李榮舟

中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037

0 引言

高速公路是我國(guó)道路交通網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，近年來(lái)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)的背景下，其建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，并且針對(duì)山區(qū)復(fù)雜環(huán)境，多采用隧道形式。隧道照明的目的是為駕駛員提供良好的視野環(huán)境，保障高速公路行駛安全，進(jìn)一步提高運(yùn)輸效率。隧道工程的兩側(cè)及頂部均是封閉狀態(tài)，在此特殊構(gòu)造下會(huì)產(chǎn)生比較明顯的人眼視覺明暗適應(yīng)問(wèn)題。為保障高速公路行駛安全，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)隧道照明系統(tǒng)，創(chuàng)設(shè)適應(yīng)性較強(qiáng)的視覺環(huán)境。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念，注重對(duì)照明系統(tǒng)的節(jié)能控制，從而降低運(yùn)營(yíng)成本，落實(shí)節(jié)能減排建設(shè)要求，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

1 高速公路隧道按需照明系統(tǒng)的組成

1.1 隧道入口照明

高速公路隧道內(nèi)外的亮度不同，白天駕駛員駛?cè)胨淼纼?nèi)時(shí)，其視覺會(huì)發(fā)生較大的變化，人眼視覺存在滯后性，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生視覺盲區(qū)。為充分保障高速公路隧道入口處行駛安全，應(yīng)當(dāng)設(shè)置相應(yīng)的緩和照明段，消除駕駛員進(jìn)入隧道后的視覺滯后性。按照車輛駛?cè)胨淼赖姆较?，一般需要設(shè)置臨界區(qū)、過(guò)渡區(qū)及緩和區(qū)，照明長(zhǎng)度根據(jù)隧洞內(nèi)外的亮度差確定，還與設(shè)計(jì)車速、洞內(nèi)照度及洞壁材料等有密切關(guān)系[1]。

1.2 隧道出口照明

當(dāng)車輛在白天駛?cè)敫咚俟匪淼罆r(shí)，如果隧道較長(zhǎng)，洞內(nèi)光線會(huì)比洞外暗，接近出口時(shí)，受亮度差影響，駕駛員也會(huì)產(chǎn)生視覺適應(yīng)的滯后性，妨礙駕駛員準(zhǔn)確判斷與前車的距離。如在夜間通過(guò)隧道，洞內(nèi)光線強(qiáng)于洞外，同樣會(huì)產(chǎn)生視覺滯后性，導(dǎo)致駕駛員無(wú)法準(zhǔn)確辨別洞外道路線形、道路交通情況及障礙物等。在高速公路隧道的出口處，需要設(shè)置照明過(guò)渡區(qū)，通過(guò)加強(qiáng)垂直照度的方式，使洞內(nèi)外亮度接近，保障駕駛員視覺的適應(yīng)性，從而充分保障行車安全。

1.3 隧道內(nèi)部照明

高速公路隧道內(nèi)部環(huán)境對(duì)行車視覺產(chǎn)生的影響與正常道路存在較大差別。這是由于車輛行駛時(shí)排出的廢氣在隧道內(nèi)部無(wú)法快速消散，會(huì)形成一定的煙霧。其不僅會(huì)吸收汽車前燈的光線，還會(huì)降低隧道內(nèi)的照度，使光線發(fā)生散射。一旦在隧道內(nèi)形成散射光的光幕，會(huì)降低道路前方障礙物及周圍環(huán)境的照度，導(dǎo)致駕駛員的視覺能力下降。因此，需要在隧道內(nèi)部設(shè)置照明系統(tǒng)，并按照實(shí)際設(shè)計(jì)車速?zèng)Q定照度。

1.4 隧道應(yīng)急照明

高速公路隧道對(duì)交通流動(dòng)有積極影響，一旦隧道內(nèi)照明系統(tǒng)發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)失去光源，嚴(yán)重威脅行車安全。為應(yīng)對(duì)突發(fā)停電狀況，應(yīng)在隧道內(nèi)部設(shè)置應(yīng)急照明系統(tǒng)。一般，對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò)200 m的隧道，采用雙路供電電源或者設(shè)置備用發(fā)電機(jī)作為備用電源。由于應(yīng)急供電系統(tǒng)的容量較小，需要將應(yīng)急照明的照度設(shè)置為正常照明的20%以上，確保隧道內(nèi)部具有一定的照明度，便于駕駛員識(shí)別前方路況，保持距離，避免發(fā)生安全事故[2]。

2 高速公路隧道按需照明系統(tǒng)的節(jié)能控制策略

2.1 合理調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)

高速公路隧道照明系統(tǒng)作為一項(xiàng)重要基礎(chǔ)設(shè)施，有助于保障行車安全。為降低能源消耗，貫徹綠色環(huán)保理念，應(yīng)當(dāng)做好按需照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員需要合理調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，在保障照明質(zhì)量的同時(shí)，減少能源耗損。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮白天行車時(shí)駕駛員的視覺適應(yīng)問(wèn)題，基于人眼視覺功能設(shè)計(jì)照明參數(shù)，合理選取和調(diào)整洞口的照明亮度，在遵循科學(xué)照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下，優(yōu)化入口段亮度。嚴(yán)格按照洞外亮度決定洞內(nèi)照明布置，以此減少隧道照明設(shè)備的購(gòu)置，并降低維修及運(yùn)行費(fèi)用。洞外亮度難以通過(guò)實(shí)測(cè)確定，設(shè)計(jì)人員往往采用查表法獲取洞外亮度值與實(shí)際值的偏差，進(jìn)而設(shè)計(jì)入口段的照明亮度。針對(duì)洞內(nèi)照明設(shè)計(jì)，需要設(shè)定分段照度。由于隧道內(nèi)的照明需求與交通量、設(shè)計(jì)時(shí)速有關(guān)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)隧道的實(shí)際情況確定照明顯色性、照度及亮度，同時(shí)注重考慮光源的等效亮度和部分特殊視覺現(xiàn)象等。目前，我國(guó)高速公路隧道照明設(shè)計(jì)均是在明視覺條件下評(píng)價(jià)照明效果，并應(yīng)用新型的視覺理論優(yōu)化照明照度的設(shè)計(jì)，如司辰視覺理論等，能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)[3]。

2.2 科學(xué)設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)

可以從供電角度出發(fā)優(yōu)化高速公路隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)，以降低運(yùn)營(yíng)成本。例如，設(shè)計(jì)人員可以科學(xué)布局變電站，防范隧道內(nèi)長(zhǎng)距離低壓配電電纜供電消耗較大的問(wèn)題，盡量降低其有功和無(wú)功損耗；也可以在連續(xù)的、長(zhǎng)度較大的高速公路隧道中積極引入中壓供電技術(shù)。常見設(shè)計(jì)方法是在長(zhǎng)隧道中引進(jìn)10 kV中壓供電技術(shù)，將配電終端引入負(fù)荷中心，如將變壓器設(shè)置在人行橫道位置，有助于實(shí)現(xiàn)電能長(zhǎng)距離供電，節(jié)省建設(shè)資金，減少線纜運(yùn)行損耗。在節(jié)能設(shè)計(jì)中還需合理選擇變壓器，可按照用電設(shè)施裝機(jī)容量、用電設(shè)施組需電系數(shù)等，確定變壓器容量和負(fù)載率；設(shè)計(jì)人員可以采用通風(fēng)與照明供配電的綜合布線方式，以節(jié)能型供電電纜為主，實(shí)現(xiàn)布線優(yōu)化，降低電能線路傳輸損耗[4]。

2.3 使用節(jié)能型照明燈具

隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)多樣化的高光效、長(zhǎng)壽命的新型照明光源，在高速公路隧道照明中得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)燈具照明功率曲線，結(jié)合具體需求進(jìn)行照明設(shè)計(jì)，減少不必要的能耗?，F(xiàn)階段，隧道照明主要使用LED燈具，其相比于其他燈具，LED燈具具有良好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。相比于傳統(tǒng)的鈉燈光源，LED燈具亮度恒定，并且照明能耗較低，符合按需照明的要求。常用的單色溫LED燈具可以在額定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整工作電力，有利于實(shí)現(xiàn)亮度的無(wú)極控制。也可選擇“單色溫+變色溫”LED燈具的組合，其中單色溫?zé)艟哌m用于霧天隧道內(nèi)無(wú)霧的基本路段，變色溫?zé)艟哌m用于隧道內(nèi)有霧的基本路段?？砂凑仗鞖庾兓闆r調(diào)整兩種燈具，營(yíng)造適宜的視覺環(huán)境。在大霧天氣下，可以在隧道入口處安裝低色溫黃色光源，以提高行車安全性；當(dāng)入口色溫較低時(shí)，可保證隧道內(nèi)外的亮度差較小，并降低色溫與顯色指數(shù)的差異，進(jìn)一步提高駕駛員的視野清晰度。另外，變色溫LED燈具可接收調(diào)光控制信號(hào)，按需調(diào)整燈光亮度，適應(yīng)直流調(diào)壓操作，當(dāng)其接受模擬電壓控制信號(hào)后，可以調(diào)整電源輸出，促使燈具的光通量始終維持在合理范圍[5]。

2.4 構(gòu)建自動(dòng)化照明控制系統(tǒng)

2.4.1 控制方式

（1）手動(dòng)控制、定時(shí)控制和自適應(yīng)控制。為實(shí)現(xiàn)高速公路隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能控制，應(yīng)當(dāng)采用自動(dòng)化信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、定時(shí)控制和自適應(yīng)控制的功能，優(yōu)化照明效果，在保障節(jié)能的前提下，提高行車安全性。通常，對(duì)于較短的高速公路隧道可設(shè)置手動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)時(shí)段及環(huán)境情況等，采用人工開關(guān)控制。定時(shí)控制是將洞外亮度及歷史數(shù)據(jù)等輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)規(guī)律總結(jié)和分析后，利用上位機(jī)及本地控制器自動(dòng)控制燈具亮度。自適應(yīng)控制需要計(jì)算隧道實(shí)際亮度，采用適當(dāng)?shù)男畔⒒刂瞥绦?，按照道路系統(tǒng)分類和等級(jí)，確定適宜的亮度和可見度標(biāo)準(zhǔn)，再按照亮度檢測(cè)數(shù)據(jù)選擇目標(biāo)可見度。輸入已有光源和燈具后，可以明確照明排列方式和間距情況，然后依據(jù)最小反應(yīng)時(shí)間校驗(yàn)和調(diào)整光源，保障燈具的最低功率滿足路面亮度需求。

（2）時(shí)序控制優(yōu)化。當(dāng)前，高速公路隧道照明系統(tǒng)的控制多采用時(shí)序控制方式。全年晝夜光照時(shí)間呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，但時(shí)序控制的時(shí)間設(shè)定較固定，無(wú)法按照隧道內(nèi)外實(shí)際照度比值進(jìn)行有效控制，導(dǎo)致隧道照明系統(tǒng)的電能浪費(fèi)。同時(shí)，還需要隧道管理人員到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)設(shè)定控制器開關(guān)時(shí)間，大幅增加工作人員的任務(wù)量和維護(hù)費(fèi)用等。在新時(shí)代，應(yīng)該針對(duì)高速公路隧道的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，加強(qiáng)智能化照明控制管理，根據(jù)車輛速度、交通量及洞外照度等確定照明參數(shù)，保障行車安全?？梢酝ㄟ^(guò)隧道照明節(jié)能綜合控制系統(tǒng)檢測(cè)洞外各項(xiàng)交通參數(shù)，并將其作為輸入數(shù)據(jù)，以照明節(jié)能控制器為終端執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能化的燈具亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制?？梢岳铆h(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)模塊，在洞外設(shè)置亮度檢測(cè)儀及洞內(nèi)照度檢測(cè)儀等，全天候監(jiān)測(cè)洞內(nèi)外亮度及照度指標(biāo)，為燈光調(diào)節(jié)控制提供依據(jù)；也可在隧道入口安裝紅外線車輛探測(cè)器監(jiān)測(cè)交通量，為照明系統(tǒng)的智能化切換及低能耗照明提供參數(shù)指導(dǎo)。

2.4.2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

（1）能夠精準(zhǔn)設(shè)置隧道內(nèi)的燈光照度，利用最少的能源將照度維持在合理范圍，具有較好的節(jié)電成效。

（2）當(dāng)隧道內(nèi)部的車流量不滿足設(shè)計(jì)情況時(shí)，系統(tǒng)可按照相關(guān)規(guī)范對(duì)照明強(qiáng)度進(jìn)行科學(xué)折減，最大限度地降低電能消耗量，實(shí)現(xiàn)按需控制。

（3）在洞外光照最強(qiáng)烈時(shí)，可確保照明燈具的滿功率工作，以此確保行車安全。另外，將基本照明功率設(shè)計(jì)冗余到遠(yuǎn)期使用，有利于保證照明燈具及電源的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，避免出現(xiàn)高溫、光衰等情況，延長(zhǎng)各項(xiàng)設(shè)備的使用期限[6]。

2.5 嚴(yán)格遵循隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

為了優(yōu)化高速公路隧道照明系統(tǒng)節(jié)能控制，需要在交通量及行車速度一定的條件下，根據(jù)現(xiàn)行隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、洞外亮度取值等，明確入口段及過(guò)渡段的亮度取值。隧道照明設(shè)計(jì)需要考慮照明節(jié)能、營(yíng)運(yùn)電費(fèi)、里程投資及行車安全等。洞外亮度會(huì)隨當(dāng)?shù)貧夂颉⒓竟?jié)、時(shí)刻以及隧道朝向、入口視野環(huán)境等變化，相關(guān)人員可在其他條件不變的情況下，積極開展調(diào)查分析、實(shí)測(cè)比較及理論分析等，基于洞外植被情況、當(dāng)?shù)毓庹諝夂蛱攸c(diǎn)等，合理確定洞外亮度值，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及交通情況等確定照度參數(shù)。

2.6 選用適當(dāng)?shù)恼{(diào)光方式

針對(duì)高速公路隧道照明整體性能的需求，為保障其具有良好的節(jié)能性，需要合理選擇調(diào)光方式。在實(shí)踐中可基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、照明分析及控制軟件、控制器等進(jìn)行靈活調(diào)光。

（1）PWM調(diào)光。當(dāng)缺少高速公路照明控制系統(tǒng)協(xié)議時(shí)，亮度控制器能夠主動(dòng)發(fā)送PWM控制信號(hào)控制燈具。通常，PWM控制信號(hào)的占空比處于0～100%不間斷可調(diào)狀態(tài)，根據(jù)信號(hào)占空比可以確定隧道內(nèi)外燈具的設(shè)置亮度。LED燈具的亮度固定，可采用該調(diào)光模式合理調(diào)節(jié)光源啟閉的時(shí)間，高效調(diào)整照度。如果調(diào)光控制系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，LED燈具無(wú)法接收相關(guān)調(diào)節(jié)指令，此時(shí)可智能切換到自主運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最大照明亮度，充分保障隧道內(nèi)的行車安全。PWM調(diào)光模式的優(yōu)勢(shì)是可以提高控制便捷性，無(wú)須設(shè)置其他控制協(xié)議，且維護(hù)費(fèi)用較低。利用單個(gè)控制器能夠控制數(shù)百套燈具，節(jié)省控制回路。

（2）0～10 V信號(hào)控制調(diào)光。對(duì)高速公路隧道內(nèi)燈具可以采用總線方式，掛接0～10 V控制信號(hào)線，每一路的0～10 V信號(hào)可調(diào)節(jié)其范圍內(nèi)的全部燈具，具有較高的可靠性。如果其中一個(gè)燈具出現(xiàn)異常運(yùn)行情況，其他燈具仍可保持正常的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，由于單個(gè)燈具無(wú)須設(shè)置軟硬件，因此其具有維護(hù)方便性，可以發(fā)揮良好的待載能力，驅(qū)動(dòng)燈具亮度調(diào)整。該調(diào)光方式一般可采用在線和離線兩種通信方式，其中在線通信是依托IP或TCP協(xié)議，利用上位機(jī)管理調(diào)光控制器，保證燈具作出相應(yīng)調(diào)整動(dòng)作，合理管控隧道內(nèi)燈具的亮度和暗度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果；離線通信則是以觸摸屏輸入?yún)?shù)為主，可以管理模擬量調(diào)光信號(hào)的全輸出過(guò)程。在該調(diào)光方式下，在無(wú)控制信號(hào)的情況下，燈具仍然能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)入亮度模式。

3 結(jié)束語(yǔ)

照明系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)期間將會(huì)產(chǎn)生較大的能源消耗，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)隧道照明系統(tǒng)，從而保障行車安全、降低能源損耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)明確隧道入口、出口、內(nèi)部及應(yīng)急照明的需求，采用合理的節(jié)能設(shè)計(jì)方案，并積極采取節(jié)能控制策略，以此保證高速公路隧道各個(gè)區(qū)段的照明亮度柔和、調(diào)節(jié)平穩(wěn)靈活，進(jìn)而營(yíng)造舒適、安全的行車環(huán)境，節(jié)省公路運(yùn)用成本，充分體現(xiàn)現(xiàn)代綠色交通發(fā)展理念。