高速公路隧道照明系统的LED 改造研究

郭竞杰

（福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福州 350002）

随着交通网络和现代化城市建设的快速发展，高速公路隧道的数量不断增加。尽管隧道在交通运输中发挥着重要作用，但是其照明系统经常被忽视。尤其是在夜间和恶劣天气条件下，不适当的照明可能会导致严重的交通事故。因此，对高速公路隧道照明系统进行发光二极管（Light Emitting Diode，LED）改造具有十分重大的现实意义。

1 高速公路隧道照明的重要性及现有照明系统的不足

1.1 隧道照明对行车安全的重要性

在暗光条件下行驶时，驾驶人员需要更加努力地适应光线变化，这可能会导致视觉疲劳。良好的隧道照明可以提供明亮、均匀的光线，帮助驾驶人员看清道路、隧道内的其他车辆和交通标志，有助于提升警觉性和注意力，从而降低疲劳驾驶风险和事故的发生概率。另外，在紧急情况下，如遇到交通事故或障碍物等，良好的照明可以使驾驶人员有效识别危险并采取适当的措施。

1.2 现有照明系统存在的不足

1.2.1 能耗大，成本高

首先，现有隧道照明系统通常采用高压钠灯或荧光灯等传统光源。这些光源在长时间运行中会消耗大量电能，导致能源费用高昂。特别是对于大规模的高速公路隧道网络，能耗问题尤为突出，照明电费在隧道运营总成本中占据相当大的比例。其次，隧道照明系统的维护和更换成本相对较高。传统光源寿命较短，需要定期更换，而维护和更换灯具需要消耗大量人力和物力资源。最后，传统照明系统的故障率较高，频繁的故障维修增加了维护成本。

1.2.2 能源浪费，污染环境

首先，传统光源在使用过程中会产生大量的热能，不仅会增加隧道内的温度，而且会提高冷却系统的能耗，进一步加大能源浪费。其次，传统光源常含有汞等有害物质，一旦灯具破损或报废，可能会污染环境，威胁人员健康。最后，传统照明系统的光束散射较大，隧道内外亮度不均匀，不但会造成电能的浪费，而且容易产生光污染问题，影响周边生态环境和居民生活。

1.2.3 照明质量差，降低安全性

首先，传统高压钠灯和荧光灯等光源的色温较低，呈黄色或白炽色，不仅影响驾驶人员的夜间视觉舒适度，还可能引发视觉疲劳和眩光问题，降低驾驶的安全性。其次，传统光源的光束散射角度较大，光线不均匀，易导致隧道内出现阴影、暗区和亮区，使驾驶人员难以获得清晰的视线，增加了交通事故的发生概率。最后，传统照明系统的开关控制方式较为简单，通常采用阶段性的开关控制，无法根据隧道内外光线条件的变化动态调节亮度。在不同天气状况、不同时间段和不同隧道位置，照明亮度无法平稳过渡，可能会出现瞬间的明暗变化，影响驾驶人员的视线适应性，降低了行车安全性[1]。

2 LED 改造方案

2.1 照明系统设计

2.1.1 选择LED 灯具和控制器

选择合适的LED 灯具至关重要，需要考虑灯具的亮度、色温、寿命和能效等因素。LED 灯具应具备足够的亮度，以确保隧道内可见性良好。色温应适中，以驾驶人员视觉舒适为宜。同时，考虑长期使用，应选择寿命长的LED 灯具，以减少更换和维护成本。在能效方面，LED 灯具应具备较高能效，以降低能源消耗。因此，在设计LED 照明系统时，需要仔细评估LED 灯具的各项性能参数，选择适合隧道照明需求的型号。

LED 控制器的选择是LED 改造中不可忽视的因素。LED 控制器用于管理LED 灯具的亮度和色温，以满足不同的照明需求。控制器应具备稳定的性能和高精度的调光能力，确保隧道内外亮度均匀。选择适当的控制器可以实现智能化控制，根据外部光线亮度和交通情况动态调整隧道内的亮度值，提高能源利用率的同时确保行车安全。

2.1.2 布局和安装LED 照明系统

在LED 照明系统的布局方面，需要考虑隧道内的照明需求和隧道的几何形状，确保整个隧道内光线均匀且亮度充足，为驾驶人员提供开阔的视野。布局的关键是确定LED 灯具的安装位置和数量，需要综合考虑隧道的长度、宽度、高度及光学特性。通常情况下，LED 灯具应均匀分布，避免出现亮度不均匀的情况或存在阴影区域。

在安装LED 照明系统时，需要遵循专业的安装标准和技术要求。安装过程中，应确保LED 灯具固定牢靠，防止振动下引发灯具脱落。电缆线路应正确连接，避免电缆过度绷拉或扭曲。同时，应定期进行安装质量检查和测试，确保LED 照明系统正常运行[2]。

2.2 照明控制系统设计

2.2.1 亮度检测和控制

通过亮度检测和控制，LED 照明系统能够根据不同的条件和需求自动调整照明亮度，以确保高速公路隧道内外的照明效果始终处于最佳状态。亮度检测器的作用是确保隧道内外的光线亮度保持在合适水平，以满足驾驶人员的视觉需求。这些检测器通常分布在隧道入口、出口和内部的关键位置。在隧道出、入口，亮度检测器可以捕捉到外部的自然光线亮度水平。由于隧道内部的光照通常会因交通量、天气条件和时间差异而发生变化，亮度检测器能够实时监测亮度变化情况。通过不断比较外部和内部的亮度数据，系统可以获得隧道内外亮度差异的准确信息，为后续的调光操作提供基础。

智能控制器是LED 照明系统的关键组成部分，主要根据亮度检测器提供的数据生成调光指令，通过提高或降低LED 灯具的亮度，确保隧道内的照明水平适应不同的环境条件。当系统接收到亮度检测器的数据时，智能控制器会根据预设的算法和参数来决定采取何种调光措施。例如，当检测到隧道入口的外部光线亮度较高时，控制器可能会降低LED灯具的亮度，以避免过度照明和不必要的能耗。相反，如果隧道内部的亮度下降，控制器会提高LED 灯具的亮度，以确保足够的可见度。

LED 系统的亮度控制通常具有动态调光功能，即可以根据隧道内不同区域的需要调节亮度水平。该功能对于优化能源利用和提高照明质量至关重要。例如，在隧道的进口和出口段，由于驾驶人员需要适应不同的光线条件，需要更高的亮度以提升可见性，控制器可以根据亮度检测器的数据动态提高LED 灯具的亮度；而在隧道的中间段，交通可能较为稳定，这时可以降低亮度以减少电能消耗，但是要确保具备足够的照明水平，以保证行车安全。动态调光使LED 照明系统能够更精确地适应不同区域的亮度需求，提高了照明的效率和节能性。

2.2.2 调光控制器的设计

调光控制器的设计需要充分考虑LED 灯具的性能和隧道照明的需求，如图1 所示。首先，调光控制器应具备高精度的亮度调节能力，通常采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术来实现。PWM 控制通过调整LED 灯具的开关频率和占空比来控制灯具的亮度，可以实现连续和平滑的亮度调节，避免了闪烁或抖动现象。其次，调光控制器的设计应考虑隧道内外的光线条件和交通情况，以确定亮度调节策略。例如：白天阳光充足时，控制器可以降低LED灯具的亮度以节约能源；在夜间或阴雨天气下，控制器应提高亮度以确保行车安全。这需要在控制器中预设不同的亮度模式和阈值，以满足不同的照明需求。最后，调光控制器应具备通信和监测功能，实现远程控制和实时监测LED 照明系统的功能。通过与亮度检测器和控制总线连接，调光控制器可以接收外部光线数据，并根据情况自动调整LED 灯具的亮度。同时，系统操作员可以通过远程控制手段进行手动调节，以应对突发情况或特殊需求[3]。

图1 LED 调光控制器

2.3 应急电源备份和故障处理

LED 化改造方案中的应急电源备份和故障处理是确保LED 照明系统在各种意外情况下保持正常运行的重要部分。首先，应急电源备份是为了应对电力中断或电源故障等情况而设计的。在LED 改造中，应考虑使用备用电源，如不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统或发电机组，以确保LED灯具在电力中断时能够继续供电，防止出现交通事故。同时，备用电源应具备足够的容量，以支持LED 灯具在应急模式下运行，通常需满足特定时间段内的照明需求。其次，故障处理是保障LED 照明系统稳定性的关键环节。故障包括LED 灯具损坏、控制器故障或通信中断等，为了快速诊断和解决这些问题，应在系统中集成故障检测和报警功能。当系统检测到故障时，应及时发出警报并记录故障信息，以便维修人员迅速响应和修复故障，缩短系统停机时间。最后，应急电源备份和故障处理方案需要在LED 改造的设计和实施中充分考虑，以确保LED 照明系统在各种不可预测的情况下继续为高速公路隧道提供安全和可靠的照明，保障驾驶人员的行车安全。

3 LED 改造效果分析

3.1 节能效果显著

相较于传统照明系统，LED 照明系统在能源利用上具有显著的优势，能够带来明显的节能效果。LED 灯具以其高能效的特点，将更多的输入电能转化为可见光，并将相对较少的电能转化为热能。相比之下，传统的荧光灯或高压钠灯等照明设备会产生更多热能，导致电能浪费。通过LED 改造，隧道内的电能消耗显著减少。传统照明系统需要经常更换灯管和维护电子元件，而LED 灯具通常寿命较长，降低了维护和更换频率，缩短了维修成本和维修带来的停工时间[4-5]。

某高速公路隧道的总支出为100 000 元，LED 改造后隧道内的电能消耗和维护成本显著减少，带来了良好的经济效益，如表1 所示。

表1 改造前后的费用统计表 单位：元

3.2 增强了隧道行车的安全性

在该高速公路隧道LED 照明系统改造前，隧道内的事故率相对较高。这种情况主要是由于传统照明系统的光照亮度不足，驾驶员视线受限。尤其在进出隧道的瞬间，眼睛适应环境的问题显著，增加了行车风险。随着LED 照明系统的引入，这一状况得到了显著改善。LED 灯光的色温更接近自然光，减少了驾驶员的视觉疲劳，进一步提升了行车安全，事故率显著降低，从每月0.8 起下降至0.3 起，降幅达到62.5%。

4 结语

高速公路隧道照明系统的LED 改造不仅提高了照明质量，还改善了出行安全性和舒适性。随着LED技术的不断发展，LED 改造在未来的隧道建设和维护中将继续发挥关键作用，为人们提供更加安全、便捷和舒适的出行体验。因此，LED 改造是一种值得大力推广和应用的照明技术，有助于改善交通运输领域的基础设施和服务质量。