山区高速公路隧道照明智能化改造方案应用探索

廖景怀

广东省公路建设有限公司，广东广州，510630

0 引言

隧道是交通建设中重要的组成部分，由于其半封闭的特殊性，使其在营运期间的应急救援、指挥调度、交通疏导等方面存在一定的困难。我国高速公路发展至今已有二十多年，大部分隧道运营时间长、隧道照明设计标准陈旧，部分隧道仍采用高压钠灯，同时普遍存在灯具老化引起的故障频率增加、亮度不足及运营成本居高不下等问题，严重影响道路行车安全，在山区小车流的高速公路长隧道及特长隧道的问题尤为突出。因此，如何重新构建高效智能的隧道照明及调光控制系统，对于隧道安全通行、降本增效起着关键性的作用。

1 项目现状分析

1.1 高速公路概况

江门至罗定高速公路是广东省高速公路网规划中第四横线（福建漳州至广西玉林）的一部分，国高网编号为G2518，路线呈东西走向，途经江门鹤山市和云浮新兴县、罗定市境内，起点位于鹤山市共和镇，接佛开高速，终止于罗定华石镇莫村，接云岑高速罗定至郁南段、罗定至广西岑溪（省界）段和云阳高速罗定至阳春段，主线全长139.147km。其中，三岔顶隧道左线（LK107+434～LK110+625）长3191m，右线（RK107+449～RK110+641）长3192m。

1.2 隧道照明系统现状

三岔顶隧道照明系统于2016年底完成建设，入口加强段为高压钠灯、LED照明灯具结合方式，过渡段、基本段、出口段均为LED照明灯具，光效标准为110Lm/W，设计标准采用《公路隧道照明设计细则》（JTG/T D70/2-01-2014），其中隧道内主线道路为水泥路面，设计速度为100km/h。照明灯具整体使用超过6年时间，设备老化严重，同时三岔顶隧道路面改造为沥青路面，专业机构检测报告显示本隧道照明已经不能满足设计规范标准。因此，结合高速公路的安全管理，应针对三岔顶隧道进行隧道照明系统的升级改造，使其满足规范要求[1]。

1.3 传统调光系统方案

本项目采用的传统调光控制系统分为监控中心和隧道现场两部分。在隧道现场，包括亮度检测器、控制柜、亮度可控型LED隧道灯等，其中控制柜内含调光控制装置、手动/自动转换器、开关电源、各种接口等设备，照明系统采用传统的回路无极调光控制模式，隧道内LED照明灯具的电源可以接受DC 0～10V的模拟电压控制信号，并根据接收的信号电压的大小自动调节LED的功率，从而可以调节LED灯具的光通量，其中信号电压的0V应对应电源的最大输出功率，10V应对应电源的最小输出功率，实现无极调光控制[2]。

单条隧道调光控制系统由2套调光控制柜及相应接线组成，调光控制装置分别设置在三岔顶隧道两侧的变电所内。调光控制装置用于控制各自区域内LED隧道灯的亮度调节，每个调光控制装置预留与监控设备相连的通信接口，并可接收和对应识别本地亮度监测仪的模拟亮度信号。根据项目营运数据，三岔顶隧道江门方向日均交通量7974辆，罗定方向日均交通量9039辆，夜间车流下降明显。为降低夜间隧道照明系统的营运成本，应对本隧道进行调光控制系统的智能化提升。

2 项目总体技术架构

2.1 灯具选型

考虑我国LED灯具的不断进步，以及无极调光技术的逐步推广完善，其节能、低光衰、高光照效率等参数指标比传统高压钠灯具有比较大优势，因此，本项目灯具均选用150Lm/W高光效同功率的LED灯具，维护系数取值0.7，亮度系数沥青路面取值15lx/(cd·m2)，同时，基本、应急照明灯具所采用的LED灯具需为经过防眩光处理的防眩光型灯具。除此之外，设计灯具功率充分考虑冗余量，改造后照明系统可在运营前两年将白天的加强照明灯具功率调整至额定功率的70%，基本照明调整至额定功率的80%，同时满足设计指标规范要求及隧道照明的远期需求。

2.2 布设方案设计思路

本项目的基本应急照明灯具以及加强照明灯具均安装在原有隧道灯具位置，灯具桩号以及高度不变，本项目不改变原有灯具的设计间距，照明线缆及其桥架利旧使用。新增灯具的外形尺寸及其支架安装方式要与旧灯具基本保持一致，以保持改造后的外观效果一致美观。

2.3 智能调光控制系统方案

本项目在现有调光控制基础上，增加一套雷达车辆检测调光系统，实现对加强照明的智能调光控制。在隧道两侧入口前方1km～2km处各设置一套智能雷达车辆检测设备及通信机箱，用于检测及传输通行隧道的车辆信息；在隧道变电所新增1套智能调光服务器，用于采集车辆检测器发送的隧道入口段动态交通流量、不同时段的历史交通规律，以及现有洞内外亮度检测器检测的亮度等数据，同时在监控中心新增一套调光系统与中心现有服务器内调光控制软件兼容，可通过现有调光控制软件实现对隧道调光系统的远程控制[3]。调光控制系统方案示意图如图1所示。

图1 调光控制系统方案示意图

综合洞内外亮度数据、车流量数据、北斗天文钟数据及综合预警平台数据，通过智能调光服务器内人工智能算法等一系列决策数据进行综合分析计算，形成数据输出模型，安全、精准地调节隧道内照明亮度，实现隧道内灯光亮度的动态调节。从而在确保隧道行车安全的前提下实现节能减排，降低运营成本，提高隧道的智能化管理水平。隧道智能调光照明系统对隧道照明进行实时运行管理，无车通行时，系统改变调光电压，使照明度降低至低限水平；当车辆通行时，系统逐渐恢复照明度至标准水平，从而降低照明能耗；应急情况下，隧道现场应急控制系统启动（隧道调光控制系统可实现自动控制、远程控制，应急状态可切换为手动控制），当设备故障或隧道内车辆事故时，应急控制系统即时获取中断或异常信号，控制照明系统的工作状态调整为灯具全开状态，保证行车安全。加强照明应根据洞外亮度和交通量变化，进行入口段、过渡段和出口段的调光方案设计，可按表1进行调光分级组合[4-5]。

表1 加强照明调光分级表

3 综合调光控制策略

3.1 白天调光控制方案

3.1.1 夏季晴天照明（L20＞3000cd/m2）

开启加强照明灯具，进行无极调控，达到最大光通量（前两年内可调控为80%额定光通量），开启基本照明灯具和应急照明灯具，维持最大光通量（前两年内可调控为90%额定光通量）。

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

开启加强照明灯具，进行无极调控，调整到80%光通量（前两年内可调控为70%额定光通量），开启基本照明灯具和应急照明灯具，维持最大光通量（前两年内可调控为80%额定光通量）。

3.1.3 其他季节云天、夏季阴天照明（1500cd/m2＞L20＞750cd/m2）

开启加强照明灯具，进行无极调控，调整到60%光通量，开启基本照明灯具和应急照明灯具，维持最大光通量（前两年内可调控为70%额定光通量）。

3.1.4 其他季节阴天、夏季重阴天照明（750cd/m2＞L20＞390cd/m2）

开启加强照明灯具，进行无极调控，调整到50%光通量，开启基本照明灯具和应急照明灯具，维持最大光通量（前两年内可调控为70%额定光通量）。

3.1.5 白天雷达智能调光方案

根据雷达车检器数据，在车流量为0时，把全部照明控制输出电流调至10%；在车流量小于100车/15分钟，基本应急照明、入口、过渡、出口加强照明调至80%输出控制电流；在车流量大于100车/15分钟，基本应急照明、入口、过渡、出口加强照明调至90%输出控制电流（可根据不同隧道实际亮度监测值做调整，有车通过时以光强检测器调整值为主，无车通过时以车检器调整值为主）。

3.2 夜间调光控制方案

3.2.1 常规控制方案

关闭入口段、过渡段、出口段加强照明；基本照明、应急照明及关联特殊功能段照明全开；夜晚开启引道照明灯具。

3.2.2 夜间雷达智能调光方案

根据雷达车检器数据，在车流量为0时，基本应急照明控制输出电流调至10%；在车流量小于100车/15分钟时，基本应急照明调至80%输出控制电流；在车流量大于100车/15分钟时，基本应急照明调至90%输出控制电流（可根据不同隧道实际亮度监测值做调整）。

3.3 项目实施成效

三岔顶隧道原有照明设施及调光控制系统升级改造后，既可满足设计规范的要求，又降低了隧道照明的用电成本，同时使洞内外亮度对比反差缩小，提高了隧道的行车舒适度和安全性。营运数据显示，三岔顶隧道加强照明月度平均使用能耗从28108.8kW·h降低至19676.2kW·h，能耗节约了30%左右；基本照明月度平均使用能耗从72705.6kW·h降低至58164.5kW·h，能耗节约了20%左右。

4 结语

本文通过广东省江罗高速三岔顶隧道照明系统改造项目的实施，以高光效LED灯具替换了高压钠灯和同功率低光效（约110Lm/W）的LED灯，不仅满足隧道照明远期的使用需求，而且降低了同功率下照明灯具的使用能耗，同时通过基于雷达感知检测技术的智能调光控制系统的应用，综合智能分析隧道亮度数据、车流量数据、北斗天文钟数据等各类交通参数，为路段营运管理提供自动调光方案，提升了隧道的智能化管理，同时根据营运实际应用创造性地总结了白天及夜间的调光控制策略，进一步有效减少了照明浪费和能源消耗，实现了隧道照明系统的低碳节能智能化改造，且具有一定的示范性和可操作性，为同类山区高速的隧道照明改造方案的应用提供了参考案例，切实推进了隧道照明的智能化管理和低碳节能化发展。