高速公路長隧道智慧照明研究

來曉磊

（山西省交通建設工程監理有限責任公司，山西 太原 030012）

高速公路隧道是一個相對較為封閉環境，視線條件較差，相較于普通道路照明而言，隧道照明有著更高的要求。高速公路隧道照明除了滿足基本的行車照明以外，還要規避白天車輛駕駛進入隧道和駛出隧道的亮度變化，可能導致駕駛人員出現視覺適應問題，影響到行車安全。高速公路隧道內照明系統如果無法進行智能調光，勢必帶來無效照明而浪費能源。基于此，為了保證高速公路隧道內安全行車，加強智慧照明系統的研究很有必要，引進現代化技術建立隧道智慧照明系統，達成節能減排目標，以便于帶來更大的經濟效益和社會效益。

1 工程概況

以某高速公路為例，采用雙相四車道高速公路標準建設，設計速度為80 km/h，路基寬24.5 m。該高速公路隧道總長30.8 km。

2 高速公路隧道智慧照明系統設計

2.1 隧道照明方案設計

以上述高速公路上的某條隧道為例，隧道寬10.5 m，設計車速80 km/h，路面為復合式路面。公路隧道為單相雙車道，具體包括引道照明、入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明幾個部分[1]。該隧道洞外亮度為2 500 cd/m2，端墻式隧道洞外亮度3 000 cd/m2。結合隧道長度，設計車速、洞外亮度和隧道斷面等參數予以設計。

2.2 隧道智慧照明控制系統設計

就隧道智慧照明系統來看，其中組成部分較為多樣，包括以下幾個方面：

a）環境信息感知設備。環境信息感知設備中包括洞內、外光強檢測器、洞內CO/VI 檢測儀和洞內能見度儀。洞內、外光強檢測器主要負責收集洞內外的亮度值和照度值，經由PLC 控制器傳輸到照明監控工作站，根據設計規范確定隧道各段亮度；洞內光強檢測器收集洞內照度值。而洞內能見度儀和洞內CO/VI 檢測儀，收集洞內、外能見度相關參數，經過隧道照明監控工作站存儲和分析，結合計算結果進行相應的操作[2]。

b）車輛行為感知設備。車輛行為感知設備包括數字微波車輛檢測器和紅外探測器。車輛檢測包括4 組，1 組負責車輛有無和車速信息輸出，在信號控制下促使隧道照明系統正常照明或節能模式切換；2 組負責車輛有誤信息輸出，是隧道智慧照明的保險；3 組負責監測駛入隧道的車輛是否駛出；4 組負責隧道內車輛是否通過入口段和過渡段，長隧道的車輛駛離入口段和過渡段，沒有新車輛進入隧道后，隧道智慧照明系統則調整到節能模式，滿足節能減排需要[3]。

在隧道各段中，部分隧道距離橋梁位置較近，可能會對車輛行為檢測傳感器布設位置帶來影響，根據規定來動態調整實際安裝位置。

c）照度實時監測設備。照度實時監測設備中包括洞內光強檢測器和洞內攝像機。隧道內監控攝像機，負責對隧道全面監控，將采集得到的隧道內部圖像傳輸到照明監控工作站；安裝洞內光強檢測器，負責收集隧道內路面照度數值。照明監控工作站負責采集隧道內部圖像數據，實現隧道內部路面圖像灰度歸一化；洞內光強檢測器結合標準來檢測隧道內照度，將路面圖像灰度轉變為照度，實現隧道內部照度不均勻測量，保證路面照度均勻[4]。

d）通信設備。通信設備由節點型遠端光端機、工業以太網交換機、環網型遠端光端機、節點型局端光端機和環網型局端光端機等多種部分構成。工業以太網交換機用于傳輸傳感器采集的信息到變電所照明監控工作站；節點型光端機負責傳感器采集圖像信息傳輸到變電所照明監控工作站；環網型數據光端機則用于調光控制器的指令傳輸給相應的調光控制器，動態調整燈具亮度[5]。調光指令通過調光控制器轉換為脈沖信號，依托于PWM調光方式來調整隧道內各段燈具亮度，滿足隧道內照明需要同時，降低電能損耗。

e）隧道照明設備。借助專業的隧道LED 燈具，負責調整隧道內各段燈具的照明亮度。

f）調光控制設備。調光控制設備中，由局端調光控制器將調控指令傳輸給遠端調光控制器，轉化成對應的脈沖信號，依托于PWM調光方式來調整隧道內各段燈具亮度。局部調光控制器接收變電所照明監控工作站發布的調光指令，是工作站和各段燈具之間的連接紐帶[6]。

g）照明監控工作站。借助專門的變電所隧道照明監控軟件來保證照明監控工作站運行，光網絡收集傳感器和照度相關數值信息，將調節指令傳輸給局端調光控制器，局端調光控制器將控制信號依托光纖環網傳輸指令給遠端調光控制器，動態調整隧道內各段燈具亮度。照明監控工作站在運行期間，管理人員可以通過隧道照明監控軟件來選擇合理的隧道智慧照明運行模式，調節隧道內各段燈具照明參數[7]。同時，還可以實現對隧道內智慧照明系統運行情況全面監控，一旦發現異常情況可以及時調整，以便于滿足隧道內照明需要同時，降低電能損耗。

2.3 隧道照明燈具布設

高速公路隧道內的照明燈具布設包括基本照明、加強照明和應急照明。通常情況下，隧道內燈具布設以兩側對稱布設方式為主，安裝高度大概5.5 m左右。如果是高速公路兩車道隧道，可以適當降低安裝高度，提升路面照度[8]。需要注意的是，燈具安裝應該綜合考量與其他燈具之間的距離，尋求合理的防眩措施來控制燈具的頻閃效果。燈具結構以條形為主，表面光強過渡平緩下，嚴格控制燈具安裝間距，避免受到閃爍頻率影響。

a）隧道基本照明。借助30 W LED 隧道等為隧道提供基本照明，燈具間距9 m，可以滿足高速公路隧道晝夜照明需要。

b）加強照明。主要設置在隧道入口段、過渡段和出口段，在隧道洞口頂端高度5 m 處安裝加強照明燈具[9]。

c）應急照明。高速公路隧道應急照明，主要是為了規避突發停電事故影響到隧道行車安全，如果隧道全長超過1 000 m 需要設置應急照明，24 h 全亮。應急照明亮度是基本照明1/4 左右，備用時間在90 min以上，可以使用耐火電纜配電到應急燈。

3 高速公路隧道智慧照明關鍵技術

3.1 亮度實時監測技術

高速公路隧道智慧照明系統中，亮度實時監測技術十分關鍵，主要是借助圖像處理軟件來計算路面實際亮度，為閉環反饋系統輸入信息，便于后續管理人員管理隧道。隧道內車輛檢測模塊借助監控攝像機實現，如果發現監控路段上沒有車輛，則開始計算路面實際亮度，避免路面行車影響到檢測結果精準度。使用霍夫變換檢測無車圖像隧道路面兩側標志線，提取路面標志線，動態調整和校正路面圖像灰度和距離，保證路面圖像灰度值歸一化。洞內光強檢測器對隧道路面某點亮度讀數為標準灰度轉化為實際亮度，精準計算隧道內亮度和照度。

3.2 隧道內能見度修正亮度

借助線圈車輛檢測器、洞內、外光強檢測器和紅外探測器來計算隧道內車流量、洞內外亮度和車速，依托于CO/VI 檢測器動態調整隧道內亮度，確定隧道統一的亮度值；借助亮度實時監測系統來計算隧道內亮度，僅經由PID 來自適應隧道路面所需亮度，調整隧道亮度值，滿足燈具運行功率需要[10]。

3.3 隧道智慧照明調光措施

a）自動調光控制模式。此種模式是隧道智慧照明系統的主要調光控制模式，由變電所照明監控工作站來收集傳感器采集的圖像數據，包括車流量、車速、車輛油污、各個路段實時照度和洞內外亮度等信息，借助專門的隧道照明監控軟件對數據檢測和處理。變電所隧道照明監控軟件的運行，以車輛行為傳感器和環境信息感知傳感器采集數據為依據，確定各個路段理論亮度值；以照度實時監測攝像機采集信息為依據，計算高速公路隧道內路面的實際照度值，來分析理論和實際的差異情況；理論亮度值和實際照度值通過PID 調節模塊輸入，動態調節和控制照明燈具的亮度變化，滿足隧道內照度需要。變電所照明監控工作站，借助專門軟件需要加工計算得到的亮度值和調光指令傳輸給局端調光控制器，然后調光控制器將調光指令下達到各個遠端調光控制器，脈沖信號以PWM調光方式動態調整燈具亮度。

b）時序控制模式。此種模式主要是依據不同時間段來調整隧道內燈具亮度，包括早上、上午、正午、下午、黃昏以及深夜等時間段。隧道內如果無車行駛，則轉變為低能耗模式。

c）手動控制模式。檢測車輛速度和車輛有無信息，結合不同時間段、天氣情況來手動調節照明系統，確定隧道各段照明回路。

4 結論

綜上所述，高速公路隧道智慧照明系統的設計，需要充分結合不同公路隧道特點，系統化分析來確定隧道相關參數，把握關鍵技術和調光措施，在滿足高速公路隧道照明需要的同時，滿足節能減耗需要，提升高速公路運行效益。