杜 峰，翁 季，彭 力

(1.重慶大學(xué)，重慶 400044；2.福建工程學(xué)院，福州 350118)

公路隧道智慧照明綜述

杜 峰1，2，翁 季1，彭 力1

(1.重慶大學(xué)，重慶 400044；2.福建工程學(xué)院，福州 350118)

從公路隧道照明研究的重要性出發(fā)，針對(duì)公路隧道照明包含的多個(gè)方面進(jìn)行了論述。公路隧道照明設(shè)計(jì)主要包含照明技術(shù)、智能控制和視覺(jué)理論等多方面的知識(shí)，以往的研究多是從某一個(gè)方面進(jìn)行，文章通過(guò)多角度全面論述，整合公路隧道照明知識(shí)，促進(jìn)我國(guó)公路隧道智慧照明的健康發(fā)展。

隧道照明；智慧照明；照明技術(shù)；智能控制；視覺(jué)理論

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)照明的追求從安全、舒適以及節(jié)能向著更高的智慧照明進(jìn)發(fā)，智慧照明如今逐漸成為了研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。而照明和通風(fēng)能耗一直以來(lái)都是建成公路隧道中能源消耗的主要部分，其中照明能耗更是居高不下。在公路隧道中運(yùn)用智慧照明可以更好地滿足安全、舒適和節(jié)能的目標(biāo)。

1 公路隧道智慧照明研究概述

公路隧道智慧照明是該研究領(lǐng)域目前的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，諸多專業(yè)人士對(duì)該方面進(jìn)行了研究。國(guó)外學(xué)者對(duì)公路隧道智慧照明中動(dòng)態(tài)照明的研究開(kāi)始很早，在20世紀(jì)60年代，意大利和法國(guó)之間就修建了能依據(jù)車速、車流量和隧道洞外亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光的隧道，一時(shí)間引起了照明領(lǐng)域和控制領(lǐng)域眾多學(xué)者的關(guān)注。國(guó)內(nèi)在該方面的研究近些年也逐漸增多。

2 在照明技術(shù)方面研究公路隧道智慧照明

2.1 光源選擇

公路隧道照明的光源選擇經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。從最早的白熾燈、熒光燈(FL)到后來(lái)的低壓鈉燈(LPS)和高壓鈉燈(HPS)再到汞燈(HP)、金屬鹵化物燈(MH)和發(fā)光二極管(LED)。其中，白熾燈造價(jià)低廉，光色偏暖，亮度易于控制，但其大量能耗用于發(fā)熱，能效偏低，現(xiàn)在不僅公路及隧道照明領(lǐng)域甚至公共建筑和家庭照明中都逐步取消或減少了該種光源的使用。熒光燈以及后來(lái)的緊湊型熒光燈在家庭照明中被廣泛應(yīng)用，其光色大多偏冷，光效較高，但由于其單燈的功率偏低，不適用于公路隧道照明，僅適用于局部的隧道照明，如緊急停車區(qū)照明、指示照明等。氙燈是將12 V電壓增壓至23 000 V超高電壓，激穿填充在石英管的氙氣發(fā)光，然后再將電壓轉(zhuǎn)成85 V左右，穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)氙氣燈泡發(fā)光。但其燃起時(shí)間長(zhǎng)，而且調(diào)光不易，應(yīng)用較少。低壓鈉燈和高壓鈉燈由于其光效高、透霧能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在仍然被作為道路和隧道照明光源的主力燈型，但是由于其光色偏暖偏黃，實(shí)際的光效不夠高，在同種照度下其亮度明顯偏低，所以其綜合光效不如新型光源，而且調(diào)光不便。金屬鹵化物燈和發(fā)光二極管都是新型光源，其光效高，光色好，顯色高，具有很好的發(fā)展前景。尤其是發(fā)光二極管(LED)， LED光源具有亮度高、功耗低、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)快、功率小、無(wú)頻閃、不容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞等優(yōu)點(diǎn)，其光色可調(diào)性好、亮度高、光色好和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)使其成為如今道路和隧道照明的首選。當(dāng)然發(fā)光二極管也存在一些不足，如價(jià)格高、散熱不足等，但是其仍然是如今道路隧道照明中最有發(fā)展前景的一種光源。

2.2 照明方式

照明方式也從單一的照明變?yōu)轫樄庹彰鳌⒛婀庹彰骱蛯?duì)稱照明等多種方式。其中逆光照明更容易顯示被照物體的輪廓，更加有利于目標(biāo)物的察覺(jué)和發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也相對(duì)節(jié)能。但是逆光照明如果角度處理不好，容易照到駕駛員的眼睛，產(chǎn)生眩光，逆光照明在車輛后方還有小車的情況下容易看不清楚小車而出現(xiàn)事故，從而影響駕駛的舒適性和安全性。在實(shí)際的隧道照明應(yīng)用中可在隧道的不同照明段選用不同的照明方式，例如：入口段采用逆光照明，中間段采用逆光或?qū)ΨQ照明，而出口段采用順光照明。

2.3 光源光色及亮度

從安全和舒適的角度，隧道照明更加關(guān)注光源的光色，光色包含了色溫和顯色指數(shù)等指標(biāo)。該方面的研究很多，如：劉英嬰利用司辰視覺(jué)理論研究了隧道照明中的光生物效應(yīng)問(wèn)題，通過(guò)視覺(jué)功效和光生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究，將5種色溫的LED光源與傳統(tǒng)照明光源HPS、MH相比較，分析了光源色溫與反應(yīng)時(shí)間和人眼瞳孔大小的變化關(guān)系，提出了適合隧道照明入口段和中間段的LED光源，為L(zhǎng)ED在隧道照明中的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。邱凡等基于CIE推薦的隧道過(guò)渡段計(jì)算方法，分析了目前過(guò)渡段階梯式亮度分段設(shè)計(jì)的弊端，并根據(jù)洞外亮度變化推導(dǎo)出隧道過(guò)渡段的亮度需求公式，提出應(yīng)采用新型光源結(jié)合動(dòng)態(tài)無(wú)級(jí)調(diào)光技術(shù)來(lái)設(shè)置過(guò)渡段亮度，也說(shuō)明了確定科學(xué)的過(guò)渡段照明指標(biāo)對(duì)降低隧道運(yùn)行能耗的重要性。楊韜通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)不同壁面材料的反射特性研究，以隧道照明反射增量系數(shù)對(duì)包括入口段、過(guò)渡段及中間段在內(nèi)的隧道照明計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，獲得了材料反射疊加條件下，隧道照明平均亮度與實(shí)測(cè)平均照度的關(guān)系，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型加以驗(yàn)證，取得了良好的節(jié)能效果。

3 在智能控制方面探討公路隧道智慧照明

在智能控制方面，研究同樣是很多的，如：王學(xué)堂等在《隧道照明控制工程研究》中分析了隧道內(nèi)光強(qiáng)的亮度函數(shù)，建立了速度、亮度和出入口段長(zhǎng)度之間的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)了隧道內(nèi)亮度動(dòng)態(tài)控制方案，其利用光檢器和現(xiàn)場(chǎng)控制器，通過(guò)測(cè)試得出了亮度動(dòng)態(tài)控制方案，擬合出了隧道照明亮度函數(shù)。王茜在《公路隧道出入口燈光配置優(yōu)化及控制系統(tǒng)研究》中將提高公路隧道出入口照明舒適度與控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，參考灰色理論的隧道車流量預(yù)測(cè)算法和新陳代謝的數(shù)據(jù)處理方式，利用Matlab軟件進(jìn)行了仿真，提出了隧道出入口燈光配置的優(yōu)化策略，最終完成了控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，提高了駕駛舒適性的同時(shí)還節(jié)約了能源。闖家亮在《基于圖像處理的隧道亮度檢測(cè)系統(tǒng)研究》中針對(duì)隧道照明的標(biāo)準(zhǔn)與特點(diǎn)，分析了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的亮度檢測(cè)技術(shù)，采用了一種基于圖像處理技術(shù)的嵌入式隧道亮度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)圖像采集和靜態(tài)圖像處理的控制方案。該系統(tǒng)通過(guò)圖像處理技術(shù)和亮度檢測(cè)算法得出場(chǎng)景的平均亮度，并能實(shí)時(shí)顯示和上傳處理結(jié)果，滿足隧道亮度檢測(cè)要求，從控制理論方面對(duì)隧道智慧照明進(jìn)行了補(bǔ)充。唐春在研究車輛檢測(cè)技術(shù)和照明控制策略的基礎(chǔ)上，采用精確的感應(yīng)線圈檢測(cè)技術(shù)、燈光控制技術(shù)和感應(yīng)式照明控制策略，針對(duì)交通流量小的隧道設(shè)計(jì)了車輛感應(yīng)式隧道照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車來(lái)燈亮、車走燈熄，平衡了安全與節(jié)能的矛盾。

楊顯立在《基于WiFi的隧道照明無(wú)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中分析了現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，研究了調(diào)光模型及照明曲線，對(duì)隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化管理，不同照明區(qū)間運(yùn)用不同的調(diào)光模型，建立了精確的照明曲線實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光，提高了系統(tǒng)運(yùn)行安全性，降低了能耗，開(kāi)發(fā)了WiFi無(wú)線運(yùn)用平臺(tái)，建設(shè)智能化隧道照明控制系統(tǒng)。于東東設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee的智能LED隧道照明控制系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)構(gòu)建了一套動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)LED燈具照明亮度的智能控制系統(tǒng)，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，根據(jù)隧道洞外亮度、車流量以及車速動(dòng)態(tài)調(diào)整隧道照明亮度，在保證安全性和穩(wěn)定性的同時(shí)，節(jié)省了隧道的照明成本。李英舉在《基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道照明控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)》中同樣運(yùn)用了Zigbee技術(shù)，設(shè)計(jì)了隧道照明控制網(wǎng)絡(luò)，并從節(jié)能角度進(jìn)行了分析。郭姍在《智能LED照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》中針對(duì)當(dāng)前隧道照明控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了智能照明控制系統(tǒng)。其充分利用電子技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道照明燈具的有效控制與管理。根據(jù)車流量和洞外亮度的變化對(duì)LED隧道燈進(jìn)行無(wú)級(jí)控制，使隧道內(nèi)各區(qū)段照度平滑過(guò)渡，以符合人眼的適應(yīng)曲線，并利用總線通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)隧道數(shù)據(jù)的傳遞。

4 在視覺(jué)理論方面探討公路隧道智慧照明

眼睛里面起視覺(jué)作用的主要是錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞，明視覺(jué)狀態(tài)下起視覺(jué)作用的主要是錐狀細(xì)胞，此時(shí)人們可以分辨物體的顏色和細(xì)部；暗視覺(jué)下起視覺(jué)作用的主要是桿狀細(xì)胞，但是其不能分辨顏色和細(xì)部。而在0.01～2 cd/m2亮度之間的視覺(jué)為中間視覺(jué)，此時(shí)錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞同時(shí)起作用。公路隧道照明中的中間段以及部分過(guò)渡段照明屬于中間視覺(jué)范圍。2002年，美國(guó)布朗大學(xué)的David Berson發(fā)現(xiàn)了第三種視覺(jué)光感細(xì)胞——神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，它對(duì)光線不同波長(zhǎng)的敏感度是非常不同的。我國(guó)把這種細(xì)胞作用下的視覺(jué)稱為“司辰視覺(jué)”。

Miomir Kostic等人在《基于中間視覺(jué)的道路照明解決方案的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析》中針對(duì)道路照明中的兩種光源指出：雖然金屬鹵化物燈比高壓鈉燈具有更好的顯色性和色表，但是由于經(jīng)濟(jì)方面的原因，金屬鹵化物燈在道路照明中仍然應(yīng)用很少。最近中間視覺(jué)領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究鼓勵(lì)和促使我們從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)兩種燈進(jìn)行對(duì)照?；谀壳皩?duì)察覺(jué)亮度和視覺(jué)功效的研究發(fā)現(xiàn)，分析考慮了所有相關(guān)的道路照明等級(jí)、照明布置和反射等級(jí)。最終證明低照明情況和低亮度級(jí)情況下金屬鹵化物燈比高壓鈉燈更加經(jīng)濟(jì)。該研究采用了視覺(jué)功效法，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度進(jìn)行了全生命周期經(jīng)濟(jì)性分析。

M.Eloholma等人在研究夜間駕駛情況下的視覺(jué)功效時(shí)引入了一種實(shí)驗(yàn)性的多功能方法以進(jìn)行中間視覺(jué)光度測(cè)量研究。其將夜間駕駛的視覺(jué)功效分為三種視覺(jué)任務(wù)，引入了單色閾值和反應(yīng)時(shí)間這兩個(gè)參量。這兩個(gè)參量會(huì)根據(jù)亮度從1～0.01 cd/m2的降低而降低，充分顯示了在駕駛過(guò)程中亮度級(jí)的重要影響。單色對(duì)比度閾值和反應(yīng)時(shí)間對(duì)于低對(duì)比度的目標(biāo)而言跟光譜作用相關(guān)，強(qiáng)關(guān)聯(lián)發(fā)生在低中亮度下。所有這些都顯示了“普爾金耶效應(yīng)”在亮度級(jí)降低時(shí)的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)論可用于計(jì)算新的中間視覺(jué)模型下的視覺(jué)效應(yīng)。跟夜間駕駛下的V(λ)光譜曲線相比，可更好地描述依據(jù)視覺(jué)功效措施的中間視覺(jué)模型。

胡英奎為得到道路照明常用光源在中間視覺(jué)條件下的光效，采用中間視覺(jué)模型和國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究高壓鈉燈和金屬鹵化物燈在中間視覺(jué)條件下的光學(xué)特性，分析了在中間視覺(jué)條件下的光效隨適應(yīng)亮度水平變化而變化的規(guī)律，提出應(yīng)根據(jù)道路照明所需要的亮度水平選擇合適的照明光源。

5 小 結(jié)

公路隧道智慧照明是目前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，智慧照明包含了照明技術(shù)、智能控制和視覺(jué)理論等多個(gè)方面的知識(shí)，其不僅僅是一兩個(gè)專業(yè)能夠完成的，涉及專業(yè)包括電光源專業(yè)、照明專業(yè)、控制專業(yè)、電氣專業(yè)、材料專業(yè)、電子專業(yè)、機(jī)械專業(yè)等，需要各專業(yè)之間的通力合作。只有各專業(yè)都發(fā)揮了其專業(yè)優(yōu)勢(shì)，才能讓公路隧道智慧照明更好地為駕駛安全和節(jié)能服務(wù)，從而促進(jìn)我國(guó)公路隧道智慧照明的健康發(fā)展。

[1] 劉英嬰，林立勇，許景峰.隧道照明中光生物效應(yīng)研究[J].燈與照明，2009，33(4)：13-16，43.

[2] 劉英嬰，張青文，胡英奎.LED光源色溫對(duì)隧道入口段和中間段的影響[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013.24(2)：30-34.

[3] 邱凡，馬小軍，劉乃濤，等.隧道照明過(guò)渡段亮度動(dòng)態(tài)需求探討[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010(6).

[4] 楊韜.隧道照明反射增量系數(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[5] 王學(xué)堂，趙展旗.隧道照明控制工程研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(1)：88-91.

[6] 王茜.公路隧道出入口燈光配置優(yōu)化及其控制系統(tǒng)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2014.

[7] 闖家亮.基于圖像處理的隧道亮度檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[8] 唐春.車輛感應(yīng)式隧道照明控制系統(tǒng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[9] 楊顯立.基于WiFi的隧道照明無(wú)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[10] 于東東.基于Zigbee的智能LED隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2015.

[11] 李英舉.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道照明系統(tǒng)控制研究與設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[12] 郭姍.智能LED照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[13] Miomir Kostic， Lidija Djokic， Dejan Pojatar， et at.Technical and economic analyses of road lighting solutions based on mesopic vision[J].Building and Environment，2009(44)： 66-75.

[14] Eloholma M， Ketomaki J， Orrevetelainen P et at.Visual performance in night-time driving conditions[J].Ophthal.Physiol.Opt.2006，26：254-263.

[15] 胡英奎，陳仲林，劉英嬰.道路照明常用光源在中間視覺(jué)條件下的光效[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30(1)：139-141，146.

Areview of road tunnel smart lighting

Du Feng1，2，Weng Ji1，Peng Li1

(1.Chongqing University， Chongqing 400044，P.R.China； 2.Fujian University of Technology， Fuzhou 350118，P.R.China)

The paper began with the significance of the road tunnel lighting research， aimed at the illustration of many aspects that included in it， such aspects as lighting technology， smart design and visual theory.For the former research mostly started from one aspect， the paper hope to integrated the strengths from all these aspects and improve the healthy development of our country’s road tunnel smart lighting.

road tunnel lighting；smart lighting；lighting technology；smart control；visual theory

2016- 04-20

重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB16011)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278507)

杜峰(1980-)，男，博士研究生，副教授，主要從事道路與隧道照明研究，(E-mail)59154586@qq.com。