山區(qū)高速公路隧道照明智能控制技術(shù)分析

王小博

（陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710054）

1 前言

“要想富，先修路”，高速公路是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的助推劑，能有效促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)也逐漸從東部發(fā)達(dá)地區(qū)向中西部發(fā)展。近10年來，中西部高速公路得到了快速發(fā)展，路網(wǎng)規(guī)模不斷增大、密度不斷提高，有力促進(jìn)了中西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。中西部高速公路多位于山區(qū)，橋隧比非常高，長大隧道既多又密。

公路隧道是一種半封閉式管狀結(jié)構(gòu)，如果缺乏照明設(shè)施，隧道內(nèi)外的亮度變化將會(huì)非常大，人眼在巨大的亮度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生短暫失明的視覺適應(yīng)過程。因此，高速公路隧道必須安裝照明設(shè)備，縮小隧道內(nèi)外光線變化強(qiáng)度，確保駕駛員通過隧道時(shí)視覺良好，提高高速公路隧道的通行安全和通行效率，保障汽車司乘人員的道路交通安全。

隧道照明要求開燈時(shí)間長、高亮度、高可靠性和良好的穩(wěn)定性，照明設(shè)備的運(yùn)營、維護(hù)已成為山區(qū)公路中一項(xiàng)巨大的成本支出。因此，如何在提高隧道照明效率、提升照明效果的同時(shí)，降低隧道照明費(fèi)用支出，已成為山區(qū)高速公路必須解決的一道難題。本文旨在對山區(qū)高速公路隧道照明的智能化控制技術(shù)進(jìn)行深入分析，探討智能化控制技術(shù)在保障隧道照明安全與質(zhì)量和節(jié)省電力消耗、降低運(yùn)營成本中的應(yīng)用前景。

2 隧道照明系統(tǒng)

人由明亮場所進(jìn)入黑暗場所或者由黑暗場所進(jìn)入明亮場所，眼睛都需要一個(gè)視覺適應(yīng)過程。當(dāng)我們由明亮場所進(jìn)入黑暗場所時(shí)，我們的眼睛會(huì)有一段時(shí)間什么也看不見，需要經(jīng)過一段時(shí)間適應(yīng)才能慢慢地看清暗處的物體，這叫暗適應(yīng)，也叫黑洞效應(yīng)。這一過程的時(shí)間大約需要5～30分鐘。由黑暗環(huán)境進(jìn)入明亮環(huán)境，眼睛會(huì)覺得光線刺眼產(chǎn)生眩暈，也會(huì)出現(xiàn)短暫的看不清東西的現(xiàn)象，這叫明適應(yīng)，也叫白洞效應(yīng)。這一過程大約需要1分鐘左右。

高速公路隧道是一個(gè)管狀場所，隧道內(nèi)太陽光一般無法完全照射，與洞外形成了巨大的亮度差。視覺適應(yīng)時(shí)間的長短，與明暗兩個(gè)環(huán)境間的亮度差成正比，亮度差越小，則適應(yīng)時(shí)間就越短。不管是暗適應(yīng)還是明適應(yīng)，如果時(shí)間過長，都會(huì)影響司機(jī)對路面視覺信息的收集，對高速公路的交通安全都是非常危險(xiǎn)的。

隧道照明系統(tǒng)就是為了提高隧道內(nèi)部的亮度，減小隧道內(nèi)外亮度差，縮短視覺適應(yīng)時(shí)間，把必要的視覺信息提供給駕駛員，確保行車安全和增加隧道內(nèi)行駛舒適度而設(shè)計(jì)安裝的照明設(shè)備。隧道照明系統(tǒng)根據(jù)功能，可分為照明設(shè)備、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三部分。照明設(shè)備是隧道照明的核心，包括燈具和光源。由于高速公路隧道照明時(shí)間長、亮度高、穩(wěn)定性好，因此燈具必須具有亮度高、壽命長、能耗低的特點(diǎn)。隧道照明控制系統(tǒng)是為了控制燈具的開關(guān)、調(diào)節(jié)燈光亮度而設(shè)置的。它可以根據(jù)不同的情況自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，提高能源利用率和照明效果。隧道照明的供電系統(tǒng)也叫電源系統(tǒng)，主要由變配電系統(tǒng)和電纜系統(tǒng)兩部分組成。變配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)變壓和電能分配。電纜系統(tǒng)負(fù)責(zé)將電能傳輸?shù)礁鱾€(gè)燈具。長大隧道還需要考慮自然災(zāi)害、斷電等發(fā)生時(shí)有備用電源或應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，以保證照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 隧道照明控制系統(tǒng)概述

在進(jìn)行高速公路隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，為了達(dá)到公路設(shè)計(jì)的通過能力和通行速度，必須考慮駕駛員的視覺適應(yīng)能力。為了縮短駕駛員在隧道的視覺適應(yīng)時(shí)間，國際照明委員將高速公路隧道照明分為接近段、入口段、過渡段、中間段和出口段五段，對每段路面的亮度有不同的要求。

接近段照明是使駕駛員進(jìn)入隧道時(shí)前能看清隧道洞口環(huán)境、適應(yīng)隧道洞口亮度而在隧道入口處前一個(gè)停車視距范圍內(nèi)設(shè)置的路段。接近段白天通過常青樹、遮光棚、遮陽棚等措施降低隧道外的亮度，從而降低隧道內(nèi)外的亮度差；夜間設(shè)置引導(dǎo)路燈使駕駛員提前看清洞口條件并適應(yīng)洞內(nèi)照明。入口段白天為黑洞效應(yīng)，需加強(qiáng)照明；夜間為白洞效應(yīng)，需降低亮度。出口段則與入口段正好相反，白天為白洞效應(yīng)，夜間為黑洞效應(yīng)。過渡段銜接入口段和中間段，白天過渡段要降低入口段和中間段的視覺差異，滿足安全舒適性和經(jīng)濟(jì)性；夜間入口段和中間段差異不大時(shí)，只需將過渡段亮度與入口段保持一致即可。中間段需將隧道內(nèi)亮度控制在合理而均勻的水平即可。

為了滿足上述要求，高速公路隧道照明必須配備照明控制系統(tǒng)，以控制燈具的開啟和關(guān)閉以及調(diào)節(jié)其亮度，確保隧道內(nèi)各段照明符合要求。高速公路隧道照明按控制方式分有手動(dòng)控制、自動(dòng)控制（又分為時(shí)間控制和分級(jí)控制兩種）、智能控制三種。

手動(dòng)控制是由人在現(xiàn)場或遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行操作，按當(dāng)時(shí)氣象條件開啟不同回路的照明燈具，并對照明燈具的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)隧道照明燈具的開啟和亮度的調(diào)節(jié)。人工控制方式操作過程煩瑣，浪費(fèi)大量的人力與能源，已不能適應(yīng)現(xiàn)代高速公路運(yùn)營管理的需求。

自動(dòng)控又分為時(shí)間控制和分級(jí)控制兩種方式。時(shí)間控制的原理是根據(jù)不同時(shí)間的不同亮度區(qū)分，將一年根據(jù)春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)劃分，并設(shè)定每季早晨、中午、傍晚、夜間各時(shí)間段的洞外最大亮度值，對隧道內(nèi)各段的照明亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。分級(jí)自動(dòng)控制是將天氣狀況劃分為晴、多云、陰天、重陰天、傍晚和夜間共6級(jí)，并設(shè)定每一氣象條件下的最大洞外亮度，制系統(tǒng)自動(dòng)按選定的氣象條件調(diào)節(jié)照明燈具的功率。

4 隧道智能隨車照明系統(tǒng)控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)概述

自動(dòng)控制雖然取代了部分人工操作，但由于回路劃分的限制，燈具開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)空間比較有限，隧道照明燈具絕大部分為24小時(shí)開啟狀態(tài)。同時(shí)，在這種方式下，各段照明的亮度要按照最大值來設(shè)定，沒有將天氣變化、車流量變化等實(shí)時(shí)因素納入考慮，造成深夜時(shí)段仍保持燈具高亮度、高功率的輸出，尤其是很多流量較小路段存在極大的電能浪費(fèi)。很多高速公路運(yùn)營公司都是采取自動(dòng)控制結(jié)合人工控制的方式，在規(guī)定的時(shí)間人工開關(guān)隧道照明燈具。因此，需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，引入天氣、車流量等實(shí)時(shí)變化因素，實(shí)施隧道照明智能調(diào)光，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降本增效，提升隧道內(nèi)駕駛舒適度。

智能隨車照明控制系統(tǒng)是以自動(dòng)控制為基礎(chǔ)，應(yīng)用傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等智能控制技術(shù)，根據(jù)隧道外的實(shí)時(shí)亮度結(jié)合車流實(shí)際情況，按照公路隧道照明亮度曲線進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使隧道照明滿足節(jié)能環(huán)保、安全舒適的要求，實(shí)現(xiàn)“按需照明”。智能隨車照明控制系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)分段調(diào)光控制器、毫米波雷達(dá)型調(diào)光控制器、智能物聯(lián)網(wǎng)多模網(wǎng)關(guān)、洞外/洞內(nèi)亮度檢測儀、洞口車流量車速檢測設(shè)備、智能網(wǎng)聯(lián)邊緣控制主機(jī)、亮度可控型公路隧道照明LED燈具、自適應(yīng)隧道調(diào)光系統(tǒng)平臺(tái)軟件和位于高速公路監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)和服務(wù)器組成。

4.2 數(shù)據(jù)采集器

洞外天氣條件和亮度值由亮度檢測器采集，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制計(jì)算機(jī)?？刂朴?jì)算機(jī)每間隔一段時(shí)間收集洞外亮度檢測器采集的洞外亮度值，根據(jù)該亮度值和隧道照明控制曲線調(diào)整洞內(nèi)燈具的輸出功率，實(shí)現(xiàn)隧道洞內(nèi)照明亮度的連續(xù)調(diào)節(jié)。同時(shí)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)洞內(nèi)亮度檢測器檢測的洞內(nèi)亮度情況進(jìn)行微調(diào)，保證照明的穩(wěn)定性和均勻性，防止燈光閃爍的問題。

車輛檢測器安裝在隧道入口和隧道內(nèi)處，用于檢測單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過隧道的車輛數(shù)和經(jīng)過的車輛速度，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到本地控制中心，一般用置于車道下面的感應(yīng)線圈或置于道旁的激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)。

4.3 智能照明控制系統(tǒng)

這是控制系統(tǒng)的核心。整個(gè)智能隨車照明控制系統(tǒng)為四層架構(gòu)，具體框架層次說明如下。

平臺(tái)管理層：自適應(yīng)隧道調(diào)光系統(tǒng)平臺(tái)軟件，功能是對整個(gè)隧道或路段下隧道照明系統(tǒng)孿生式在線展示與管理控制。包括但不限于展示隧道照明燈具布設(shè)狀態(tài)并統(tǒng)計(jì)展示亮暗時(shí)長、節(jié)能效率等照明系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展示“與車相隨”動(dòng)態(tài)照明效果，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的控制與在線巡查，實(shí)現(xiàn)對封道、斷電等事件的判別及告警，也可根據(jù)業(yè)主需求提供節(jié)能分析報(bào)告，進(jìn)行照明系統(tǒng)能源用電分析等拓展功能。

本地管理層：智能網(wǎng)聯(lián)邊緣控制主機(jī)，功能是對整個(gè)隧道的設(shè)備進(jìn)行邊緣計(jì)算與本地控制，需接收洞外/洞內(nèi)亮度值、洞外車流量檢測數(shù)據(jù)，及洞內(nèi)亮暗燈時(shí)長、變電所電表能耗采集等數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)上傳到智慧照明隨車照明平臺(tái)。

中間層：智能物聯(lián)網(wǎng)多模網(wǎng)關(guān)，兼具藍(lán)牙、4G、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收集及轉(zhuǎn)發(fā)功能。

終端層：物聯(lián)網(wǎng)分段調(diào)光控制器，具備有線或無線調(diào)光功能模塊及燈具或回路電氣性能在線監(jiān)測模塊；毫米波雷達(dá)型調(diào)光控制器，具備車輛探測功能模塊、有線或無線調(diào)光功能模塊；亮度檢測儀或洞內(nèi)照度計(jì)，在線監(jiān)測洞內(nèi)外亮度變化，為照明系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)調(diào)光亮度參數(shù)依據(jù)及反饋數(shù)據(jù)；洞口車流量車速檢測設(shè)備，為照明系統(tǒng)提供車道級(jí)車流車速實(shí)時(shí)參數(shù)。

系統(tǒng)采用無線調(diào)光控制器，可根據(jù)洞外、洞內(nèi)亮度和車流量、車速信息，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)隧道內(nèi)各照明段的亮度。車輛檢測器檢測到無車通行，信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，智能控制系統(tǒng)控制關(guān)閉加強(qiáng)照明燈，并將基本照明燈亮度調(diào)至最低水平調(diào)光比例（5%～10%）。隧道接近段有車輛駛來時(shí)，車輛檢測器捕抓到有車接近的信號(hào)，控制系統(tǒng)逐漸將入口段燈具恢復(fù)亮度至原設(shè)定的亮度水平。車輛在洞內(nèi)行駛過程中，隧道內(nèi)沿汽車行駛方向分布的車輛檢測器分別接收到有車信號(hào)，逐次點(diǎn)亮車輛前方安全行駛距離內(nèi)的燈具，在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)了伴隨式“車來燈亮，車走燈暗，燈隨車行”的動(dòng)態(tài)調(diào)光效果，并達(dá)到了最大化的節(jié)能。出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)，如隧道內(nèi)設(shè)備故障或車輛事故時(shí)，智能調(diào)光系統(tǒng)啟動(dòng)應(yīng)急控制模式，退出智能調(diào)光模式，燈具轉(zhuǎn)為全開狀態(tài)，保證行車安全。

4.4 燈具選擇

燈具決定了隧道照明控制方式和模型，是系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著微電子技術(shù)和照明技術(shù)的發(fā)展，隧道照明燈具也在不斷進(jìn)步。目前常用的有高壓鈉燈、低壓鈉燈、熒光燈、電磁感應(yīng)燈和LED燈。

LED燈與傳統(tǒng)燈具相比，具有使用壽命長、光通利用率高、功耗小發(fā)光功率高、啟動(dòng)與再啟動(dòng)時(shí)間短、顯色指數(shù)好、定向性強(qiáng)、工作電壓低和重量輕等非常多優(yōu)點(diǎn)。LED燈在動(dòng)態(tài)調(diào)光方面優(yōu)勢更加突出。由于LED發(fā)光由電流進(jìn)行控制，其光電轉(zhuǎn)化速度極快，在參數(shù)范圍內(nèi)，輸入不同的電流LED燈能瞬間調(diào)整到對應(yīng)的亮度，這是其他燈具無法做到的。通過智能控制系統(tǒng)對LED照明燈具進(jìn)行連續(xù)調(diào)光，為實(shí)現(xiàn)“按需照明”自適應(yīng)式調(diào)節(jié)隧道照明提供了最基礎(chǔ)的技術(shù)保障。

新建隧道的智能控制照明系統(tǒng)燈具應(yīng)首選LED燈，滿足智能控制無級(jí)調(diào)光的需要。既有高速公路隧道照明控制系統(tǒng)改造時(shí)，在預(yù)算充裕的情況下，可一次性將照明燈具更換LED燈；如預(yù)算緊張，可先將調(diào)光頻繁的入口段和出口段燈具更換為LED燈，過渡段和中間段仍使用原有照明設(shè)備，待以后資金充裕再予以更換。

4.5 分析與比較

相比傳統(tǒng)的隧道照明控制方法，智能控制技術(shù)具有明顯優(yōu)勢。首先，智能控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)天氣、洞外亮度值和車輛行駛數(shù)據(jù)調(diào)整隧道燈光亮度，提高照明效果。同時(shí)減少了無車和低流量時(shí)段的照明功耗，大大降低了照明系統(tǒng)的電能消耗，滿足了低成本、綠色環(huán)保的運(yùn)營需要。燈具的開啟時(shí)間縮短，提高了照明燈具的使用壽命，節(jié)省了隧道照明的維修成本，進(jìn)一步壓縮了隧道照明的運(yùn)營費(fèi)用。智能控制還可以提高隧道照明的安全性和可靠性，減少因照明問題引發(fā)的交通事故。

5 結(jié)語

本文對山區(qū)高速公路隧道照明的智能控制技術(shù)進(jìn)行了深入分析，闡述了其優(yōu)越性和應(yīng)用前景。通過對比常規(guī)照明控制技術(shù)和智能化控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出智能控制技術(shù)在提高照明效果、降低能源消耗和提高行車安全等方面具有明顯優(yōu)勢。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在高速公路隧道照明中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更加智能、高效、安全的隧道照明控制。同時(shí)，也需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和人才培養(yǎng)，推動(dòng)人工智能技術(shù)在高速公路隧道照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。