山區高速公路隧道照明智能化改造方案應用探索

廖景懷

廣東省公路建設有限公司，廣東廣州，510630

0 引言

隧道是交通建設中重要的組成部分，由于其半封閉的特殊性，使其在營運期間的應急救援、指揮調度、交通疏導等方面存在一定的困難。我國高速公路發展至今已有二十多年，大部分隧道運營時間長、隧道照明設計標準陳舊，部分隧道仍采用高壓鈉燈，同時普遍存在燈具老化引起的故障頻率增加、亮度不足及運營成本居高不下等問題，嚴重影響道路行車安全，在山區小車流的高速公路長隧道及特長隧道的問題尤為突出。因此，如何重新構建高效智能的隧道照明及調光控制系統，對于隧道安全通行、降本增效起著關鍵性的作用。

1 項目現狀分析

1.1 高速公路概況

江門至羅定高速公路是廣東省高速公路網規劃中第四橫線（福建漳州至廣西玉林）的一部分，國高網編號為G2518，路線呈東西走向，途經江門鶴山市和云浮新興縣、羅定市境內，起點位于鶴山市共和鎮，接佛開高速，終止于羅定華石鎮莫村，接云岑高速羅定至郁南段、羅定至廣西岑溪（省界）段和云陽高速羅定至陽春段，主線全長139.147km。其中，三岔頂隧道左線（LK107+434～LK110+625）長3191m，右線（RK107+449～RK110+641）長3192m。

1.2 隧道照明系統現狀

三岔頂隧道照明系統于2016年底完成建設，入口加強段為高壓鈉燈、LED照明燈具結合方式，過渡段、基本段、出口段均為LED照明燈具，光效標準為110Lm/W，設計標準采用《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01-2014），其中隧道內主線道路為水泥路面，設計速度為100km/h。照明燈具整體使用超過6年時間，設備老化嚴重，同時三岔頂隧道路面改造為瀝青路面，專業機構檢測報告顯示本隧道照明已經不能滿足設計規范標準。因此，結合高速公路的安全管理，應針對三岔頂隧道進行隧道照明系統的升級改造，使其滿足規范要求[1]。

1.3 傳統調光系統方案

本項目采用的傳統調光控制系統分為監控中心和隧道現場兩部分。在隧道現場，包括亮度檢測器、控制柜、亮度可控型LED隧道燈等，其中控制柜內含調光控制裝置、手動/自動轉換器、開關電源、各種接口等設備，照明系統采用傳統的回路無極調光控制模式，隧道內LED照明燈具的電源可以接受DC 0～10V的模擬電壓控制信號，并根據接收的信號電壓的大小自動調節LED的功率，從而可以調節LED燈具的光通量，其中信號電壓的0V應對應電源的最大輸出功率，10V應對應電源的最小輸出功率，實現無極調光控制[2]。

單條隧道調光控制系統由2套調光控制柜及相應接線組成，調光控制裝置分別設置在三岔頂隧道兩側的變電所內。調光控制裝置用于控制各自區域內LED隧道燈的亮度調節，每個調光控制裝置預留與監控設備相連的通信接口，并可接收和對應識別本地亮度監測儀的模擬亮度信號。根據項目營運數據，三岔頂隧道江門方向日均交通量7974輛，羅定方向日均交通量9039輛，夜間車流下降明顯。為降低夜間隧道照明系統的營運成本，應對本隧道進行調光控制系統的智能化提升。

2 項目總體技術架構

2.1 燈具選型

考慮我國LED燈具的不斷進步，以及無極調光技術的逐步推廣完善，其節能、低光衰、高光照效率等參數指標比傳統高壓鈉燈具有比較大優勢，因此，本項目燈具均選用150Lm/W高光效同功率的LED燈具，維護系數取值0.7，亮度系數瀝青路面取值15lx/(cd·m2)，同時，基本、應急照明燈具所采用的LED燈具需為經過防眩光處理的防眩光型燈具。除此之外，設計燈具功率充分考慮冗余量，改造后照明系統可在運營前兩年將白天的加強照明燈具功率調整至額定功率的70%，基本照明調整至額定功率的80%，同時滿足設計指標規范要求及隧道照明的遠期需求。

2.2 布設方案設計思路

本項目的基本應急照明燈具以及加強照明燈具均安裝在原有隧道燈具位置，燈具樁號以及高度不變，本項目不改變原有燈具的設計間距，照明線纜及其橋架利舊使用。新增燈具的外形尺寸及其支架安裝方式要與舊燈具基本保持一致，以保持改造后的外觀效果一致美觀。

2.3 智能調光控制系統方案

本項目在現有調光控制基礎上，增加一套雷達車輛檢測調光系統，實現對加強照明的智能調光控制。在隧道兩側入口前方1km～2km處各設置一套智能雷達車輛檢測設備及通信機箱，用于檢測及傳輸通行隧道的車輛信息；在隧道變電所新增1套智能調光服務器，用于采集車輛檢測器發送的隧道入口段動態交通流量、不同時段的歷史交通規律，以及現有洞內外亮度檢測器檢測的亮度等數據，同時在監控中心新增一套調光系統與中心現有服務器內調光控制軟件兼容，可通過現有調光控制軟件實現對隧道調光系統的遠程控制[3]。調光控制系統方案示意圖如圖1所示。

圖1 調光控制系統方案示意圖

綜合洞內外亮度數據、車流量數據、北斗天文鐘數據及綜合預警平臺數據，通過智能調光服務器內人工智能算法等一系列決策數據進行綜合分析計算，形成數據輸出模型，安全、精準地調節隧道內照明亮度，實現隧道內燈光亮度的動態調節。從而在確保隧道行車安全的前提下實現節能減排，降低運營成本，提高隧道的智能化管理水平。隧道智能調光照明系統對隧道照明進行實時運行管理，無車通行時，系統改變調光電壓，使照明度降低至低限水平；當車輛通行時，系統逐漸恢復照明度至標準水平，從而降低照明能耗；應急情況下，隧道現場應急控制系統啟動（隧道調光控制系統可實現自動控制、遠程控制，應急狀態可切換為手動控制），當設備故障或隧道內車輛事故時，應急控制系統即時獲取中斷或異常信號，控制照明系統的工作狀態調整為燈具全開狀態，保證行車安全。加強照明應根據洞外亮度和交通量變化，進行入口段、過渡段和出口段的調光方案設計，可按表1進行調光分級組合[4-5]。

表1 加強照明調光分級表

3 綜合調光控制策略

3.1 白天調光控制方案

3.1.1 夏季晴天照明（L20＞3000cd/m2）

開啟加強照明燈具，進行無極調控，達到最大光通量（前兩年內可調控為80%額定光通量），開啟基本照明燈具和應急照明燈具，維持最大光通量（前兩年內可調控為90%額定光通量）。

3.1.2 其他季節晴天、夏季云天照明（3000cd/m2＞L20＞1500cd/m2）

開啟加強照明燈具，進行無極調控，調整到80%光通量（前兩年內可調控為70%額定光通量），開啟基本照明燈具和應急照明燈具，維持最大光通量（前兩年內可調控為80%額定光通量）。

3.1.3 其他季節云天、夏季陰天照明（1500cd/m2＞L20＞750cd/m2）

開啟加強照明燈具，進行無極調控，調整到60%光通量，開啟基本照明燈具和應急照明燈具，維持最大光通量（前兩年內可調控為70%額定光通量）。

3.1.4 其他季節陰天、夏季重陰天照明（750cd/m2＞L20＞390cd/m2）

開啟加強照明燈具，進行無極調控，調整到50%光通量，開啟基本照明燈具和應急照明燈具，維持最大光通量（前兩年內可調控為70%額定光通量）。

3.1.5 白天雷達智能調光方案

根據雷達車檢器數據，在車流量為0時，把全部照明控制輸出電流調至10%；在車流量小于100車/15分鐘，基本應急照明、入口、過渡、出口加強照明調至80%輸出控制電流；在車流量大于100車/15分鐘，基本應急照明、入口、過渡、出口加強照明調至90%輸出控制電流（可根據不同隧道實際亮度監測值做調整，有車通過時以光強檢測器調整值為主，無車通過時以車檢器調整值為主）。

3.2 夜間調光控制方案

3.2.1 常規控制方案

關閉入口段、過渡段、出口段加強照明；基本照明、應急照明及關聯特殊功能段照明全開；夜晚開啟引道照明燈具。

3.2.2 夜間雷達智能調光方案

根據雷達車檢器數據，在車流量為0時，基本應急照明控制輸出電流調至10%；在車流量小于100車/15分鐘時，基本應急照明調至80%輸出控制電流；在車流量大于100車/15分鐘時，基本應急照明調至90%輸出控制電流（可根據不同隧道實際亮度監測值做調整）。

3.3 項目實施成效

三岔頂隧道原有照明設施及調光控制系統升級改造后，既可滿足設計規范的要求，又降低了隧道照明的用電成本，同時使洞內外亮度對比反差縮小，提高了隧道的行車舒適度和安全性。營運數據顯示，三岔頂隧道加強照明月度平均使用能耗從28108.8kW·h降低至19676.2kW·h，能耗節約了30%左右；基本照明月度平均使用能耗從72705.6kW·h降低至58164.5kW·h，能耗節約了20%左右。

4 結語

本文通過廣東省江羅高速三岔頂隧道照明系統改造項目的實施，以高光效LED燈具替換了高壓鈉燈和同功率低光效（約110Lm/W）的LED燈，不僅滿足隧道照明遠期的使用需求，而且降低了同功率下照明燈具的使用能耗，同時通過基于雷達感知檢測技術的智能調光控制系統的應用，綜合智能分析隧道亮度數據、車流量數據、北斗天文鐘數據等各類交通參數，為路段營運管理提供自動調光方案，提升了隧道的智能化管理，同時根據營運實際應用創造性地總結了白天及夜間的調光控制策略，進一步有效減少了照明浪費和能源消耗，實現了隧道照明系統的低碳節能智能化改造，且具有一定的示范性和可操作性，為同類山區高速的隧道照明改造方案的應用提供了參考案例，切實推進了隧道照明的智能化管理和低碳節能化發展。