高速公路隧道照明節(jié)能技術(shù)的研究

楊帥

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司莆田管理分公司，福建莆田 351100）

0 引言

當(dāng)駕駛員進(jìn)入隧道時(shí)，突然由陽(yáng)光下的高亮度環(huán)境轉(zhuǎn)換到隧道內(nèi)部的低亮度環(huán)境，會(huì)產(chǎn)生所謂的“黑洞效應(yīng)”，使得駕駛員的視線出現(xiàn)模糊暗淡的情況，很難看清道路情況。同樣的，當(dāng)駕駛員從隧道內(nèi)部出來(lái)，突然進(jìn)入高亮度環(huán)境時(shí)，會(huì)產(chǎn)生所謂的“白洞效應(yīng)”，使得駕駛員的視線會(huì)出現(xiàn)明亮刺眼的情況。此類(lèi)效應(yīng)會(huì)影響駕駛員的反應(yīng)時(shí)間和視線準(zhǔn)確度，進(jìn)而增加駕駛過(guò)程中發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要采取一系列措施來(lái)減少隧道內(nèi)外亮度差異。例如，在隧道的出入口處安裝燈光設(shè)備，使隧道外部和內(nèi)部的光線逐漸過(guò)渡，減少光線的突變，從而讓駕駛員的眼睛逐漸適應(yīng)新的光線環(huán)境。此外，隧道內(nèi)部也可以設(shè)置適當(dāng)?shù)恼彰髟O(shè)施，以增強(qiáng)駕駛員在隧道內(nèi)部的視覺(jué)能力。還可以使用特殊的涂料或材料來(lái)反射光線，以增強(qiáng)隧道內(nèi)部的亮度。這些措施可以幫助駕駛員更好地適應(yīng)隧道內(nèi)外不同的光線環(huán)境，從而減少交通事故的發(fā)生率。

1 高速公路隧道照明現(xiàn)狀

目前，高速公路隧道的照明設(shè)施已經(jīng)得到很大改善。隧道內(nèi)部通常采用的是高強(qiáng)度氙燈或LED 燈等照明設(shè)備，以確保隧道內(nèi)部有足夠亮度，讓駕駛員可以清晰地看到前方道路和交通標(biāo)志。隧道內(nèi)部照明的亮度和顏色也要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以確保駕駛員的視覺(jué)能力不會(huì)受到影響。一般而言，隧道內(nèi)部的照明強(qiáng)度應(yīng)該比隧道外部的照明強(qiáng)度略高一些，這樣可以減少駕駛員從隧道內(nèi)部出來(lái)時(shí)產(chǎn)生的“白洞效應(yīng)”。

另外，為了進(jìn)一步提高隧道內(nèi)部的亮度，一些高速公路隧道還安裝了光纖照明設(shè)備。這種設(shè)備能夠?qū)⒐饩€通過(guò)光纖傳輸?shù)礁鱾€(gè)角落，使隧道內(nèi)部的亮度更加均勻和明亮。同時(shí)，光纖照明設(shè)備也能夠增強(qiáng)隧道內(nèi)部的裝飾效果，為駕駛員提供更好的視覺(jué)享受。

此外，一些新型的高速公路隧道還采用可變照明技術(shù)。這種技術(shù)可以根據(jù)環(huán)境光線的變化自動(dòng)調(diào)整隧道內(nèi)部的照明強(qiáng)度和顏色，以確保駕駛員的視覺(jué)能力不會(huì)受到影響?？勺冋彰骷夹g(shù)還可以根據(jù)車(chē)流量和天氣情況等因素，自動(dòng)調(diào)整照明設(shè)備的亮度和顏色，以提高駕駛員的行車(chē)安全性[1]。

總體而言，隨著科技的不斷發(fā)展，高速公路隧道的照明設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)和智能化，為駕駛員提供更好的行車(chē)環(huán)境和視覺(jué)保障。

2 高速公路隧道照明節(jié)能系統(tǒng)概述

本文以莆炎高速莆田段岐山隧道A 道照明系統(tǒng)完善項(xiàng)目為案例，研究分析高速公路隧道照明節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用。岐山隧道位于福建省莆田市境內(nèi)，A 道全長(zhǎng)8039m，照明設(shè)計(jì)速度為100km/h。隧道按雙洞單向行車(chē)方式布設(shè)燈具，以電光照明實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外的光過(guò)渡。工程項(xiàng)目中原隧道照明采用高壓鈉燈，此次改造全部替換為可調(diào)光的LED 燈，原燈位替換。具體節(jié)能系統(tǒng)組成如下所示。

2.1 毫米波雷達(dá)控制器及物聯(lián)LED 燈具分段控制器

岐山隧道A 道洞口入口情報(bào)板門(mén)架處安裝2 臺(tái)毫米波雷達(dá)控制器，通過(guò)抱箍固定分別朝向兩個(gè)車(chē)道中間位置，與毫米波雷達(dá)控制器的水平距離保持在10m，可在車(chē)輛未進(jìn)洞口時(shí)檢測(cè)到車(chē)輛，實(shí)現(xiàn)提前亮燈（洞口安裝距離100m 為最佳距離，如隧道無(wú)門(mén)架或原有門(mén)架不符合安裝距離要求的可新增立柱安裝）。隧道內(nèi)每間隔35m 交替布設(shè)1 臺(tái)毫米波雷達(dá)控制器或1 臺(tái)物聯(lián)LED 燈具分段控制器。

設(shè)備接線安裝步驟如下。

一是固定支架：設(shè)備的支架固定在燈具來(lái)車(chē)方向的側(cè)邊，支架底部水平擺放，此時(shí)設(shè)備的出線孔位應(yīng)在隧道頂部方向，若設(shè)備的支架固定孔位與燈具支架的孔位對(duì)齊，則將燈具孔位的螺絲旋下，將設(shè)備的支架孔位與之對(duì)齊并鎖緊螺絲，若未對(duì)準(zhǔn)，則利用扎帶或轉(zhuǎn)孔的方式將設(shè)備按照以上方向固定在燈具上。切記支架底部應(yīng)水平，與燈具貼合而不是垂直。

二是連接信號(hào)線：將設(shè)備兩芯信號(hào)線（OUTPUT，棕正藍(lán)負(fù)）和燈具兩芯信號(hào)線正負(fù)極對(duì)應(yīng)連接，并用電工膠布包裹連接處（核對(duì)燈具上的標(biāo)志符號(hào)，與設(shè)備正負(fù)對(duì)應(yīng)）。

三是接入互感器（若有）：將燈具電源線的火線穿入互感器中。

四是連接電源線：設(shè)備和燈具電源均為220V，將設(shè)備和燈具的電源線一同接入應(yīng)急照明燈電源回路中。

五是調(diào)整設(shè)備方向：毫米波雷達(dá)控制器和物聯(lián)LED 燈具分段控制器在水平和垂直方向上角度可調(diào)，先擰松兩個(gè)方向上的固定螺釘，將毫米波雷達(dá)控制器朝向調(diào)至隧道中線位置，距離毫米波雷達(dá)控制器水平距離約26m 處（可用激光筆貼在毫米波雷達(dá)控制器外殼中部，根據(jù)手電筒光線方向輔助調(diào)整），調(diào)好角度后，擰緊固定兩個(gè)方位的螺釘。物聯(lián)LED 燈具分段控制器無(wú)須像毫米波雷達(dá)控制器一樣嚴(yán)格規(guī)定方向，只須調(diào)整到不遮擋燈光的位置即可。

六是記錄設(shè)備原始編號(hào)：將設(shè)備標(biāo)簽上的編號(hào)用記號(hào)筆記錄在設(shè)備安裝位置的墻面，離地面高度約1.5m 處。

2.2 網(wǎng)聯(lián)邊緣照明控制主機(jī)

網(wǎng)聯(lián)邊緣照明控制主機(jī)安裝于岐山隧道A 道入口機(jī)房?jī)?nèi)，應(yīng)選擇與機(jī)房?jī)?nèi)的攝像機(jī)交換機(jī)較近、有光照度信號(hào)線接口（預(yù)留）且4G 信號(hào)較強(qiáng)的位置，將網(wǎng)聯(lián)邊緣照明控制主機(jī)固定在墻上，高度以易于人員操作為宜[2]。

設(shè)備接線安裝步驟如下。

一是固定網(wǎng)聯(lián)邊緣照明控制主機(jī)：選好安裝位置后，將邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)用膨脹螺釘固定在墻上。

二是天線安裝：將4G 天線、LoRa 天線從外殼上的天線孔位處穿至內(nèi)部，并將天線接頭接到電路板對(duì)應(yīng)天線的接口處。

三是連接外部傳感器：連接光照度的RS485、電表的RS485 線至電路板上的RS485 接口上，電路板上只有一個(gè)RS485 接口，所有采用RS485 通信的傳感器都接到此處。

四是連接電源線：邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)采用220V 供電，將三芯電源線接至外部供電處。

五是整理所有線路，使線路整齊，沒(méi)有安全隱患。

2.3 洞口車(chē)流量車(chē)速檢測(cè)設(shè)備（道釘）

在距離隧道入口大于80m 處，根據(jù)車(chē)道數(shù)布設(shè)兩車(chē)道數(shù)個(gè)道釘，每個(gè)車(chē)道2 個(gè)道釘，間隔15m，兩車(chē)道的道釘錯(cuò)位安裝，不要處于同一截面。在道釘附近的路邊，將車(chē)流量車(chē)速檢測(cè)設(shè)備網(wǎng)關(guān)固定在最近的桿上（100m 以?xún)?nèi)，若桿的距離超過(guò)100m，則需在道釘附近護(hù)欄外自行立桿），高度不低于3m。

洞口車(chē)流量車(chē)速檢測(cè)設(shè)備（道釘）安裝如下。

一是選取車(chē)道中間位置安裝洞口車(chē)流量車(chē)速檢測(cè)設(shè)備（道釘），單車(chē)道安裝2 個(gè)道釘，2 個(gè)道釘之間間隔15m 安裝。

二是路面開(kāi)孔：使用φ150mm 的水鉆取芯機(jī)在路面打一個(gè)70mm 深的孔（道釘高度65mm）。

三是放置道釘：將孔的底部和側(cè)面填充約180mL的環(huán)氧樹(shù)脂，以道釘放入后剛好填滿為宜，將道釘放入孔內(nèi)，輕輕按壓道釘?shù)纳媳砻媸沟泪數(shù)? 個(gè)定位支角剛好與路面接觸。道釘上透明蓋板有一處平口防呆缺口，防呆缺口統(tǒng)一朝向行車(chē)方向右方。

四是修復(fù)路面：將道釘上溢出的環(huán)氧樹(shù)脂沖洗干凈，道釘上的透明蓋板表面也要清洗干凈。

車(chē)流量車(chē)速檢測(cè)設(shè)備網(wǎng)關(guān)接線安裝如下。

一是固定：將網(wǎng)關(guān)用抱箍固定于桿上，高度不低于3m（推薦高度3m）。

二是連接電源線：有源網(wǎng)關(guān)采用220V 供電；無(wú)源網(wǎng)關(guān)利用太陽(yáng)能板供電（需安裝太陽(yáng)能板）。220V 分別接在有源網(wǎng)關(guān)的L（棕線）—N（藍(lán)線）—E（黃線）對(duì)應(yīng)接線上；無(wú)源網(wǎng)關(guān)的太陽(yáng)能板接網(wǎng)關(guān)的電源線，紅線接紅線，黑線接黑線。

三是太陽(yáng)能板安裝角度為42°正南方。

3 高速公路隧道照明節(jié)能方案設(shè)計(jì)

3.1 照明設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方案

隧道內(nèi)照明亮度的分布通常會(huì)按照入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段進(jìn)行梯形變化，這意味著從隧道入口開(kāi)始，照明亮度會(huì)逐漸增加，達(dá)到最高點(diǎn)，然后在過(guò)渡段開(kāi)始逐漸減少，最終在隧道出口處達(dá)到最低點(diǎn)。這種亮度變化設(shè)計(jì)是為了確保隧道內(nèi)的照明充足且合理，同時(shí)也能夠減少照明所需的能量和成本。然而，這種亮度變化也會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生影響，因?yàn)樵隈{駛過(guò)程中，他們需要不斷適應(yīng)光線變化，這可能造成一定的視覺(jué)疲勞和不適，進(jìn)而影響駕駛舒適度和安全性。因此，在設(shè)計(jì)隧道照明時(shí)，需要綜合考慮照明充足性、能耗和駕駛員的視覺(jué)舒適度等多種因素，以確保隧道照明的安全和效果[3]。

3.2 隧道照明智能控制方案設(shè)計(jì)

隧道照明是保障道路交通安全的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的隧道照明控制策略往往是固定的亮度曲線，難以適應(yīng)不同時(shí)間、天氣、交通流量等變化情況。因此，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)光是提高隧道照明控制精度的重要手段。

近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展為隧道照明的控制提供了新的思路。其中，長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）是一種常用的深度學(xué)習(xí)模型，適用于時(shí)間序列數(shù)據(jù)的建模和預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以建立基于LSTM 的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道照明的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)光。具體而言，模型訓(xùn)練的過(guò)程可以分為三個(gè)步驟。首先，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立LSTM模型，并通過(guò)回歸算法優(yōu)化模型參數(shù)。其次，將優(yōu)化后的模型應(yīng)用于實(shí)際隧道照明系統(tǒng)中，并通過(guò)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋和修正。最后，根據(jù)修正后的模型參數(shù)，更新隧道照明的亮度曲線，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)光。除了LSTM 模型，模糊控制也是常用的隧道照明控制策略。在深度學(xué)習(xí)和模糊控制相結(jié)合的方法中，可以將LSTM 模型預(yù)測(cè)的亮度值輸入模糊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的調(diào)光控制。深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高隧道照明的控制精度。通過(guò)建立模型、進(jìn)行訓(xùn)練和回歸，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)光，可以更好地適應(yīng)隧道內(nèi)外部環(huán)境的變化，提高道路交通安全性[4]。

如圖1 所示，隧道照明智能控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括多個(gè)關(guān)鍵組成部分，如采集裝置、檢測(cè)裝置、主控制器和LED 無(wú)級(jí)調(diào)光控制器等。其中，采集裝置主要包括設(shè)置在隧道口的亮度檢測(cè)儀和車(chē)輛檢測(cè)儀，用以采集隧道外的亮度信息、車(chē)速和車(chē)流量等數(shù)據(jù)，并將其實(shí)時(shí)上傳至主控制器。檢測(cè)裝置則用來(lái)檢測(cè)是否有車(chē)輛進(jìn)入隧道接近段，以便主控制器能夠及時(shí)進(jìn)行照明調(diào)光處理。主控制器則是系統(tǒng)的中樞，它接收來(lái)自采集裝置和檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，并根據(jù)一定的控制策略下發(fā)隧道照明調(diào)光指令。LED 無(wú)級(jí)調(diào)光控制器則負(fù)責(zé)控制各個(gè)LED 燈的亮度，以實(shí)現(xiàn)隧道照明的實(shí)時(shí)調(diào)光控制。

圖1 隧道照明智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)控制過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)協(xié)同作用的過(guò)程。當(dāng)檢測(cè)傳感器感應(yīng)到有車(chē)輛進(jìn)入隧道口時(shí)，主控制器會(huì)發(fā)出采集命令，控制采集裝置實(shí)時(shí)采集洞外亮度、車(chē)速及車(chē)流量等信息，并將這些數(shù)據(jù)作為控制輸入?yún)?shù)進(jìn)行調(diào)光處理。接著，主控制器按照一定的控制策略輸出隧道照明調(diào)光指令，下發(fā)到LED 無(wú)極調(diào)光控制器上，控制各個(gè)照明裝置的亮度。通過(guò)這種方式，隧道照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)照明亮度的精確控制，從而提高隧道行車(chē)的安全性和舒適度[5]。

總體而言，隧道照明智能控制系統(tǒng)是一個(gè)高度智能化、復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)照明亮度的精確控制，還可以根據(jù)隧道外部環(huán)境和車(chē)流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，從而提高隧道的安全性和使用體驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了保證駕駛員在隧道內(nèi)駕駛過(guò)程的舒適性和道路交通的安全性，隧道照明系統(tǒng)需要滿足多種需求，包括能耗控制、照度均勻性、色溫調(diào)節(jié)等。其中，照明供電系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的重要組成部分。照明供電系統(tǒng)需要保證隧道內(nèi)的照明設(shè)備正常供電。傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)往往采用交流電源，但是能效低、維護(hù)成本高、安全性差等問(wèn)題限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。近年來(lái)，隨著LED 照明技術(shù)的發(fā)展，直流供電系統(tǒng)成為一種備受關(guān)注的解決方案。與傳統(tǒng)的交流供電系統(tǒng)相比，直流供電系統(tǒng)能耗更低、穩(wěn)定性更好、壽命更長(zhǎng)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制，為隧道照明提供更加可靠的支撐。照明控制系統(tǒng)需要根據(jù)隧道內(nèi)外部環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)光，以保證照度的均勻性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。傳統(tǒng)的照明控制策略往往采用固定的亮度曲線，無(wú)法適應(yīng)隧道內(nèi)外光照、天氣、交通流量等因素的變化，從而導(dǎo)致能源的浪費(fèi)和駕駛員的不適感。因此，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)光成為提高控制精度和駕駛舒適度的重要手段。常見(jiàn)的調(diào)光方法包括動(dòng)態(tài)亮度曲線、照度反饋、環(huán)境感知等技術(shù)。通過(guò)智能控制系統(tǒng)的建立和優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的照明控制，提高能源的利用效率和駕駛員的舒適感；引入先進(jìn)的照明技術(shù)、優(yōu)化照明控制策略和建立智能控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)隧道照明的高效、智能化和可持續(xù)發(fā)展。