山区高速公路隧道照明智能控制技术分析

王小博

（陕西高速电子工程有限公司，陕西 西安 710054）

1 前言

“要想富，先修路”，高速公路是经济发展的助推剂，能有效促进地区经济的快速发展。随着我国经济实力的不断增强，交通基础设施建设的重点也逐渐从东部发达地区向中西部发展。近10年来，中西部高速公路得到了快速发展，路网规模不断增大、密度不断提高，有力促进了中西部经济的发展。中西部高速公路多位于山区，桥隧比非常高，长大隧道既多又密。

公路隧道是一种半封闭式管状结构，如果缺乏照明设施，隧道内外的亮度变化将会非常大，人眼在巨大的亮度变化时会产生短暂失明的视觉适应过程。因此，高速公路隧道必须安装照明设备，缩小隧道内外光线变化强度，确保驾驶员通过隧道时视觉良好，提高高速公路隧道的通行安全和通行效率，保障汽车司乘人员的道路交通安全。

隧道照明要求开灯时间长、高亮度、高可靠性和良好的稳定性，照明设备的运营、维护已成为山区公路中一项巨大的成本支出。因此，如何在提高隧道照明效率、提升照明效果的同时，降低隧道照明费用支出，已成为山区高速公路必须解决的一道难题。本文旨在对山区高速公路隧道照明的智能化控制技术进行深入分析，探讨智能化控制技术在保障隧道照明安全与质量和节省电力消耗、降低运营成本中的应用前景。

2 隧道照明系统

人由明亮场所进入黑暗场所或者由黑暗场所进入明亮场所，眼睛都需要一个视觉适应过程。当我们由明亮场所进入黑暗场所时，我们的眼睛会有一段时间什么也看不见，需要经过一段时间适应才能慢慢地看清暗处的物体，这叫暗适应，也叫黑洞效应。这一过程的时间大约需要5～30分钟。由黑暗环境进入明亮环境，眼睛会觉得光线刺眼产生眩晕，也会出现短暂的看不清东西的现象，这叫明适应，也叫白洞效应。这一过程大约需要1分钟左右。

高速公路隧道是一个管状场所，隧道内太阳光一般无法完全照射，与洞外形成了巨大的亮度差。视觉适应时间的长短，与明暗两个环境间的亮度差成正比，亮度差越小，则适应时间就越短。不管是暗适应还是明适应，如果时间过长，都会影响司机对路面视觉信息的收集，对高速公路的交通安全都是非常危险的。

隧道照明系统就是为了提高隧道内部的亮度，减小隧道内外亮度差，缩短视觉适应时间，把必要的视觉信息提供给驾驶员，确保行车安全和增加隧道内行驶舒适度而设计安装的照明设备。隧道照明系统根据功能，可分为照明设备、控制系统和供电系统三部分。照明设备是隧道照明的核心，包括灯具和光源。由于高速公路隧道照明时间长、亮度高、稳定性好，因此灯具必须具有亮度高、寿命长、能耗低的特点。隧道照明控制系统是为了控制灯具的开关、调节灯光亮度而设置的。它可以根据不同的情况自动调节灯光亮度，提高能源利用率和照明效果。隧道照明的供电系统也叫电源系统，主要由变配电系统和电缆系统两部分组成。变配电系统负责变压和电能分配。电缆系统负责将电能传输到各个灯具。长大隧道还需要考虑自然灾害、断电等发生时有备用电源或应急发电机组，以保证照明系统的正常运行。

3 隧道照明控制系统概述

在进行高速公路隧道照明设计时，为了达到公路设计的通过能力和通行速度，必须考虑驾驶员的视觉适应能力。为了缩短驾驶员在隧道的视觉适应时间，国际照明委员将高速公路隧道照明分为接近段、入口段、过渡段、中间段和出口段五段，对每段路面的亮度有不同的要求。

接近段照明是使驾驶员进入隧道时前能看清隧道洞口环境、适应隧道洞口亮度而在隧道入口处前一个停车视距范围内设置的路段。接近段白天通过常青树、遮光棚、遮阳棚等措施降低隧道外的亮度，从而降低隧道内外的亮度差；夜间设置引导路灯使驾驶员提前看清洞口条件并适应洞内照明。入口段白天为黑洞效应，需加强照明；夜间为白洞效应，需降低亮度。出口段则与入口段正好相反，白天为白洞效应，夜间为黑洞效应。过渡段衔接入口段和中间段，白天过渡段要降低入口段和中间段的视觉差异，满足安全舒适性和经济性；夜间入口段和中间段差异不大时，只需将过渡段亮度与入口段保持一致即可。中间段需将隧道内亮度控制在合理而均匀的水平即可。

为了满足上述要求，高速公路隧道照明必须配备照明控制系统，以控制灯具的开启和关闭以及调节其亮度，确保隧道内各段照明符合要求。高速公路隧道照明按控制方式分有手动控制、自动控制（又分为时间控制和分级控制两种）、智能控制三种。

手动控制是由人在现场或远程控制中心进行操作，按当时气象条件开启不同回路的照明灯具，并对照明灯具的输出功率进行调节，实现隧道照明灯具的开启和亮度的调节。人工控制方式操作过程烦琐，浪费大量的人力与能源，已不能适应现代高速公路运营管理的需求。

自动控又分为时间控制和分级控制两种方式。时间控制的原理是根据不同时间的不同亮度区分，将一年根据春、夏、秋、冬四个季节划分，并设定每季早晨、中午、傍晚、夜间各时间段的洞外最大亮度值，对隧道内各段的照明亮度进行调节。分级自动控制是将天气状况划分为晴、多云、阴天、重阴天、傍晚和夜间共6级，并设定每一气象条件下的最大洞外亮度，制系统自动按选定的气象条件调节照明灯具的功率。

4 隧道智能随车照明系统控制系统

4.1 系统概述

自动控制虽然取代了部分人工操作，但由于回路划分的限制，灯具开关和亮度调节空间比较有限，隧道照明灯具绝大部分为24小时开启状态。同时，在这种方式下，各段照明的亮度要按照最大值来设定，没有将天气变化、车流量变化等实时因素纳入考虑，造成深夜时段仍保持灯具高亮度、高功率的输出，尤其是很多流量较小路段存在极大的电能浪费。很多高速公路运营公司都是采取自动控制结合人工控制的方式，在规定的时间人工开关隧道照明灯具。因此，需要对控制系统进行升级，引入天气、车流量等实时变化因素，实施隧道照明智能调光，实现节能和降本增效，提升隧道内驾驶舒适度。

智能随车照明控制系统是以自动控制为基础，应用传感技术、自动控制技术、物联网技术等智能控制技术，根据隧道外的实时亮度结合车流实际情况，按照公路隧道照明亮度曲线进行动态调节，使隧道照明满足节能环保、安全舒适的要求，实现“按需照明”。智能随车照明控制系统由物联网分段调光控制器、毫米波雷达型调光控制器、智能物联网多模网关、洞外/洞内亮度检测仪、洞口车流量车速检测设备、智能网联边缘控制主机、亮度可控型公路隧道照明LED灯具、自适应隧道调光系统平台软件和位于高速公路监控中心的计算机和服务器组成。

4.2 数据采集器

洞外天气条件和亮度值由亮度检测器采集，经数据转换器转换为数字信号，通过网络传输给控制计算机。控制计算机每间隔一段时间收集洞外亮度检测器采集的洞外亮度值，根据该亮度值和隧道照明控制曲线调整洞内灯具的输出功率，实现隧道洞内照明亮度的连续调节。同时，控制计算机根据洞内亮度检测器检测的洞内亮度情况进行微调，保证照明的稳定性和均匀性，防止灯光闪烁的问题。

车辆检测器安装在隧道入口和隧道内处，用于检测单位时间内经过隧道的车辆数和经过的车辆速度，并将数据实时上传到本地控制中心，一般用置于车道下面的感应线圈或置于道旁的激光雷达来实现。

4.3 智能照明控制系统

这是控制系统的核心。整个智能随车照明控制系统为四层架构，具体框架层次说明如下。

平台管理层：自适应隧道调光系统平台软件，功能是对整个隧道或路段下隧道照明系统孪生式在线展示与管理控制。包括但不限于展示隧道照明灯具布设状态并统计展示亮暗时长、节能效率等照明系统数据，实时展示“与车相随”动态照明效果，实现对照明系统的控制与在线巡查，实现对封道、断电等事件的判别及告警，也可根据业主需求提供节能分析报告，进行照明系统能源用电分析等拓展功能。

本地管理层：智能网联边缘控制主机，功能是对整个隧道的设备进行边缘计算与本地控制，需接收洞外/洞内亮度值、洞外车流量检测数据，及洞内亮暗灯时长、变电所电表能耗采集等数据，并实时上传到智慧照明随车照明平台。

中间层：智能物联网多模网关，兼具蓝牙、4G、以太网数据收集及转发功能。

终端层：物联网分段调光控制器，具备有线或无线调光功能模块及灯具或回路电气性能在线监测模块；毫米波雷达型调光控制器，具备车辆探测功能模块、有线或无线调光功能模块；亮度检测仪或洞内照度计，在线监测洞内外亮度变化，为照明系统提供动态调光亮度参数依据及反馈数据；洞口车流量车速检测设备，为照明系统提供车道级车流车速实时参数。

系统采用无线调光控制器，可根据洞外、洞内亮度和车流量、车速信息，实时调节隧道内各照明段的亮度。车辆检测器检测到无车通行，信号传输到控制系统，智能控制系统控制关闭加强照明灯，并将基本照明灯亮度调至最低水平调光比例（5%～10%）。隧道接近段有车辆驶来时，车辆检测器捕抓到有车接近的信号，控制系统逐渐将入口段灯具恢复亮度至原设定的亮度水平。车辆在洞内行驶过程中，隧道内沿汽车行驶方向分布的车辆检测器分别接收到有车信号，逐次点亮车辆前方安全行驶距离内的灯具，在保证安全的前提下，实现了伴随式“车来灯亮，车走灯暗，灯随车行”的动态调光效果，并达到了最大化的节能。出现应急情况时，如隧道内设备故障或车辆事故时，智能调光系统启动应急控制模式，退出智能调光模式，灯具转为全开状态，保证行车安全。

4.4 灯具选择

灯具决定了隧道照明控制方式和模型，是系统安全、高效运行的关键。随着微电子技术和照明技术的发展，隧道照明灯具也在不断进步。目前常用的有高压钠灯、低压钠灯、荧光灯、电磁感应灯和LED灯。

LED灯与传统灯具相比，具有使用寿命长、光通利用率高、功耗小发光功率高、启动与再启动时间短、显色指数好、定向性强、工作电压低和重量轻等非常多优点。LED灯在动态调光方面优势更加突出。由于LED发光由电流进行控制，其光电转化速度极快，在参数范围内，输入不同的电流LED灯能瞬间调整到对应的亮度，这是其他灯具无法做到的。通过智能控制系统对LED照明灯具进行连续调光，为实现“按需照明”自适应式调节隧道照明提供了最基础的技术保障。

新建隧道的智能控制照明系统灯具应首选LED灯，满足智能控制无级调光的需要。既有高速公路隧道照明控制系统改造时，在预算充裕的情况下，可一次性将照明灯具更换LED灯；如预算紧张，可先将调光频繁的入口段和出口段灯具更换为LED灯，过渡段和中间段仍使用原有照明设备，待以后资金充裕再予以更换。

4.5 分析与比较

相比传统的隧道照明控制方法，智能控制技术具有明显优势。首先，智能控制系统根据现场实时天气、洞外亮度值和车辆行驶数据调整隧道灯光亮度，提高照明效果。同时减少了无车和低流量时段的照明功耗，大大降低了照明系统的电能消耗，满足了低成本、绿色环保的运营需要。灯具的开启时间缩短，提高了照明灯具的使用寿命，节省了隧道照明的维修成本，进一步压缩了隧道照明的运营费用。智能控制还可以提高隧道照明的安全性和可靠性，减少因照明问题引发的交通事故。

5 结语

本文对山区高速公路隧道照明的智能控制技术进行了深入分析，阐述了其优越性和应用前景。通过对比常规照明控制技术和智能化控制技术的优缺点，可以看出智能控制技术在提高照明效果、降低能源消耗和提高行车安全等方面具有明显优势。未来，随着物联网、人工智能、云计算、大数据等技术在高速公路隧道照明中的应用，实现更加智能、高效、安全的隧道照明控制。同时，也需要进一步加强技术研发和人才培养，推动人工智能技术在高速公路隧道照明领域的广泛应用。