高速公路隧道智能照明工程技术方案设计

摘" 要：该文针对高速公路隧道照明存在的能耗高、效率低等问题，以福建蛟城段隧道照明智能化改造为案例，提出一套综合的技术方案。首先对隧道照明设施及现状进行分析，发现现有照明设计存在不足。随后提出隧道照明智能化提升改造方案，包括LED灯光源的选用、照明分段设计等，以及智能照明控制方案。最后，对照明系统改造和控制优化方案进行详细阐述，包括洞口引导照明改造、线缆敷设、LED灯具要求与标准及光强检测器设置等内容。研究结果表明，采用智能化调光控制技术可以有效提高隧道照明系统的能效，实现能源节约，降低运行成本。

关键词：高速公路隧道;LED照明;智能化;照明改造;隧道照明

中图分类号：U453.7" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）26-0129-04

Abstract： In view of the problems of high energy consumption and low efficiency of expressway tunnel lighting， this paper puts forward a set of comprehensive technical scheme with the intelligent transformation of Fujian Province's Jiaocheng section tunnel lighting as a case. Firstly， the tunnel lighting facilities and their current situation are analyzed， and the existing lighting design is insufficient. Then， the intelligent tunnel lighting improvement scheme is proposed， including the selection of LED lighting source， lighting segment design， and intelligent lighting control scheme. Finally， the optimization scheme of the lighting system transformation and control is elaborated in detail， including the transformation of the hole guide lighting， cable laying， the requirements and standards of LED lamps， and the setting of light intensity detector， etc. The results show that the intelligent dimming control technology can effectively improve the energy efficiency of the tunnel lighting system， and reduce the energy saving and operation cost.

Keywords： highway tunnel; LED lighting; intelligent; lighting renovation; tunnel lighting

安全、高效和节能一直是高速公路施工及运营的重要目标。随着我国公路运营规模的不断扩大，隧道照明运营成本日益突出。如何有效地减少运营费用，需要进行系统的节能研究。

LED照明产业经过近几年的低价竞争与产业整并后，已经逐渐步向成熟期，不少LED照明大厂皆已积极布局智能化，智能照明不仅将实践在工业、商业场景，还用在以政府主导的城市道路照明中，融合智能化后已经成为能源消费结构调整的一个重要发展方向，智能照明也在隧道照明发挥自己的优势。文章以福建蛟城段隧道照明智能化改造为例，全线共有隧道4座。

1" 高速公路隧道照明设施分析及现状

隧道在运营后出现照明能耗高问题，根本原因一方面是隧道照明设计时，LED照明技术未成熟，价格高企，只能选择高压钠灯等这样高功率的灯具，能耗较高;另一方面是照明系统的设计和运行管理不够高效，导致能耗浪费。根据JTJ 026.1—1999《公路隧道照明通风设计规范》中的有关规定，影响设计指标的主要因素是隧道洞外亮度取值和交通量，下面将对这2项进行分析。

1.1" 隧道洞外亮度取值

在隧道照明设计中，有一个非常重要的参数叫做L20（S），也就是洞外亮度，取值时，由于受到各种因素的限制，设计者无法获得精确的数值。所以，在实际应用中，无论洞室的环境、洞门形式及装修颜色，都只是单纯地根据照明规范中的推荐值来取值，通常都是4 000 cd/m2，但在许多情况下，许多隧道的洞外都无法达到这个值。在本次高速公路隧道照明智能化提升改造工程的前期，就由专业人员收集原隧道资料，包括施工、竣工图纸等资料。除此之外，还组织专业人员对隧道周边地形和气象数据、隧道洞口朝向、隧道长度、平纵地形、洞门结构形式、隧道路面材料及其颜色、洞内材料及颜色进行了实地调查。各专业组完成外业后，还需进行自检、互检。

1.2" 交通量

交通量是照明标准中的另一项重要参数。高速公路实际运行后，理论可得的交通量并不能反映出实际运行后的交通量，其会对照明的亮度指数产生直接影响，从而影响投资与运行成本。本次高速公路隧道照明智能化提升改造工程前期，除了对隧道洞外亮度内外业的调查，也注重收集了各隧道交通量、设计速度，以及对已有资料进行了汇总整理（见表1和表2）。其间，与建设单位、设计单位、监理单位和运营公司等各方进行了充分的沟通和讨论，在此基础上，形成本次隧道照明智能化提升改造工程的技术方案。

该高速公路改造前照明设计技术参数：照明设计计算行车速度80 km/h;设计交通量设计取值小于等于350 pcu/（h·ln）;路面结构是沥青路面;隧道洞外亮度取值4 000 cd/m2;灯具形式采用中线布置;基本段照明亮度Lin=2.5 cd/m2;应急照明为隧道、横洞内设置有应急照明的，由变电所的UPS供电，停电时应急灯点亮时间不少于30 min。

隧道照明控制分为晴天、云天、阴天、重阴天、晚上和夜间6级。晴天、云天、阴天和重阴天照明基本照明灯具全开，加强段灯具分别全开、开大部分、开小部分和开少部分;晚上基本照明全开，加强段关闭，洞外路灯全开;夜间基本照明开启一半，加强段关闭，洞外路灯全开。照明控制由隧道监控系统根据环境亮度变化进行远程自动控制或手动控制。但控制仅限于灯具全亮或关闭，无法进行亮度调节，既不节能也不合理。

2" 隧道照明智能化提升改造方案

隧道照明智能化提升改造方案严格执行JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》等相关现行设计规范，针对本路段各隧道特点以及现有照明布设情况进行有针对性的设计。隧道照明灯具光源选用高效节能型LED灯，照明分段按JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》进行考虑，参数设计：照明设计计算行车速度100 km/h（按新的限速要求设定）;设计交通量设计取值小于等于350 pcu/（h·ln），入口段亮度折减系数K=0.035;路面结构为沥青路面;隧道洞外亮度取值端墙式取L20（S）=3 500 cd/m2，削竹式取L20（S）=3 000 cd/m2;灯具布置根据实际情况分别为中线侧偏布置，两侧对称布置，按原布设方式中线布置;隧道中间段平均亮度Lin≥3 cd/m2;紧急停车带平均亮度Lin≥4 cd/m2;横洞照明平均亮度Lin≥1 cd/m2，接入应急照明回路;应急照明亮度大于等于中间段亮度的10%，且不应低于0.2 cd/m2，由变电所的UPS供电，停电时，应急灯点亮时间不少于30 min;路面亮度总均匀度U≥0.4;路面中线亮度纵向均匀度U≥0.6。

3" 智能照明控制方案

加强段照明控制要求。模式采用光强调光控制模式、时序调光控制模式、时序开关控制模式、手动控制模式。日常情况下优先采用光强调光模式。当光强检测器出现故障时由调光控制器自动切换至时序调光控制模式。当调光控制器出现故障时，控制软件收到相关故障报告后可自动或人工手动切换至由隧道边缘控制器控制的时序开关控制模式。光强调光控制模式根据隧道洞口亮度信息，结合隧道的设计数据（设计时速、设计车流量）计算出洞内所需亮度及灯具所需输出的功率百分比，由调光控制器对加强照明进行调光控制。具体控制策略需根据不同隧道、不同设计时速及不同设计车流量进行单独设置。时序调光控制模式根据权威部门制定的时序控制表对隧道灯具按时间进行调光控制。时序调光控制与原时序开关控制类似，将原来通过按时间对回路开关进行控制来调节亮度，改为按时间对灯具输出功率进行调节来控制照明亮度。

全日照明及应急照明控制要求。采用时序调光控制模式、时序开关控制模式、手动控制模式。优先采用时序调光控制模式，调光控制系统故障时，控制软件收到相关故障报告后可自动或手动切换至由PLC控制的时序开关控制模式。时序调光控制模式根据设计时速及设计车流量，按照时间对全日照明进行调光控制。时序开关控制模式根据制定的时序开关控制策略，通过PLC控制开关柜断路器，按照时间对全日1、全日2回路进行开关控制。应急灯不接入调光控制系统，应急灯24 h全开。

智能照明控制检测数据。智慧调光系统根据基础数据进行计算并自动调光，主要是结合车速、交通量和洞外亮度进行计算，并将计算结果发给照明控制器，控制器发出照明控制指令。隧道照明智慧化实现内容包括照明自动控制、隧道照明的远程监控（服务器远程控制和工作站远程控制）、本地控制（使用本地设备上按键控制或其他方式）、状态检测（灯具和控制设备状态、设备电参数、回路调光线电参数）、故障报警（设备故障报警、回路调光线故障报警）、信息管理（设备信息管理、运停管理）、运行参数统计分析以及运行方案管理等，实现照明管控智慧化。

智能调光控制实施方案。加强照明控制采用分级调光控制，分级调光控制是指将洞外亮度和设计采用的车流量值分成若干个级别，按照JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》中的相关公式计算出各级别所需的路面亮度，并根据路面亮度与调光值的关系计算出各级别所需的调光值形成分级调光控制策略并写入调光控制器，调光控制器根据实时洞外亮度和车流量所落在的级别输出调光控制信号，实现入口加强照明控制。

出口加强照明、全日照明及应急照明采用时序调光控制模式，根据设计时速，设计车流程，按照JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》中的亮度要求的出口段、基本段路面所需亮度计算出调光信号输出值，制定对应的时序控制策略表并写入调光控制器中，对出口加强照明、全日照明和应急照明进行调光控制。白天按照明设计设计细则中的基本段路面亮度要求进行调光控制，夜间将基本照明亮度调至白天亮度的50%（不低于1 cd/m2），出口加强照明输出值调至0%，详见表3和表4。

保留隧道改造前控制模式，原控制模式作为备用控制模式。

4" 照明系统改造与控制优化方案

4.1" 洞口引导照明改造

将原有的高压钠灯替换成LED灯，灯杆、基础保持不变，路灯电源按原路灯回路。

4.2" 线缆的敷设

保持灯具的原有回路、接线不变，最大限度地利用旧电缆，实现节约电缆材料。本次改造中多余或未使用的回路不拆除，保留原有的空开、线缆，线缆端头做绝缘包封处理后固定于隧道顶（壁），以便今后使用。

4.3" LED照明灯的要求与标准

LED灯的驱动控制装置应采用恒流驱动方式，灯（含驱动控制装置）的外壳防护等级不低于IP65要求。灯具整灯光效（总有效光通/输入电功率）大于等于130 lm/W，灯具流明数为灯具发出的有效流明（稳定值）。LED灯单颗LED功率不小于1 W，不应采用COB封装光源，不宜采用大功率芯片聚合光源，采用小功率的，芯片聚合功率不应大于5 W。LED灯工作于额定电压和额定频率时实际消耗的功率和额定值的偏差应不大于10%，无论偏差大小，灯具的初始光通量不得小于设计的光通量。工作于额定电压和额定频率时的实际功率因数应不低于0.95。入口段加强灯的色温取3 000～3 500 K，隧道内其余灯的色温取4 500～5 000 K（同一合同段内色温应一致）。显色指数Ra≥70。光通维持率LED灯的3 000 h光通维持率不低于96%，6 000 h光通维持率不低于92%，10 000 h光通维持率不低于86%，灯具寿命不低于50 000 h。灯的噪音功率应不大于55 dB（A）。驱动控制装置的驱动效率不应大于85%。LED灯的外表面应整洁、无明显机械损伤，易清洗，各零部件应紧固无松动，各连接部不得因震动、腐蚀而产生松动、脱落，不应有任何可能对安装、维护人员的人体皮肤造成伤害的锐角或锐边。外部的金属结构件（不锈钢材质除外）应经过电镀、喷涂或表面热处理。外部线缆应齐全有效，应承受正常使用条件下的最高温度而不变质，不应采用将线缆打结等可能导致线缆过度弯曲、受损的方法来防止线缆脱出;过长的外部线缆应使用适当的方式进行固定，线缆固定时不可使用金属构件直接压紧;线缆的端头连接点和结合处应提供绝缘覆盖层，覆盖层的绝缘性能应不低于接线本身表层的绝缘性能。灯具前端应设有整片防护面罩，以便清洗灯具。防护面罩表面应平整，不应出现凹凸及曲面形状，擦试清洗受力时不应变形，防护面罩材料不应采用易老化、脆化、变形、变色和透光率变化大等材料。每个灯具应配备自动调光接口，并符合隧道照明调光控制的要求。

4.4" 光强检测器设置与要求

检测范围0～6 500 cd/m2，精度±3%，测量角度为20°，输出信号DC4～20 mA，适用于隧道环境。防护等级IP65，环境温度-10～+65 ℃，相对湿度小于95%无冷凝，温湿度适应性强，电源AC220 V±33 V，50 Hz±2 Hz。

4.5" 监控软件调光控制优化方案

监控软件的调光控制功能集成于现有全省统一监控软件平台，监控隧道内照明的实时状态，并可以对现场参数进行修改。

加强灯回路控制，通过监控软件以太网与调光控制器通信，下发光强控制方案，并采集亮度、照度等数值，通过与PLC通信监视并控制照明回路的开关。亮度、照度值的历史数据以5 min为周期采集，并可输出日、月、年度曲线。用户可通过监控软件手动控制每个照明回路的开关、亮度百分比。监控软件原有的时序回路开关控制功能不变，仍由PLC执行，控制照明回路的开关，不控制灯具亮度。用户可在监控软件上编辑、存储调光方案，并下发给调光控制器，软件应具备批量下发功能。监控软件实时检测与调光控制器的通信状态，如果通信中断，进行报警，用户收到报警后根据实际情况决定是否切换到PLC执行传统的回路开关时序控制模式。针对跨区域共管隧道，监控软件的每个节点只控制其下辖的设备，不进行节点间同步。亮度、照度传感器采集值的有效性判断由调光控制器进行，判断逻辑内置在调光控制器中，监控软件可采集判断结果。如果调光控制器检测到亮度传感器故障，无法作为光强控制依据，则自动切换到时序调光模式。用户也可手动切换混合调光模式和时序调光模式。

5" 结束语

我国碳达峰碳中和目标的提出，对能源清洁化、低碳化发展提出了新的要求。发展集约高效的能源利用形式，提高能源使用效率，方法方式多种多样。智能系统通过各种传感器收集环境和其他信息，并进行数据分析，再进行设备调节，在照明节能上进行最优处理。以人为本的智慧照明正在成为隧道照明发展的方向。

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作者简介：张敏（1982-），男，工程师。研究方向为高速机电工程施工。