“LED 智能”在公路隧道照明的应用研究

随着我国经济的飞速发展，人们对道路照明质量的要求也越来越高，公路隧道具有缩短里程及利用地下空间的特点，机动车驾驶员行车时视觉感受到的是路面的亮度，特别是隧道内外的亮度差异对行车安全影响特别大，为了行车安全与节能的协调管理，隧道管理中心对照明灯的调光控制犹为重要。

中国公路学会隧道工程分会理事长蒋树屏在2016年全国公路隧道学术年会报告中提及我国公路隧道建成达12683.9 km，同比增长15.2 %位居世界第一。如何提高公路隧道照明的安全舒适性及降低运营成本,已成为相关部门的关注焦点，采用高效节能技术减少能耗实现“按需照明”已迫在眉捷，为了更好地提高照明质量及确保行车安全与舒适性，具有高效节能及更易于控制的LED（light emitting diode，LED）在照明中得到大量推广应用，LED与智能控制技术的结合应用将实现“因需智变，节能升级”的效率提升。

1、隧道照明系统

1.1  系统搭建

我国交通运输公路网四通八达，驾车出行的舒适性受到人们越来越多的关注，如何让驾驶员在通过隧道时从明亮进入黑暗再到明亮的过程更舒适，是体现照明设计师对隧道照明方案设计优劣的最好诠释。隧道照明控制系统由控制中心将1组或多组局域网点的可编程控制器进行组网，单元可编程控制器管控该组隧道照明灯具的调控，系统的环境信息探测器采集洞内外环境信息及过往车辆信息，应用光纤网络将相应信息传送至控制中心服务器处理后，再将调光指令传输到隧道各段的LED隧道灯具进行调光控制。为保证执行调光指令后的亮度能达到要求值，通过对隧道内照度实时探测不能达到照明要求时，控制中心根据探测信息进行调光处理，使照明亮度能达到隧道照明质量要求，以保证车辆的行驶安全。

1.2  系统设计准则

公路隧道主要分为城市隧道、山岭隧道和水下隧道等类型，由于我国地理条件的特殊性造成隧道施工难度高，加之双向行车灯相互干扰的原因，多数隧道采用单向行车设计方案。通常隧道入口段、过渡段、中间段及出口段的照明需求及质量不尽相同，白天时照度由隧道的入口向中间段逐级递减，中间段到出口段的照度则逐级增加。随着人们对“通透率”和“中间视觉”的高度关注,以及LED、智能控制和无线传输等新技术应用，将促进隧道照明质量变得更加舒适与节能，隧道照明应结合公路等级、隧道长度、设计速度、交通量和当地天气等条件进行设计，应符合中华人民共和国交通运输部（Ministry of Transport of the People's Republic of China，MOT）发布的行业标准JTG/T D70/2-01-2014《公路隧道照明设计细则》相应要求。

1.3  “LED+智能”控制

隧道照明多采用时序控制法，通过控制不同回路增减照明灯具数量来达到控制目的,具有创新技术应用的“LED+智能”照明系统由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、环境信息探测、车辆行为探测、供电监控、照度监测、亮度调控、通信网络和LED灯具组成架构如图1。在车流量较大时，该系统根据协议的开放性应用基于现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）对LED灯具进行无极调光管理，经多个隧道照明案例比对证明，其节能效率明显高于分级调光方案。

公路隧道“LED+智能”照明架构

 “LED+智能”照明系统的环境信息采集器和车辆行为感知器采集隧道内外的亮度、行车速度及车流量信息，照度探测器实时监测隧道内的照度，监控探测器对隧道内灯具的工作状态、车辆发生事故停留或发生火灾等情况进行全面监控，系统通信采用光纤、电力线载波或无线传输（Wireless transmission）等方式进行组网，保证设备及站点之间数据可靠及稳定传输，确保控制中心可实时了解照明情况与路况的信息。控制中心根据相应监测数据通过系统运算处理后对各子系统发布调控指令，隧道照明系统根据指令对照明模式及亮度等级进行调节来满足照明需求。

LED隧道灯的控制装置一般采用恒流、恒压或恒功率控制，往往达不到理想的控制精度，通常还会采用微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）作为管理模块，将时控、温控、光控、均流、软启动等技术集成实现智能控制，并按隧道管理方案预留DALI、脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）和0-10V调光等智能控制接口，多个隧道照明案例证明，应用0-10V调光方案具有调光范围广、电源效率高及信号传输稳定等优点,并得到大量推广使用，采用LED隧道灯具的控制装置及智能控制模块工作原理如图2。

 LED隧道灯智能控制原理图

1.4  隧道照明配光

在隧道入口、过度段和出口设置加强照明，是为了消除驾驶员出入隧道引起“黑洞效应”和“视觉适应滞后”等视觉现象，在夜晚或隧道内外亮度差较小的时间段关闭加强照明，避免眩光及消除安全隐患。隧道照明方案设计时应根据隧道高度及车道数量来确定布灯方式，典型的隧道照明按中线、两侧交错或两侧对称布置灯具，投光方向可根据灯具配光特点进行角度调整，整体照明梯度呈“U型”分布更符合人们的视觉特性满足隧道照明需求。灯具按功能分为白日灯、黄昏灯、全日灯、夜灯和应急灯，在不同条件下配合应用来满足隧道照明需求，并应用智能控制系统来管理隧道内外亮度差异，保证隧道行车照度达到最佳节能效果。

1.5  隧道照明灯具设计 

基于隧道照明应用条件的特殊性，LED隧道灯具应符合GB 7000.203-2013《灯具 第2-3部分：特殊要求 道路与街路照明灯具》相应要求，典型的LED隧道灯具采用模组化结构设计，光学透镜与本体之间采用抗老化硅橡胶圈密封，确保灯具达到IP65及以上的防护等级，灯具符合投影面积承受150 km/h的风速而无过度变形的抗风压强度要求，LED模组采用翅片自然对流散热结构，表面纳米涂层处理来增强热辐射，光学透镜根据安装方式采用对称或非对称曲面控制网格的节点法线矢量匹配法进行二次光学设计，以保证灯具的照度及均匀度满足JTG/T D70/2-01-2014行业标准相应章节要求。

2、隧道照明质量

2.1  隧道照明产品标准

国内隧道照明采用的隧道灯具应使用通过国家3C强制认证的控制装置，灯具的安全应符合国家标准GB 7000.203-2013和GB 7000.1-2015《灯具 第1部分：一般要求与试验》相应要求。电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）应符合相应国家标准要求，无线电骚扰特性符合GB 17743-2007《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》标准要求，电磁兼容抗扰度符合GB/T 18595-2014《一般照明用设备电磁兼容抗扰度要求》标准要求，谐波电流发射限值符合GB 17625.1-2012《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相电流输入≤16A）》标准要求。隧道照明质量应满足行业标准CJJ 45-2015《城市道路照明设计标准》和JTG/T D70/2-01-2014的相应要求。

2.2  功率密度

照明功率密度（Lighting Power Density，LPD）指单位面积上安装的所有照明灯的功率之和，并包含控制装置及控制器的消耗功率。行业标准CJJ 45-2015第7.1条对LPD进行了相应要求，LPD与照明节能指标有着紧密联系，隧道不同路段的LPD要求有所不同，还应考虑设计交通量与车速等因素，在满足照明要求的基础上，首选光色易于调控及高效节能的LED灯来降低隧道照明LPD。

2.3  隧道照明光质量

2.3.1可见度

可见度是反映正常视力的人眼能够看清楚目标轮廓的难易程度，可见度受隧道背景亮度和临近环境对人眼视觉的综合影响，是反映隧道照明质量的综合性的评价指标之一。可见度与隧道内墙面亮度、路面亮度和闪烁频率等条件有关，直接影响驾驶员辨识物体的难易程度，体现隧道内可见度与照明质量的关系，也是隧道行车视觉感受的重要指标。

2.3.2反应时间

公路隧道内交通事故的发生与驾驶员的反应时间有着密切联系，反应时间指驾驶员从看见障碍物到采取处理措施的时间。相关研究表明，反应时间与环境亮度具有直接的相关性，环境亮度不同，人的反应时间也不同，驾驶员在隧道中的反应时间除了受环境亮度影响外，还受照明灯具分布的影响，隧道照明设计应当从这些方面考虑如何有效地缩短驾驶员的反应时间，以降低交通事故的发生频率。

2.3.3亮度均匀度

亮度均匀度（brightness uniformity）指隧道路面上最小亮度与平均亮度的比值，纵向亮度均匀度是指在车道轴线上最小路面亮度与最大路面亮度的比值。隧道照明方案设计时应使用DIALux软件建模仿真，灯具配光及仿真隧道过渡段的亮度均匀度如图3，确保隧道的各段照明低亮度及均匀度符合JTG/T D70/2-02-2014行业标准相应要求。如果视场亮度及均匀度过低，亮的部分就会形成眩光，且亮暗的变化会带来频闪效应，让驾驶员的视觉效果会变差及加重视觉疲劳。当隧道路面连续且反复出现亮带及暗带形成的“斑马效应”让驾驶员感到十分烦躁，通常以纵向均匀度来评价“斑马效应”的程度，该现象严重的将危及行车安全。

隧道灯照度及均匀度仿真

2.3.4眩光

眩光（Dazzle）是视场中极端的亮度对比，使人的视觉功能下降或眼睛感到不适，在隧道中的眩光可能来自照明灯具及出口高亮度等，眩光会让人对障碍物辨认能力下降，严重的眩光将危及车辆行车安全，隧道照明设计时应根据环境条件和布灯方案选择合适的配光设计灯具来避免眩光。国际照明委员会（International Commission on illumination，CIE）发布的国际标准CIE 31-1976《道路照明装置的眩光和均匀性》针对眩光采用相对阈值增量(threshold increment，TI)来限定因眩光造成视力功能下降的失能眩光。欧盟标准化委员会的CR 14380法案针对隧道照明失能眩光进行相应规定，当白天隧道阈值段和中间段及夜间整个隧道的TI必须小于15 %。我国行业标准CJJ 45-2015对眩光进行了定义及要求，具体参见该标准的7.1条。[8]

2.3.5频闪效应

频闪效应（stroboscopic effect）是在以一定频率变化的光照下，观察到的物体运动呈现出静止或不同于其实际运动状态的现象。灯的光学设计、布灯排列不连续、亮度差异大和明暗变化都会形成频闪效应，让驾驶员不停地受到明暗变化的刺激而产生烦乱的心情。正常情况下，频闪的频率小于2.5 Hz与大于15 Hz时所带来的频闪是可接受的。在照明方案设计时应考虑选择适当的灯具安装间距，隧道内灯具的安装间距为4 m，行车时速为60 km/h时，频闪的频率约为4.2 Hz，当频闪的频率在4～11 Hz之间及持续时间超过20 s时，驾驶员就会感到不适。

3、隧道照明运营管控

3.1  供电保障

隧道电力负荷应符合MOT 发布的行业标准JTG/T D71-2004《公路隧道交通工程设计规范》的相应要求，对供电可靠性与中断供电在社会及经济上所造成的影响或损失程度来确定负荷等级，其中消防水泵、排烟风机、火灾检测、报警、应急照明、控制设施和基本照明均使用一级负荷；机电设备则采用二级负荷；其余动力与照明用电都采用三级负荷方案。管理方应定期对隧道内外的电力、照明、通风和消防等设施进行检查，确保供电稳定来保证隧道内行车安全。

3.2  隧道口减光措施

隧道入口及过渡段的照明亮度取值与隧道外的亮度具有直接关联，隧道照明设计时在隧道口设置减光措施，降低隧道入口及过渡段与外部亮度差，在接近段路基的两侧种植常青树，对隧道内墙面进行暗化及冷色调处理，坡面进行大幅绿化及采用削竹式隧道口方案，在与天空面积比不小于50 %的隧道口进行间隔遮阳，隧道口增加减光设施来确保隧道行车安全。

3.3  评估机制

公路隧道照明按照具体情况以及最不利条件进行设计，应优化隧道照明调光和运营管理的最佳方案，制订符合隧道特征的照明系统管理方案。引入专业的评估机构对隧道在照阴天、重阴天、云天、下雨天、晴天和夜间等环境条件下的照明需求基准，并模拟交通量的变化等多种状况下进行评估，确保隧道照明系统多模式调光方案合理及可靠运行。

4、 “LED+智能”隧道照明应用展望

传统隧道照明采用的高压钠灯为全周光谱，灯具设计时需利用漫散射罩折射灯光来满足照明配光，新型固态LED光源具有寿命长、效率高、能耗低和易调控等优点，其发光角度可按照应用需求设计，灯具设计时利用光学透镜来提高光的利用率，加上“LED+智能”照明系统在公路隧道照明的推广应用，以及系统管理的便捷性及操作简单化，为LED隧道灯具在公路隧道照明中得到大量应用创造了契机，以“标准化、智能化、低成本化、多元化” 为基准促进公路隧道智能照明的创新应用。在隧道运营安全与照明能耗大的日益突出当下，为了确保照明质量与安全的提升和降低能源消耗，近年国内多条高速主干道及典型隧道照明均采用“LED+智能”照明系统方案，运营能耗和维护成本明显下降，同时也带动使用高压钠灯的隧道照明逐步更换为LED隧道灯具，具有高效节能的“LED+智能”照明系统在隧道照明中将得到大量推广应用。

隧道照明是交通运输能源消耗的重要部分，我国公路隧道里程在成倍增长，隧道照明节能减排成效已成为行业关注焦点。通过将“LED+智能”在隧道照明的推广应用，利用智能控制技术的优势对隧道照明节能优化，在保障车辆行使安全的基础上，降低照明能耗而产生显著的经济效益。在隧道照明方案设计时，通过多学科技术结合应用及优势互补，发挥“LED+智能”的应用优势，有效促进隧道照明的高效节能与健康发展。

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▍内容来源：广东LED（作者：曹小兵） 如侵权请联系留言本平台及时删除