高速公路隧道照明系統的LED 改造研究

郭競杰

（福建省交通建設工程監理咨詢有限公司，福州 350002）

隨著交通網絡和現代化城市建設的快速發展，高速公路隧道的數量不斷增加。盡管隧道在交通運輸中發揮著重要作用，但是其照明系統經常被忽視。尤其是在夜間和惡劣天氣條件下，不適當的照明可能會導致嚴重的交通事故。因此，對高速公路隧道照明系統進行發光二極管（Light Emitting Diode，LED）改造具有十分重大的現實意義。

1 高速公路隧道照明的重要性及現有照明系統的不足

1.1 隧道照明對行車安全的重要性

在暗光條件下行駛時，駕駛人員需要更加努力地適應光線變化，這可能會導致視覺疲勞。良好的隧道照明可以提供明亮、均勻的光線，幫助駕駛人員看清道路、隧道內的其他車輛和交通標志，有助于提升警覺性和注意力，從而降低疲勞駕駛風險和事故的發生概率。另外，在緊急情況下，如遇到交通事故或障礙物等，良好的照明可以使駕駛人員有效識別危險并采取適當的措施。

1.2 現有照明系統存在的不足

1.2.1 能耗大，成本高

首先，現有隧道照明系統通常采用高壓鈉燈或熒光燈等傳統光源。這些光源在長時間運行中會消耗大量電能，導致能源費用高昂。特別是對于大規模的高速公路隧道網絡，能耗問題尤為突出，照明電費在隧道運營總成本中占據相當大的比例。其次，隧道照明系統的維護和更換成本相對較高。傳統光源壽命較短，需要定期更換，而維護和更換燈具需要消耗大量人力和物力資源。最后，傳統照明系統的故障率較高，頻繁的故障維修增加了維護成本。

1.2.2 能源浪費，污染環境

首先，傳統光源在使用過程中會產生大量的熱能，不僅會增加隧道內的溫度，而且會提高冷卻系統的能耗，進一步加大能源浪費。其次，傳統光源常含有汞等有害物質，一旦燈具破損或報廢，可能會污染環境，威脅人員健康。最后，傳統照明系統的光束散射較大，隧道內外亮度不均勻，不但會造成電能的浪費，而且容易產生光污染問題，影響周邊生態環境和居民生活。

1.2.3 照明質量差，降低安全性

首先，傳統高壓鈉燈和熒光燈等光源的色溫較低，呈黃色或白熾色，不僅影響駕駛人員的夜間視覺舒適度，還可能引發視覺疲勞和眩光問題，降低駕駛的安全性。其次，傳統光源的光束散射角度較大，光線不均勻，易導致隧道內出現陰影、暗區和亮區，使駕駛人員難以獲得清晰的視線，增加了交通事故的發生概率。最后，傳統照明系統的開關控制方式較為簡單，通常采用階段性的開關控制，無法根據隧道內外光線條件的變化動態調節亮度。在不同天氣狀況、不同時間段和不同隧道位置，照明亮度無法平穩過渡，可能會出現瞬間的明暗變化，影響駕駛人員的視線適應性，降低了行車安全性[1]。

2 LED 改造方案

2.1 照明系統設計

2.1.1 選擇LED 燈具和控制器

選擇合適的LED 燈具至關重要，需要考慮燈具的亮度、色溫、壽命和能效等因素。LED 燈具應具備足夠的亮度，以確保隧道內可見性良好。色溫應適中，以駕駛人員視覺舒適為宜。同時，考慮長期使用，應選擇壽命長的LED 燈具，以減少更換和維護成本。在能效方面，LED 燈具應具備較高能效，以降低能源消耗。因此，在設計LED 照明系統時，需要仔細評估LED 燈具的各項性能參數，選擇適合隧道照明需求的型號。

LED 控制器的選擇是LED 改造中不可忽視的因素。LED 控制器用于管理LED 燈具的亮度和色溫，以滿足不同的照明需求?？刂破鲬邆浞€定的性能和高精度的調光能力，確保隧道內外亮度均勻。選擇適當的控制器可以實現智能化控制，根據外部光線亮度和交通情況動態調整隧道內的亮度值，提高能源利用率的同時確保行車安全。

2.1.2 布局和安裝LED 照明系統

在LED 照明系統的布局方面，需要考慮隧道內的照明需求和隧道的幾何形狀，確保整個隧道內光線均勻且亮度充足，為駕駛人員提供開闊的視野。布局的關鍵是確定LED 燈具的安裝位置和數量，需要綜合考慮隧道的長度、寬度、高度及光學特性。通常情況下，LED 燈具應均勻分布，避免出現亮度不均勻的情況或存在陰影區域。

在安裝LED 照明系統時，需要遵循專業的安裝標準和技術要求。安裝過程中，應確保LED 燈具固定牢靠，防止振動下引發燈具脫落。電纜線路應正確連接，避免電纜過度繃拉或扭曲。同時，應定期進行安裝質量檢查和測試，確保LED 照明系統正常運行[2]。

2.2 照明控制系統設計

2.2.1 亮度檢測和控制

通過亮度檢測和控制，LED 照明系統能夠根據不同的條件和需求自動調整照明亮度，以確保高速公路隧道內外的照明效果始終處于最佳狀態。亮度檢測器的作用是確保隧道內外的光線亮度保持在合適水平，以滿足駕駛人員的視覺需求。這些檢測器通常分布在隧道入口、出口和內部的關鍵位置。在隧道出、入口，亮度檢測器可以捕捉到外部的自然光線亮度水平。由于隧道內部的光照通常會因交通量、天氣條件和時間差異而發生變化，亮度檢測器能夠實時監測亮度變化情況。通過不斷比較外部和內部的亮度數據，系統可以獲得隧道內外亮度差異的準確信息，為后續的調光操作提供基礎。

智能控制器是LED 照明系統的關鍵組成部分，主要根據亮度檢測器提供的數據生成調光指令，通過提高或降低LED 燈具的亮度，確保隧道內的照明水平適應不同的環境條件。當系統接收到亮度檢測器的數據時，智能控制器會根據預設的算法和參數來決定采取何種調光措施。例如，當檢測到隧道入口的外部光線亮度較高時，控制器可能會降低LED燈具的亮度，以避免過度照明和不必要的能耗。相反，如果隧道內部的亮度下降，控制器會提高LED 燈具的亮度，以確保足夠的可見度。

LED 系統的亮度控制通常具有動態調光功能，即可以根據隧道內不同區域的需要調節亮度水平。該功能對于優化能源利用和提高照明質量至關重要。例如，在隧道的進口和出口段，由于駕駛人員需要適應不同的光線條件，需要更高的亮度以提升可見性，控制器可以根據亮度檢測器的數據動態提高LED 燈具的亮度；而在隧道的中間段，交通可能較為穩定，這時可以降低亮度以減少電能消耗，但是要確保具備足夠的照明水平，以保證行車安全。動態調光使LED 照明系統能夠更精確地適應不同區域的亮度需求，提高了照明的效率和節能性。

2.2.2 調光控制器的設計

調光控制器的設計需要充分考慮LED 燈具的性能和隧道照明的需求，如圖1 所示。首先，調光控制器應具備高精度的亮度調節能力，通常采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術來實現。PWM 控制通過調整LED 燈具的開關頻率和占空比來控制燈具的亮度，可以實現連續和平滑的亮度調節，避免了閃爍或抖動現象。其次，調光控制器的設計應考慮隧道內外的光線條件和交通情況，以確定亮度調節策略。例如：白天陽光充足時，控制器可以降低LED燈具的亮度以節約能源；在夜間或陰雨天氣下，控制器應提高亮度以確保行車安全。這需要在控制器中預設不同的亮度模式和閾值，以滿足不同的照明需求。最后，調光控制器應具備通信和監測功能，實現遠程控制和實時監測LED 照明系統的功能。通過與亮度檢測器和控制總線連接，調光控制器可以接收外部光線數據，并根據情況自動調整LED 燈具的亮度。同時，系統操作員可以通過遠程控制手段進行手動調節，以應對突發情況或特殊需求[3]。

圖1 LED 調光控制器

2.3 應急電源備份和故障處理

LED 化改造方案中的應急電源備份和故障處理是確保LED 照明系統在各種意外情況下保持正常運行的重要部分。首先，應急電源備份是為了應對電力中斷或電源故障等情況而設計的。在LED 改造中，應考慮使用備用電源，如不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統或發電機組，以確保LED燈具在電力中斷時能夠繼續供電，防止出現交通事故。同時，備用電源應具備足夠的容量，以支持LED 燈具在應急模式下運行，通常需滿足特定時間段內的照明需求。其次，故障處理是保障LED 照明系統穩定性的關鍵環節。故障包括LED 燈具損壞、控制器故障或通信中斷等，為了快速診斷和解決這些問題，應在系統中集成故障檢測和報警功能。當系統檢測到故障時，應及時發出警報并記錄故障信息，以便維修人員迅速響應和修復故障，縮短系統停機時間。最后，應急電源備份和故障處理方案需要在LED 改造的設計和實施中充分考慮，以確保LED 照明系統在各種不可預測的情況下繼續為高速公路隧道提供安全和可靠的照明，保障駕駛人員的行車安全。

3 LED 改造效果分析

3.1 節能效果顯著

相較于傳統照明系統，LED 照明系統在能源利用上具有顯著的優勢，能夠帶來明顯的節能效果。LED 燈具以其高能效的特點，將更多的輸入電能轉化為可見光，并將相對較少的電能轉化為熱能。相比之下，傳統的熒光燈或高壓鈉燈等照明設備會產生更多熱能，導致電能浪費。通過LED 改造，隧道內的電能消耗顯著減少。傳統照明系統需要經常更換燈管和維護電子元件，而LED 燈具通常壽命較長，降低了維護和更換頻率，縮短了維修成本和維修帶來的停工時間[4-5]。

某高速公路隧道的總支出為100 000 元，LED 改造后隧道內的電能消耗和維護成本顯著減少，帶來了良好的經濟效益，如表1 所示。

表1 改造前后的費用統計表 單位：元

3.2 增強了隧道行車的安全性

在該高速公路隧道LED 照明系統改造前，隧道內的事故率相對較高。這種情況主要是由于傳統照明系統的光照亮度不足，駕駛員視線受限。尤其在進出隧道的瞬間，眼睛適應環境的問題顯著，增加了行車風險。隨著LED 照明系統的引入，這一狀況得到了顯著改善。LED 燈光的色溫更接近自然光，減少了駕駛員的視覺疲勞，進一步提升了行車安全，事故率顯著降低，從每月0.8 起下降至0.3 起，降幅達到62.5%。

4 結語

高速公路隧道照明系統的LED 改造不僅提高了照明質量，還改善了出行安全性和舒適性。隨著LED技術的不斷發展，LED 改造在未來的隧道建設和維護中將繼續發揮關鍵作用，為人們提供更加安全、便捷和舒適的出行體驗。因此，LED 改造是一種值得大力推廣和應用的照明技術，有助于改善交通運輸領域的基礎設施和服務質量。