公路隧道中LED照明技術(shù)的應(yīng)用

馬緒榮，陳公增

（泰安市公路局工程二處，山東 泰安 271000）

0 引 言

近十年來(lái)，中國(guó)公路隧道里程數(shù)和規(guī)模迅速擴(kuò)大，而隧道交通作為公路的特殊組成部分，其照明在安全、高效、節(jié)能、環(huán)保等方面有了越來(lái)越嚴(yán)格的規(guī)定。為了提高隧道交通的運(yùn)輸功能，傳統(tǒng)的以高壓鈉燈為代表的氣體放電燈具［1-2］，以及少數(shù)利用LEP、無(wú)極燈等改進(jìn)的氣體放電燈具［3-4］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能應(yīng)付日益復(fù)雜的隧道交通照明，也與可持持續(xù)發(fā)展的觀念相悖。LED是繼白熾燈、鈉燈、熒光燈之后的第四代固體照明光源，與傳統(tǒng)光源相比具有高效、節(jié)能、顯色性好、快速反應(yīng)、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。

從2004年貴州省貴黃高速東苗沖隧道率先使用LED光源作為隧道照明光源開(kāi)始，近幾年LED技術(shù)在隧道照明中有越來(lái)越多的實(shí)裝應(yīng)用［5-7］。作為隧道照明的光源輸出，LED除了自身的優(yōu)點(diǎn)外，還有3個(gè)重要的可控因素，分別是節(jié)能方案、布燈技術(shù)、智能控制。通過(guò)三者的綜合考量將能更好地發(fā)揮LED技術(shù)在隧道照明中的潛在價(jià)值。因此，這3個(gè)因素將會(huì)是今后LED在隧道照明中應(yīng)用的重點(diǎn)研究和改善方向。

王少飛研究了根據(jù)車(chē)流量和洞外環(huán)境的影響來(lái)控制智能照明的算法以及LED燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)。王志偉［8］利用DALux模擬軟件建立的隧道模型，通過(guò)仿真試驗(yàn)研究3種布燈方式（對(duì)稱(chēng)布置、中間布置和交錯(cuò)布置）的特點(diǎn)。槐尖山隧道監(jiān)控中心在隧道監(jiān)控項(xiàng)目的基礎(chǔ)上建立了機(jī)電綜合節(jié)能及信息管理一體化的能耗優(yōu)化運(yùn)行平臺(tái)［9-10］。

本文通過(guò)分析中國(guó)現(xiàn)采用LED作為照明光源的隧道的各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)比節(jié)能方案、布燈技術(shù)、智能控制三者對(duì)LED隧道照明的影響，并提出合理的后續(xù)發(fā)展和改善空間。

1 公路隧道的照明特點(diǎn)

公路隧道的特殊性在于它是半封閉區(qū)域且需要全天候照明的路段，當(dāng)隧道外和隧道內(nèi)的亮度差別較大時(shí)，行車(chē)在隧道中的視覺(jué)現(xiàn)象便與普通道路不同：司機(jī)白天行車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)，如果亮度突然下降，司機(jī)的視覺(jué)會(huì)出現(xiàn)短暫的失明，也就是所謂的“黑洞效應(yīng)”；當(dāng)行車(chē)接近隧道出口段，這段距離是司機(jī)的視覺(jué)從昏暗到明亮的適應(yīng)過(guò)程，如果亮度突然增加，司機(jī)會(huì)出現(xiàn)眩光現(xiàn)象，看不清前方道路情況，即“白洞效應(yīng)”［11-12］。這兩種效應(yīng)都會(huì)嚴(yán)重影響行車(chē)的安全性。如果接近隧道進(jìn)出口段具有合理的照度，則既能避免司機(jī)進(jìn)入或離開(kāi)隧道時(shí)視覺(jué)產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，又能節(jié)約能源。

另外，在長(zhǎng)公路隧道中，由于汽車(chē)排放的尾氣聚集形成煙霧，司機(jī)的能見(jiàn)度會(huì)下降，難以辨別前方的障礙物，容易造成安全事故。為解決這些問(wèn)題，中國(guó)在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 026.1—1999）中規(guī)定了公路隧道照明一般需要?jiǎng)澐譃榻咏?、入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段，且各段有規(guī)定的亮度水平，以保證司機(jī)的能見(jiàn)度，確保行車(chē)安全。隧道內(nèi)各段亮度水平如圖1所示。

圖1 隧道內(nèi)各段亮度水平

隧道入口段的亮度會(huì)直接影響司機(jī)分辨即將進(jìn)入的隧道狀況，為了使司機(jī)能夠看清隧道內(nèi)道路的標(biāo)識(shí)和障礙物，隧道入口段的亮度相對(duì)隧道內(nèi)的亮度高，且隧道入口段的長(zhǎng)度由設(shè)計(jì)的最高車(chē)速和在此速度下的安全停車(chē)距離決定［13-14］。過(guò)渡段是入口段與中間段之間的照明區(qū)域，過(guò)渡段的作用是緩解、消除司機(jī)從亮度較強(qiáng)的入口段到亮度較低的中間段的不適感，消除“黑洞效應(yīng)”，該區(qū)域的照明亮度是逐漸降低的。中間段的照明是為了保證行車(chē)視距，確保司機(jī)的安全，中間段的長(zhǎng)度是隧道照明區(qū)中最長(zhǎng)的一段，其影響因素主要包括行車(chē)速度與車(chē)流量。出口段是最后一部分照明路段，為了消除“白洞效應(yīng)”和司機(jī)視覺(jué)產(chǎn)生的眩光，出口段的亮度一般為中間段的5倍。

2 隧道LED照明的優(yōu)勢(shì)

在隧道照明中，LED光源可以看作是點(diǎn)光源，因此具有良好的導(dǎo)向性。LED相比氣體放電燈具具有更好的節(jié)電率，綜合性能突出。在隧道這一場(chǎng)景中使用LED照明技術(shù)，具有以下幾個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

（1）LED具有比高壓鈉燈、汞燈等氣體放電燈更加優(yōu)秀的節(jié)電性能，尤其適合隧道照明、電量消耗大的場(chǎng)景，比常規(guī)的道路照明更能發(fā)揮節(jié)電優(yōu)勢(shì)。

（2）LED是半導(dǎo)體固態(tài)照明器件，燈具不容易損壞，發(fā)生故障的概率低，具有超過(guò)十萬(wàn)小時(shí)的理想壽命，因此使用LED光源作為隧道照明光源可以減少隧道照明中燈具更換維修問(wèn)題發(fā)生的頻率。

（3）LED光源可以達(dá)到很高的顯色指數(shù)，產(chǎn)生的視覺(jué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)高壓鈉燈，能幫助司機(jī)更好地識(shí)別物體輪廓和尺寸；LED是直流供電照明，可以避免頻閃效應(yīng)，能幫助司機(jī)更準(zhǔn)確地判斷物體運(yùn)動(dòng)速度和方向；LED光源的高質(zhì)量照明效果能極大提高公路隧道交通的安全性。

（4）和傳統(tǒng)隧道照明需要數(shù)十分鐘才能緩慢點(diǎn)亮的高壓鈉燈相比，LED的發(fā)光亮度能通過(guò)調(diào)節(jié)電流獲得瞬間改變。因此，LED可以實(shí)現(xiàn)隧道的智能實(shí)時(shí)照明調(diào)節(jié)，如根據(jù)洞內(nèi)外亮度差、車(chē)流量、車(chē)速、天氣和煙霧累積濃度自動(dòng)改變照明段隧道內(nèi)的光強(qiáng)，進(jìn)一步提高照明的安全性和節(jié)能性。此外，當(dāng)隧道照明發(fā)生突發(fā)狀況，無(wú)法正常使用時(shí)，應(yīng)急照明應(yīng)立即發(fā)揮作用，確保隧道的正常運(yùn)行。中國(guó)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034—2013）中規(guī)定，應(yīng)急照明必須選用能快速點(diǎn)亮的光源，因此高壓鈉燈不符合隧道應(yīng)急照明的要求，而LED光源不僅可用于隧道常規(guī)照明，也可以用于隧道應(yīng)急照明。

3 隧道LED節(jié)能技術(shù)的研究進(jìn)展

目前公路隧道照明節(jié)能可分為3個(gè)方面：技術(shù)性節(jié)能、結(jié)構(gòu)性節(jié)能及管理性節(jié)能。技術(shù)性節(jié)能包括選用節(jié)能光源、使用照明節(jié)能設(shè)備等；結(jié)構(gòu)性節(jié)能主要是利用太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電為道路提供照明等；管理性節(jié)能是指制定合理的管理體制，合理控制與安排道路照明。本文主要研究LED燈具節(jié)能和LED調(diào)光節(jié)能。

3.1 LED燈具節(jié)能

現(xiàn)階段，用于隧道照明的燈具主要有以高壓鈉燈為代表的傳統(tǒng)氣體放電燈具、傳統(tǒng)的熒光燈具和以L(fǎng)ED燈為代表的新型半導(dǎo)體節(jié)能燈具。與傳統(tǒng)的隧道照明燈具相比，LED燈具最節(jié)能，且綜合性能表現(xiàn)良好。

2004年，貴州省貴黃高速東苗沖隧道率先使用LED光源作為隧道照明光源，該隧道總長(zhǎng)420m。試驗(yàn)表明，功率為80W的LED光源比150W的鈉燈光源照度高出24.36%，實(shí)際節(jié)約能源約43%。2008年，劉磊實(shí)課題組收集LED光源在城市隧道照明工程中的試驗(yàn)及具體應(yīng)用實(shí)例的跟蹤數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)了LED光源在實(shí)際使用的節(jié)能性。該試驗(yàn)在隧道中一共安裝LED燈910套，在對(duì)比熒光燈光源與LED光源的運(yùn)營(yíng)情況后得出：在同樣的照度下，該隧道照明中的LED光源比傳統(tǒng)的熒光燈節(jié)能30%左右。LED光源本身光效高，而且現(xiàn)有技術(shù)可以根據(jù)需求對(duì)LED光源進(jìn)行調(diào)光，這些都是LED光源在隧道照明應(yīng)用中節(jié)能的重要原因。2009年，安徽省六潛高速公路采用LED固體光源作為隧道照明光源，經(jīng)后期測(cè)試表明，LED光源后期運(yùn)營(yíng)成本（電能損耗、維修費(fèi)用）大幅降低，每年可節(jié)約電費(fèi)約27萬(wàn)元，燈具損壞率大大降低。同年，總長(zhǎng)為8.95km的特大長(zhǎng)江隧道（上海長(zhǎng)江隧道）成功使用LED光源作為隧道照明光源，根據(jù)后續(xù)相關(guān)追蹤，5年后LED燈具的光衰減為28%，照明狀況基本良好，燈具的損壞率為5%左右，節(jié)約電能超過(guò)30%。截至目前，大多數(shù)在建的公路隧道都采用LED固體照明光源作為隧道照明光源，筆者通過(guò)調(diào)研給出部分LED燈具的節(jié)能率，如表1所示。

3.2 LED調(diào)光節(jié)能

王少飛研究了公路隧道LED燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)，該LED燈控制系統(tǒng)包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)、車(chē)輛檢測(cè)器、光端機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、光亮度檢測(cè)儀及無(wú)級(jí)調(diào)光控制器等部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)該系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)用得出：LED燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)的使用，減少了隧道的投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，表明該控制系統(tǒng)在公路隧道照明中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。LED無(wú)極調(diào)光節(jié)能率見(jiàn)表2。

表1 部分案例LED燈具節(jié)能率

圖2 LED燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表2 LED無(wú)極調(diào)光節(jié)能率部分案例

無(wú)級(jí)調(diào)光是基于LED燈具的高級(jí)照明控制方法，因高壓鈉燈等氣體放電燈的調(diào)節(jié)延遲很大，故實(shí)時(shí)調(diào)光較難執(zhí)行且效果不夠理想。對(duì)于LED照明系統(tǒng)，可以依據(jù)隧道自適應(yīng)照明原理將隧道設(shè)計(jì)為分段照明方案，并通過(guò)實(shí)時(shí)環(huán)境反饋的信息來(lái)進(jìn)行控制調(diào)光。結(jié)合洞外天氣和亮度、車(chē)流量、車(chē)速等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)控制LED燈電源的輸出電流，調(diào)節(jié)其輸出功率，可以有效提高照明方案的節(jié)電率。

4 隧道LED布燈技術(shù)的研究進(jìn)展

目前常見(jiàn)的布燈方案有3種，即對(duì)稱(chēng)布置、中間布置和交錯(cuò)布置。合理的布燈方案不僅可以有效地避免司機(jī)通過(guò)隧道時(shí)產(chǎn)生的“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，而且能夠節(jié)約能源，達(dá)到美觀的效果。燈具的布置要考慮到隧道燈光的均勻性與亮度，入口段和出口段燈具的密度和照度最大，中間段最小，同時(shí)中間段燈具的布設(shè)長(zhǎng)度也最長(zhǎng)，其他段燈具布設(shè)的長(zhǎng)度要根據(jù)隧道長(zhǎng)度和要求進(jìn)行計(jì)算得到。

王志偉研究組利用DALux模擬軟件建立隧道模型，通過(guò)仿真試驗(yàn)來(lái)研究3種布燈方式的特點(diǎn)。該研究組在入口段安裝128WLED燈，燈具安裝傾角為30°，安裝高度為4.5m，布燈間距為1.5m。按中國(guó)隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范，隧道內(nèi)所需的標(biāo)準(zhǔn)亮度為105cd·m-2，即照度為1 050lx。得到的仿真模擬數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 燈具的布置方案

從表3的仿真結(jié)果可以看到，在相同的布燈環(huán)境下，中央布置無(wú)論在路面平均照度，還是在路面均勻度方面都好于交錯(cuò)布置和對(duì)稱(chēng)布置，而交錯(cuò)布置產(chǎn)生的路面照度與對(duì)稱(chēng)布置產(chǎn)生的路面照度很接近，但路面均勻度要高于對(duì)稱(chēng)布置，總體來(lái)說(shuō)相對(duì)好于對(duì)稱(chēng)布置。然而，布燈方案的選擇不僅僅在于布燈效率的高低，還要考慮維修、頻閃和誘導(dǎo)等問(wèn)題。所以，布燈效率高的方案不一定就是隧道照明的最終方案，不同的隧道會(huì)根據(jù)自身的照明環(huán)境進(jìn)行布置。例如，一些隧道鑒于雙側(cè)布置耗能偏高、中央布置維護(hù)不方便的問(wèn)題，最終采用偏置布燈方案，即通過(guò)在隧道的一側(cè)合理布置燈具的高度和角度，可以在實(shí)際應(yīng)用中得到滿(mǎn)意的照明效果。

中國(guó)學(xué)者們?cè)诓紵艏夹g(shù)方面取得了一定的進(jìn)展，如楊超通過(guò)優(yōu)化模型的方法求得LED燈具在隧道中段的功耗與布燈方式，并與該隧道的實(shí)際布燈方式相比較發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化LED燈具的布燈方式比目前的布燈方式節(jié)能40%；鄭軍采用兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置的方式，在公路隧道LED照明研究中解決了因照明段亮度大、中間布燈間距小而導(dǎo)致的燈具散熱不好的問(wèn)題，這種布燈方式使路面亮度更加均勻，司機(jī)視覺(jué)舒適感增加，行車(chē)的安全性得到提升；馬聰采用左右對(duì)稱(chēng)的布燈方案保障了行車(chē)安全，達(dá)到了良好的節(jié)能目的；李志強(qiáng)采用雙側(cè)對(duì)稱(chēng)布置方案研究了LED布燈方案對(duì)節(jié)能性的影響，結(jié)果表明，與高壓鈉燈相比，所采用的LED布燈方案既滿(mǎn)足了照明要求，又達(dá)到節(jié)能的效果；郗鋒采用交錯(cuò)布置的布燈方案，引入段燈具間距最小，基本段間距最大，燈具用新型的LED燈具替換傳統(tǒng)的高壓鈉燈，照明總功率為原設(shè)計(jì)的0.6倍，節(jié)能40%。

綜上所述，LED燈具有高效節(jié)能特性，采取合理的燈具排布和智能控制方式，可使LED在公路隧道照明中有更大的應(yīng)用價(jià)值。

5 隧道LED智能控制技術(shù)

良好的隧道照明控制系統(tǒng)需將隧道內(nèi)亮度、洞外亮度、車(chē)流量和車(chē)速等相關(guān)因素考慮進(jìn)去，形成一種智能控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)不僅可以滿(mǎn)足隧道的照明要求，降低發(fā)生交通事故的概率，還能節(jié)約能源。由于LED燈具與傳統(tǒng)燈具相比，具有響應(yīng)速度快、控制模式靈活、功率低、壽命長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單、安全及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此可以被設(shè)計(jì)成智能控制隧道燈具。

LED智能照明系統(tǒng)依據(jù)隧道自適應(yīng)照明原理，采用分段照明方案，并通過(guò)實(shí)時(shí)環(huán)境反饋的信息來(lái)進(jìn)行控制調(diào)光，結(jié)合隧道外環(huán)境情況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及隧道內(nèi)車(chē)流量、車(chē)速等信息，控制LED燈電源的輸出電流，從而調(diào)節(jié)其輸出功率，符合最新公路隧道照明規(guī)范中的實(shí)時(shí)調(diào)光建議，也為司機(jī)在隧道內(nèi)安全行車(chē)提供了保障。

槐尖山隧道智能監(jiān)控中心系統(tǒng)采用規(guī)范化的、具有充分彈性的層次化結(jié)構(gòu)，在隧道監(jiān)控項(xiàng)目的基礎(chǔ)上形成了機(jī)電綜合節(jié)能及信息管理一體化的能耗優(yōu)化運(yùn)行平臺(tái)，該平臺(tái)不僅能夠有效實(shí)時(shí)地了解隧道內(nèi)的狀況，而且還極大地降低了能耗。該運(yùn)行平臺(tái)如圖3所示。

圖3 能耗優(yōu)化運(yùn)行平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

槐尖山隧道監(jiān)控中心成功地系統(tǒng)應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，使系統(tǒng)具有便捷、強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，對(duì)各種監(jiān)控設(shè)備可以做到實(shí)時(shí)采集數(shù)字量變化信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要發(fā)布設(shè)備控制指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，利用現(xiàn)代通訊轉(zhuǎn)換控制技術(shù)，打通了照明、通風(fēng)、視頻、電力、消防等系統(tǒng)的信息鏈路，實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)家決策的自動(dòng)策略調(diào)度功能，保障了隧道的能耗優(yōu)化運(yùn)行，大大提高了隧道監(jiān)控效率和隧道安全保障能力，是隧道現(xiàn)代安全節(jié)能技術(shù)研究成果的體現(xiàn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前中國(guó)LED用于隧道照明的應(yīng)用起步較晚，且LED與高壓鈉燈各有優(yōu)缺點(diǎn)，在市場(chǎng)上依舊處于共存狀態(tài)，但未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)仍是以環(huán)保、效益為主導(dǎo)，因此LED隧道燈必須揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，生產(chǎn)出更加高效、合理的產(chǎn)品，為了推動(dòng)LED的應(yīng)用，促進(jìn)行業(yè)健康平穩(wěn)發(fā)展，筆者提出以下幾點(diǎn)建議。

（1）在技術(shù)層面上，由于用于隧道照明的較大功率的LED燈芯的光電轉(zhuǎn)換效率較低，因此絕大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，不僅浪費(fèi)了能源，而且會(huì)影響LED燈具的正常使用，降低LED燈具的使用壽命，LED的散熱問(wèn)題依然是世界難題；市場(chǎng)上的LED光源以冷色為主，從人眼的需求出發(fā)，關(guān)注主觀感受和色溫的關(guān)系，制造出讓人眼更舒適的色溫區(qū)間的光源。

（2）在市場(chǎng)方面，中國(guó)隧道LED燈具芯片依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口（科銳、歐司朗等），與鈉燈相比價(jià)格偏高，研制出自主品牌的低價(jià)位的LED產(chǎn)品是發(fā)展的重點(diǎn)之一。

（3）在布燈技術(shù)方面，認(rèn)識(shí)隧道照明的特殊性，重視光學(xué)設(shè)計(jì)的重要性，采用合理的布燈技術(shù)，避免能源的浪費(fèi)，提高行車(chē)的安全性。