进行控制，在没有车辆进入时则停止照明[5]。同时，在上述方案应用时所用灯具均为新型LED 灯，利用系数大于0.7，对于隧道内的应急停车带则采用显色性较高的荧光带。系统总体控制结构如图1 所示。

图1 高速公路隧道照明亮度自适应控制总体结构设计

3.2 高速公路隧道照明亮度自适应控制方案效果计算

3.2.1 传统回路高压钠灯的年用电量计算方法

为了分析亮度自适应控制方案的应用效果，按照《公路隧道通风照明设计规范连接》（TJ026.1—1999）以及《公路工程质量检验评定标准》，在其发光强度、照度、亮度、均匀度、频闪等基本指标达到要求之后，进行用电量测试，并与传统照明控制方案进行对比，分析亮度自适应控制方案的实施效果。

传统回路高压钠灯的年用电量计算公式如公式1 所示：

这一公式为传统回路的高压钠灯用电量计算方法，其中，i=1、2、3、4——分别代表4 种天气，且每一种天气为12 h；m为1 和2——分别对应夜间和后半夜，每种类型为6 h；N——相应的天气类型在全年所占百分比；Q——相应类型天气下每1 h 的灯具用电量；Qm——相应类型夜间每1 h 的灯具用电量。

3.2.2 亮度自适应控制方案年用电量计算方法

对于亮度自适应控制方案应用过程中的用电量计算时，其年用电量计算公式如公式（2）所示：

式中，i——分别对应表2 所示的天气类型；N——相应天气在全年天气中的占比；P——相应天气下的平均用电量。

3.2.3 日用电量比较

在亮度自适应控制方案应用过程中，当其各项指标均达到要求之后，按照上述公式所计算出的日用电量测试结果分别在晴天、雨天、阴天、夜间的日用电量分别为96 kW·h、14kW·h、46kW·h、48 kW·h，而采用传统回路的高压钠灯日用电量在4 种天气下分别为194 kW·h、150 kW·h、102 kW·h、72 kW·h。

3.2.4 节电效果

为了进一步比较两种方案在应用过程中年用电量的统计结果，观察该隧道所在区域的晴天、阴天、雨天、夜间四中天气所占比例分别为28%、27%、23%、22%，按照公式可计算出公路隧道自适应照明控制系统的年用电量为19 258 kW·h。该方案应用之后的年节约电量，为高压钠灯回路控制系统年用电量减去自适应照明控制系统年用电量，其高压钠灯回路控制系统年用电量为64 970 kW·h，计算出年节电比例为70.4%。

4 结语

在高速公路隧道照明系统控制的过程中，既要充分结合外部天气变化维持隧道内外照明亮度差的稳定性，也要充分结合隧道的使用情况进行合理控制。该研究分析了基于外部环境亮度变化和隧道内车流量结合的隧道照明亮度自适应控制方案的实践应用，通过对方案的应用效果进行分析，总结其在应用之后的节能效果，最终通过计算证实通过应用隧道照明亮度自适应控制方案相比传统回路高压钠灯照明系统能够达到70.4%的节电效果。