高速公路隧道照明亮度分析控制方案研究

李俊杰

（山西交通控股集團(tuán)有限公司中部高速公路分公司,山西 太原 030000）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)國(guó)力的不斷增強(qiáng)，高速公路作為構(gòu)建我國(guó)交通大動(dòng)脈的主要基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期，其建設(shè)里程持續(xù)增加，而作為我國(guó)高速公路建設(shè)重要組成部分的隧道工程的數(shù)量和里程也呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。根據(jù)交通運(yùn)輸部2023 年2 月23 日的新聞發(fā)布會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果報(bào)告情況，我國(guó)的高速公路總里程數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了177 000 km，成為全球最大的高速公路網(wǎng)。其中隧道達(dá)到24 850 處，2 678.43 萬(wàn)延米，特長(zhǎng)隧道1 752 處，達(dá)到795.11 萬(wàn)延米，長(zhǎng)隧道6 715 處，達(dá)到1 172.82 萬(wàn)延米[2-3]。在高速公路隧道大量投入使用過(guò)程中，由于其屬于半封閉的環(huán)境，在車(chē)輛進(jìn)出隧道洞口的過(guò)程中，隧道內(nèi)外部之間的光照強(qiáng)度變化會(huì)對(duì)司機(jī)的視線和駕駛產(chǎn)生重要影響。即在車(chē)輛高速進(jìn)入隧道時(shí)視覺(jué)會(huì)產(chǎn)生“黑洞效應(yīng)”，而在快速駛出隧道時(shí)又會(huì)產(chǎn)生“白洞效應(yīng)”，導(dǎo)致駕駛員無(wú)法看清路面交通情況，容易引發(fā)交通事故。根據(jù)交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）的要求，長(zhǎng)度l＞200 m的高速公路隧道、長(zhǎng)度100 m ＜l≤200 m 的高速公路光學(xué)長(zhǎng)隧道均應(yīng)安裝照明設(shè)施。以S45 天黎高速左黎段的黃家會(huì)隧道、沐池隧道、柏管寺隧道、小寨隧道、故驛隧道、桐峪隧道等6條隧道為例，每年照明電費(fèi)高達(dá)400 多萬(wàn)元，而單洞長(zhǎng)3.568 km，總長(zhǎng)7.144 km 的沐池隧道單日照明費(fèi)就高達(dá)3 300 元以上，隧道用電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，隧道每1 km年電費(fèi)為20 余萬(wàn)元，由此可見(jiàn)隧道照明節(jié)能減排勢(shì)在必行[4]。科學(xué)有效地進(jìn)行隧道內(nèi)照明亮度控制，充分結(jié)合外部環(huán)境的變化，確保隧道內(nèi)的光照亮度有效滿足駕駛員進(jìn)入隧道和駛出隧道時(shí)的視覺(jué)環(huán)境需求，研究舒適、安全、節(jié)能的隧道照明控制方案是高速公路隧道投入使用的重點(diǎn)工作。

1 公路隧道照明控制方案

對(duì)高速公路隧道進(jìn)行照明控制就是有效規(guī)避“白洞效應(yīng)”和“黑洞效應(yīng)”，為駕駛員提供舒適安全的隧道駕駛視覺(jué)環(huán)境，確保無(wú)論白天還是黑夜，駕駛員都能夠按照設(shè)計(jì)車(chē)速安全通行，以降低隧道安全事故的發(fā)生率。為了達(dá)到這一要求，就需要針對(duì)隧道照明進(jìn)行科學(xué)控制。一方面，駕駛員在駕駛過(guò)程中以及外部環(huán)境亮度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)外的亮度差產(chǎn)生變化，另一方面，隧道內(nèi)不同部位的亮度以及人的視覺(jué)適應(yīng)能力也會(huì)發(fā)生變化，多種因素影響，使得隧道照明在控制設(shè)計(jì)過(guò)程中需要以科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)節(jié)能為目標(biāo)[5]。結(jié)合現(xiàn)有的公路隧道照明控制方案進(jìn)行研究，主要包括三種模式：

1.1 手動(dòng)控制方式

手動(dòng)控制方式在應(yīng)用過(guò)程中是由監(jiān)控中心的操作員結(jié)合隧道的照明度具體情況以及外界天氣變化進(jìn)行隧道照明回路的控制。通過(guò)對(duì)隧道照明回路的控制，改變隧道內(nèi)照明亮度，能為駕駛員提供相應(yīng)的照明需求。采用該方法進(jìn)行照明亮度控制時(shí)可分為單回路和多回路兩種類(lèi)型，單回路就是在操作員進(jìn)行照明控制的過(guò)程中可分別針對(duì)各照明回路進(jìn)行單獨(dú)控制，而多回路則是指將所有的照明回路按照不同等級(jí)進(jìn)行組合，然后進(jìn)行分組控制。在單回路控制方法應(yīng)用的過(guò)程中其靈活性更強(qiáng)，而多回路在應(yīng)用的過(guò)程中操作更加方便，可結(jié)合外部天氣變化特點(diǎn)和左線右線的照明需求進(jìn)行回路控制。

1.2 分段時(shí)序照明控制方案

分段時(shí)序照明控制方案是指在進(jìn)行隧道照明系統(tǒng)控制的過(guò)程中按照季節(jié)時(shí)序或者一天中的不同時(shí)段進(jìn)行照明回路控制。這主要是因?yàn)樗淼劳獠凯h(huán)境在不同季節(jié)和在每一天的不同時(shí)段其相應(yīng)的亮度會(huì)發(fā)生變化，為了適應(yīng)這一變化以達(dá)到節(jié)能減排的目的，可結(jié)合不同時(shí)段的照明需求來(lái)開(kāi)啟相應(yīng)的照明回路，以保障高速公路隧道內(nèi)外部的亮度差在合理范圍內(nèi)。在按照分段時(shí)序進(jìn)行照明控制的過(guò)程中，依據(jù)表1 所示的時(shí)間和季節(jié)進(jìn)行分配，由于在設(shè)置時(shí)相應(yīng)的季節(jié)和時(shí)間段都處于固定狀態(tài)，因此并不能靈活地進(jìn)行亮度控制，當(dāng)隧道外部天氣發(fā)生變化引起內(nèi)外部亮度差發(fā)生較大改變則不能及時(shí)進(jìn)行隧道內(nèi)部的照明調(diào)節(jié)，因此在進(jìn)行亮度控制的過(guò)程中，不夠準(zhǔn)確和及時(shí)，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。

表1 時(shí)序照明方案時(shí)間分配策略表

1.3 亮度自適應(yīng)控制方案

該照明系統(tǒng)包括LED 柔性調(diào)光照明控制系統(tǒng)和車(chē)輛感應(yīng)式照明控制系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)既處于相互獨(dú)立的工作狀態(tài)，也能夠協(xié)同工作。其中LED 柔性調(diào)光照明控制系統(tǒng)主要是通過(guò)柔性調(diào)光技術(shù)的應(yīng)用，保障車(chē)輛在行駛的過(guò)程中能夠達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求的最小照明亮度值，并結(jié)合外部環(huán)境的不同亮度變化自主調(diào)整隧道內(nèi)的照明亮度，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整使隧道內(nèi)外的亮度差始終處于合理范圍內(nèi)，這種自適應(yīng)既能夠有效防止因外部亮度變暗而內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)度照明，也能夠防止因外部亮度過(guò)高而內(nèi)部亮度不足的問(wèn)題。通過(guò)亮度自適應(yīng)的控制，既能夠?yàn)閺V大駕乘人員提供舒適安全的駕駛環(huán)境，也能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的。而車(chē)輛感應(yīng)式照明控制系統(tǒng)則是防止在隧道使用過(guò)程中隧道交通量變化造成資源浪費(fèi)，尤其是對(duì)于隧道交通量較少的情形，采用車(chē)輛感應(yīng)式照明控制系統(tǒng)能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的。該系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)安裝車(chē)輛檢測(cè)器以識(shí)別隧道的車(chē)輛通行情況，結(jié)合是否存在車(chē)輛通行進(jìn)行照明系統(tǒng)的開(kāi)啟與關(guān)閉，當(dāng)沒(méi)有車(chē)輛通行時(shí)照明系統(tǒng)自行關(guān)閉，檢測(cè)到有車(chē)輛即將通過(guò)時(shí)則開(kāi)啟照明燈。

2 工程概況

該研究所選擇工程為山西省高速公路網(wǎng)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、冀地區(qū)的重要通道，起點(diǎn)位于晉中市左權(quán)縣城東北，與陽(yáng)（泉）—左（權(quán)）、和（順）—榆（社）高速相接，路線全長(zhǎng)77.913 km，所在工程沐池隧道為南北走向，隧道全長(zhǎng)為3 568 m，為雙洞雙線單向行駛隧道模式。隧道路面為復(fù)合式瀝青路面，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。隧道照明采用箱式變電站供電。路段隧道全部采用高壓鈉燈作為隧道主洞照明、應(yīng)急照明光源；采用防爆熒光燈作為人行橫洞、車(chē)行橫洞、緊急停車(chē)照明光源。隧道照明系統(tǒng)加強(qiáng)照明燈具為對(duì)稱(chēng)布設(shè)，基本照明燈具為交錯(cuò)布設(shè)。全隧道共包括4 個(gè)照明回路，其中有2 個(gè)照明回路為加強(qiáng)照明，有2 個(gè)照明回路為基本照明，在照明回路調(diào)節(jié)方面按照晴天、雨天、陰天、夜間4 檔進(jìn)行控制，即按照不同天氣情況進(jìn)行自適應(yīng)照明亮度控制調(diào)節(jié)。在隧道照明分布的過(guò)程中，按照5 個(gè)階段布置，分別為入口段、過(guò)渡段1、過(guò)渡段2、中間段、出口段。入口段照明采用400 W 高壓鈉燈，布設(shè)間距2 m；過(guò)渡段1 照明采用250 W 高壓鈉燈，布設(shè)間距4 m；過(guò)渡段2 照明采用150 W 高壓鈉燈，布設(shè)間距8 m；中間段照明采用100 W高壓鈉燈，布設(shè)間距12 m；出口段照明采用150 W 高壓鈉燈，布設(shè)間距6 m。

根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，計(jì)劃改造實(shí)施采用LED 燈具替換原高壓鈉燈，燈具布置按照新的規(guī)范要求進(jìn)行配光。隧道照明段落劃分為入口段1、入口段2、過(guò)渡段1、過(guò)渡段2、中間段、出口段1、出口段2；將原入口段平均劃分為入口段1、入口段2，將原出口段平均劃分為出口1、出口段2。隧道入口段1 采用140 W LED 燈兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，布置間距1 m；入口段2 采用120 W LED 燈兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，布置間距2 m；過(guò)渡段1、過(guò)渡段2 采用80 W、60 W LED 燈兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，布置間距4 m；出口段1 采用40 W LED 燈兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，布置間距3 m；出口段2 采用60 W LED 燈兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，布置間距3 m?；径尾捎?0 W LED 燈兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，布置間距12 m。

3 高速公路隧道照明亮度自適應(yīng)控制方案應(yīng)用分析

3.1 高速公路隧道照明亮度自適應(yīng)控制實(shí)施方案

對(duì)于該案例所選高速公路隧道在進(jìn)行照明亮度自適應(yīng)控制的過(guò)程中，其按照入口段1、入口段2、過(guò)渡段1、過(guò)渡段2、中間段、出口段1、出口段2 不同路段和相關(guān)間距進(jìn)行布燈之后，在LED 柔性調(diào)光照明控制實(shí)施的過(guò)程中按照如表2 所示的照明控制方式，進(jìn)行控制：

表2 不同天氣類(lèi)型LED 柔性調(diào)光照明亮度控制方案

在按照上述不同天氣情況進(jìn)行照明控制之后，進(jìn)一步結(jié)合車(chē)輛感應(yīng)式照明控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，即在感應(yīng)到有車(chē)輛進(jìn)入隧道時(shí)按照上述照明控制方式進(jìn)行控制，在沒(méi)有車(chē)輛進(jìn)入時(shí)則停止照明[5]。同時(shí)，在上述方案應(yīng)用時(shí)所用燈具均為新型LED 燈，利用系數(shù)大于0.7，對(duì)于隧道內(nèi)的應(yīng)急停車(chē)帶則采用顯色性較高的熒光帶。系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 高速公路隧道照明亮度自適應(yīng)控制總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 高速公路隧道照明亮度自適應(yīng)控制方案效果計(jì)算

3.2.1 傳統(tǒng)回路高壓鈉燈的年用電量計(jì)算方法

為了分析亮度自適應(yīng)控制方案的應(yīng)用效果，按照《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范連接》（TJ026.1—1999）以及《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，在其發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度、均勻度、頻閃等基本指標(biāo)達(dá)到要求之后，進(jìn)行用電量測(cè)試，并與傳統(tǒng)照明控制方案進(jìn)行對(duì)比，分析亮度自適應(yīng)控制方案的實(shí)施效果。

傳統(tǒng)回路高壓鈉燈的年用電量計(jì)算公式如公式1 所示：

這一公式為傳統(tǒng)回路的高壓鈉燈用電量計(jì)算方法，其中，i=1、2、3、4——分別代表4 種天氣，且每一種天氣為12 h；m為1 和2——分別對(duì)應(yīng)夜間和后半夜，每種類(lèi)型為6 h；N——相應(yīng)的天氣類(lèi)型在全年所占百分比；Q——相應(yīng)類(lèi)型天氣下每1 h 的燈具用電量；Qm——相應(yīng)類(lèi)型夜間每1 h 的燈具用電量。

3.2.2 亮度自適應(yīng)控制方案年用電量計(jì)算方法

對(duì)于亮度自適應(yīng)控制方案應(yīng)用過(guò)程中的用電量計(jì)算時(shí)，其年用電量計(jì)算公式如公式（2）所示：

式中，i——分別對(duì)應(yīng)表2 所示的天氣類(lèi)型；N——相應(yīng)天氣在全年天氣中的占比；P——相應(yīng)天氣下的平均用電量。

3.2.3 日用電量比較

在亮度自適應(yīng)控制方案應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求之后，按照上述公式所計(jì)算出的日用電量測(cè)試結(jié)果分別在晴天、雨天、陰天、夜間的日用電量分別為96 kW·h、14kW·h、46kW·h、48 kW·h，而采用傳統(tǒng)回路的高壓鈉燈日用電量在4 種天氣下分別為194 kW·h、150 kW·h、102 kW·h、72 kW·h。

3.2.4 節(jié)電效果

為了進(jìn)一步比較兩種方案在應(yīng)用過(guò)程中年用電量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，觀察該隧道所在區(qū)域的晴天、陰天、雨天、夜間四中天氣所占比例分別為28%、27%、23%、22%，按照公式可計(jì)算出公路隧道自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)的年用電量為19 258 kW·h。該方案應(yīng)用之后的年節(jié)約電量，為高壓鈉燈回路控制系統(tǒng)年用電量減去自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)年用電量，其高壓鈉燈回路控制系統(tǒng)年用電量為64 970 kW·h，計(jì)算出年節(jié)電比例為70.4%。

4 結(jié)語(yǔ)

在高速公路隧道照明系統(tǒng)控制的過(guò)程中，既要充分結(jié)合外部天氣變化維持隧道內(nèi)外照明亮度差的穩(wěn)定性，也要充分結(jié)合隧道的使用情況進(jìn)行合理控制。該研究分析了基于外部環(huán)境亮度變化和隧道內(nèi)車(chē)流量結(jié)合的隧道照明亮度自適應(yīng)控制方案的實(shí)踐應(yīng)用，通過(guò)對(duì)方案的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，總結(jié)其在應(yīng)用之后的節(jié)能效果，最終通過(guò)計(jì)算證實(shí)通過(guò)應(yīng)用隧道照明亮度自適應(yīng)控制方案相比傳統(tǒng)回路高壓鈉燈照明系統(tǒng)能夠達(dá)到70.4%的節(jié)電效果。