低交通量下“與車隨行”隧道照明節能控制技術應用研究

尹 力， 史玲娜， 劉貞毅， 張 龍

(1. 四川營達高速公路有限公司， 四川 達州 635000；2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司交通與節能工程院， 重慶 400067)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的進一步發展，高速公路總里程已經超過13萬km。伴隨著公路交通不斷向崇山峻嶺、離岸深水延伸，公路隧道以每年凈增里程1 000 km以上的速度遞增。截至2018年底，我國公路隧道總里程達到17 236.1 km[1]。與之伴隨的是照明能耗不斷攀升，照明成本已成為公路交通運營管理部門沉重的負擔，特別是對于交通量偏低的中西部地區。公路交通“收不抵支”的現狀急需高效節能技術的推廣應用，在保證公路隧道運營安全的同時，進一步降低運營費用[2]。

目前，關于公路照明安全與節能的研究主要以新型節能燈具開發和智能化控制技術為主[3-5]。隨著LED燈具逐漸成為隧道照明的主流燈具，控制也由先前的回路控制普及到無級調光控制[6-7]。根據JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》(簡稱細則)，照明控制以洞外亮度和交通量為參數并結合季節及時段進行自動控制[8]。因此，目前照明控制的研究大都集中于如何精確獲得洞外亮度和交通量的監測值并實現符合標準規定下的隧道照明[9-10]。由于我國地域遼闊，部分高速公路的交通量隨季節性、時段性變化較大，也有部分高速公路開通不久或未全線貫通存在交通量較低的現象，極端情況可能出現幾小時或半天才有幾輛車的情況。根據細則如按交通量低于350 veh/(h·ln)的常規要求設計，仍存在能耗過高的現象。隨著傳感技術和控制技術的不斷進步，采用實時動態流量監測實現精確控制在技術上已成為可能，將其用于低交通量下隧道照明動態控制可大大降低照明運營費用。因此，本文將設計時速下的安全視距和反應時間與自動監測和控制相結合，在現有洞外亮度和交通量參數基礎上，創新性地結合交通流實時監測數據，提出一種低交通量下的“與車隨行”隧道照明控制方式，通過“車來燈亮、車走燈暗”的控制策略避免傳統控制模式下“無車照明”的能耗浪費。該技術的研究和應用可有效提升目前我國公路隧道照明節能技術水平，促進我國公路交通綠色節能技術的進步和發展。

1 結合車輛動態監測的智能控制技術

1.1 技術實現原理

“與車隨行”隧道照明智能控制技術需要實時監測車輛動態交通流和洞外亮度，并采集數據進行分析處理，確定照明系統開啟模式。

1)交通流監測。與傳統交通量采集不同，該技術的實現需要實時精準的與車輛動態相關的交通流監測，可采用微波車檢器識別檢測方式，通過向識別區域發射包含254個層面的橢圓形波束，再根據被檢測目標的回波即可進行進出隧道的車輛及交通流的識別，向采集系統發送數據以確定照明系統響應狀態，如圖1所示。其中微波車檢器安裝位置由隧道設計速度和照明系統開啟響應時間等參數確定。

2)洞外與洞內亮度采集。隧道照明控制由采集的洞外亮度確定符合隧道行車視覺適應性的洞內各區段照明需求，由采集的洞內亮度反饋亮度控制是否滿足要求，結合交通量和交通流數據進行滿足當前參數下的亮度需求控制。一方面可通過監測、保證車輛駛入隧道后對行車安全影響最大的入口段亮度與影響行車舒適度的基本段照明亮度,為隧道照明閉環控制決策提供依據； 另一方面保證動態照明節能控制的安全性。隧道洞外和洞內的亮度檢測儀采用光學成像式結構,模擬人眼的光譜響應和接收特性,連續監測視角范圍內的平均亮度。根據洞內路面亮度的變化測量出相應的亮度值,將測量值轉換為4～20 mA標準電流信號輸出到隧道控制系統,由隧道控制系統對照明設備進行智能控制，其原理如圖2所示。

圖1 微波車檢器的微波輻射區域

圖2 亮度監測與控制實現原理圖

Fig. 2 Schematic diagram of brightness monitoring and control principle

3)“與車隨行”智能控制。基于車輛動態監測的“與車隨行”照明控制系統的核心部分為隧道智能照明系統控制器。它由電源模塊、微處理器、信號采集模塊、AD轉換模塊、A/D模塊組、控制信號檢測模塊組、輸出驅動模塊、數據存儲模塊、鍵盤掃描模塊和顯示模塊、通訊模塊等組成[11]。控制系統原理如圖3所示。

圖3 “與車隨行”智能控制系統原理圖

整個控制方案是根據人眼的視覺適應性理論設計，結合隧道設計時速，以滿足安全為前提確定車檢器、洞外亮度儀和洞內亮度儀的安裝位置、數據傳輸與響應參數，避免出現行車過程中明暗變化嚴重或頻閃嚴重等現象。當微波車檢器檢測到來車時，根據洞內外亮度實時值觸發燈具調整到對應亮度，實現“車來燈亮”的功能； 在10 s內距隧道洞口l處車檢器檢測無來車時，根據間隔時間t=10+l/v>30 s(通常l取500 m；v為行車速度，由車檢器測得)原則自動降低燈具亮度至額定功率的20%(基本照明亮度不低于1.0 cd/m2)。按此控制即實現“車走燈暗”這種基于實時交通流的安全與節能照明控制方式。

1.2 技術特點

1)基于車輛動態監測的“與車隨行”照明控制節能建立在安全基礎上。根據LED無級調光的優勢將車輛動態監測和洞內外實時亮度采集技術相結合，隧道內照明不僅與洞外亮度、交通量有關，亦與實時交通流有關，車來時燈提前亮，車走時燈延緩暗，保證駕駛員的行車安全。

2)智能控制系統的調光時間間隔根據監測系統輸出數據進行調整，可避免普通調光系統調光響應滯后而導致的隧道內出現的視覺震蕩、盲視效應等不安全因素，影響駕駛員駕駛。

3)基于車輛動態監測的“與車隨行”照明控制技術在低交通量或季節、時段性低交通量下具備明顯節能優勢。可根據實際交通流控制燈具亮度，相比于分級調光更加靈活。據有關報告研究得出的結論，采用該項技術能夠較同等條件下的分級調光回路節能達70%以上。

4)該技術可使照明燈具的使用時間和功率明顯下降，進而減少燈具損耗，間接延長燈具使用壽命，降低后續運營管理費用和維護費用。據相關研究得出的結論，與非調光燈具相比，該技術的使用可增加燈具使用壽命達2倍以上。

2 基于交通流的“與車隨行”智能調光控制方案設計

2.1 控制方案

2.1.1 亮度需求確定

基于車輛動態監測的“與車隨行”照明節能控制以安全為前提，隧道內部的亮度控制根據細則進行確定。與設計階段根據預測值確定亮度不同，運營控制階段各區段控制亮度按實時洞外亮度和交通量數據計算確定。由洞外亮度檢測儀和洞內亮度檢測儀將洞外和洞內入口段及中間段的亮度信號轉換為4～20 mA標準信號傳送至調光控制柜內，由車流量檢測器將檢測到的隧道外部交通量信息通過以太網傳送至調光控制柜內。設于調光控制柜內的隧道智能照明系統控制器根據洞外亮度及交通量信息，分別計算出入口各段加強照明和基本照明調光功率基準值[12]。

2.1.2 基于交通流的“與車隨行”照明控制

隧道智能照明系統控制器將入口各段加強照明和基本照明調光功率基準值分別轉為DC0～5 V的直流模擬信號輸出，調光信號經控制總線送至設于隧道洞內外的8處車檢控制器中。車檢控制器根據8處光電車檢器檢測的有無車輛信號，控制所屬區段是采用控制總線信號(按需照明信號)，還是采用待機照明信號(最小亮度信號)。當某區段有車到來時，車檢控制器即控制所屬下一區段的控制分線，按控制總線信號調光；車輛離開后，車檢控制器延遲若干秒后，若再無車輛到來，則將調光控制分線信號由總線切換至待機狀態； 若有車輛到來，則繼續延遲。調光控制總線具有2路輸出，一路為加強照明控制總線，一路為基本照明和出口加強照明控制總線。各區段的燈具均并聯在該區段的控制分線上。控制分線上的電壓變化使燈具輸出功率和輸出光通量發生變化，從而達到控制被照場所亮度的目的。設于監控中心的上位機通過以太網光端機與現場的隧道智能照明系統控制器實現通訊。上位機利用無級調光監控管理軟件，實現相關參數的設定、指令下達、實時信號讀取和儲存[13]。

2.2 控制設計

基于車輛動態監測的“與車隨行”照明控制原則上可以實現加強照明和基本照明的節能調光控制。

白天，加強照明燈具開啟，隧道智能照明系統控制器根據洞外亮度、車流量和是否有車到來等信息，經計算后將其轉為DC0～5 V的直流模擬信號輸出(模擬控制信號的0 V對應燈具LED的最大驅動電流，5 V對應燈具LED的最小驅動電流，中間呈反向線性關系，下同)，控制照明系統中加強照明燈上的LED驅動電流，從而實現控制入口各段加強照明亮度的目的[14]。

晚上，加強照明燈具關閉，不再調光。基本照明由隧道智能照明系統控制器根據車流量和是否有車到來等信息，控制照明系統中基本照明燈上的LED驅動電流，有車來時將功率提高到所需亮度，車走時自動降低照明功率至需要的數值。圖4為基于交通流的“與車隨行”智能調光控制設計圖。

圖4 基于交通流的“與車隨行”智能調光控制設計

3 工程應用及效果測試

3.1 工程應用

根據上述設計將基于車輛動態監測的“與車隨行”照明控制用于四川省某高速公路隧道，并滿足下述技術要求：

1)集中管理功能。可實現對智能照明控制器終端設備的信息管理和監控，設備運行狀態巡檢、數據采集、實時時鐘自校正，具備RJ45網絡接口，可通過網絡接口將采集的所有信息上傳至隧道監控中心服務器。系統同時具備無線上傳功能，可通過GPRS信號上傳。系統可獨立運行，不依賴監控中心服務器，若服務器系統癱瘓，調光控制也可獨立工作，可靠性高。

2)傳感器數據采集和處理功能。具備485總線接口，根據洞外車檢器、洞外亮度儀采集數據自動進行調光，并根據洞內亮度儀檢測數據實時修正調光參數。

3)調光范圍及功能。回路調光控制，每個回路調光范圍0～100%。可按時間表設定、場景切換自動運行調光控制，也具備立即手動調光控制功能，調光范圍10%～100%可選，并可完全關閉照明回路。當車輛即將進入隧道時，提前調亮隧道燈光至需要的值，當車輛經過后若無來車系統將自動調低照明亮度至待機亮度，達到節能的效果。

4)應急方案。調光控制箱具備應急方案，緊急情況下，支持全網開燈100%一鍵操作。

根據設計車速及現場條件，將微波車檢器安裝在隧道洞口外約270 m處，安裝高度約1.5 m，負責檢測洞口來車情況，可一次性檢測2條車道。洞外亮度儀安裝在距離隧道入口約150 m處，用于檢測洞外亮度。洞內亮度儀有2個，分別安裝在隧道內30 m和270 m處，作為調光控制的亮度反饋信號。調光智能照明控制器柜安裝在隧道變電所內，由隔離電源、調光控制器主機、信號輸入輸出隔離模塊、網絡通信模塊(有線、無線)以及輸入輸出接線端子等組成。控制主機上自帶手動控制和亮度顯示功能，可通過手動控制旋鈕手動調節洞內照明亮度，調節的結果實時顯示在控制主機上。整套系統采用工業級設計，設備供電、輸入輸出信號均采用隔離設計，可靠性高。現場調光效果如圖5所示。

(a) 車來燈亮

(b) 車走燈暗

3.2 應用效果測試

為進一步得到“與車隨行”智能控制技術的應用效果并指導工程推廣應用，分別從安全性提升和亮度提升角度對應用效果進行測試。

3.2.1 安全效果測試

測試采用SMI ETGTM 眼鏡式眼動儀，測試人員佩帶眼動儀按設計車速駛入隧道，通過車檢儀和亮度檢測儀實時根據車流量和洞外亮度調節亮度，記錄車輛行駛進入隧道的注視特性參數、掃視平均速度、瞳孔直徑變化率參數，并與參照隧道(相同的照明設計，不同的控制系統)進行比較。注視參數比較結果見表1。

表1試驗隧道與對比隧道的注視參數比較

Table 1 Comparison of gaze parameters between experimental tunnel and contrast tunnel

隧道安全區域注視次數安全區域注視持續時間/s注視持續時間比例/%試驗隧道1 561340.3054.3對比隧道1 602340.4956.4

由表1可知，駕駛員行駛在使用智能調光的照明環境下時，其安全區域的注視持續時間比例為54.3%，較對比隧道的安全區域注視持續時間比例56.4%更低，且在安全區域的注視次數少于對比隧道，表明前者采用調光技術并未對駕駛員產生視覺干擾，反而由于技術的穩定性使其安全性和舒適性更高。

圖6和圖7分別示出采用“與車隨行”智能控制技術時駕駛員的掃視平均速度和瞳孔直徑變化，并與未采用該技術的隧道進行對比。

圖6 試驗隧道與對比隧道各區段的掃視平均速度比較

Fig. 6 Comparison of average scanning speed between experimental tunnels and contrast tunnels

圖7 試驗隧道與對比隧道各區段的瞳孔直徑比較

Fig. 7 Comparison of pupil diameters between experimental tunnel and contrast tunnel

由圖6和圖7可知，對于同一車型、車速，駕駛員行駛在使用智能控制的照明環境時，駕駛員掃視平均速度高于未使用智能控制照明環境的相應值，瞳孔直徑略小于未使用智能控制照明環境的相應值，意味著該技術的應用在保證性能和可靠性前提下可以緩減駕駛員的緊張情緒，以較快的掃視速度即可達到需要的環境信息，良好的照明環境使得駕駛員處于一種穩定的行車環境中。

3.2.2 照明效果測試

測試采用CX-2B亮度計，分別對采用智能控制技術的隧道和對比隧道進行亮度分布測試并比較，分別測試不同區段的亮度。圖8示出隧道入口段和中間段的亮度測試區域。

(a) 入口段

(b) 中間段

為與對比隧道亮度進行有效比較，測試中各區段照明亮度均按相同交通量和洞外亮度參數進行調光，試驗隧道再實施“車來燈亮”和“車走燈暗”的調光控制，其中車來時的調光參數(交通量和洞外亮度)與對比隧道的調光參數一致。測試結果見表2。

表2試驗隧道在調光控制時與對比隧道的亮度對比

Table 2 Comparison of brightness between experimental tunnels and contrast tunnels when dimming controlcd/m2

與對比隧道相比，采用“與車隨行”智能控制技術后，來車時隧道內不同區段的照明亮度與對比隧道亮度接近，部分略高于對比隧道。車走時無車狀態下降低照明亮度，系統按滿功率的20%或待機狀態工作。測試結果表明，車來時控制系統提前開啟亮度，不僅滿足照明設計所需亮度，且略高于對比隧道亮度； 車離開隧道一段時間且未有來車時，系統自動降低功率，起到降低能耗及延長燈具壽命的作用。

3.3 節能性評價

對上述測試結果進行分析，由于實際工程隧道所在路段交通量較低，且具有季節性低交通量的特點，采用“與車隨行”的智能控制技術后，車來時燈亮達到設計要求，并且穩定可靠的控制設計可緩解駕駛員的緊張情緒，實測結果滿足駕駛員行車視覺安全需求； 車走時燈暗，起到降低照明能耗的作用。通過統計該隧道運營5個月的照明電量與對比隧道對應月份的電量比較，得到該技術應用的節能效果。試驗隧道和對比隧道照明屬于同座隧道的左右洞，長度和LED照明設計基本一致。根據2018年9月至2019年1月對2條隧道的用電量進行統計(見表3)，試驗隧道用電量比對比隧道降低72%，節能和降低費用效果相當顯著。

表3 試驗隧道與對比隧道的用電量對比

4 結論與討論

4.1 結論

本文根據隧道行車的視覺適應性特點，提出在洞外亮度和交通量的基礎上，結合基于車輛動態監測的交通流實時監測技術，實現“車來燈亮、車走燈暗”的 “與車隨行”隧道照明智能控制技術，通過原理分析、方案設計制定實際工程實施方案，并將方案應用于實際隧道，通過測試和分析得出如下結論：

1)該技術適用于低交通量或季節性、時段性低交通量的路段。

2)該技術的實施在車來燈亮時照明質量滿足規范要求，可靠性好，有助于司乘人員緩解行車緊張情緒，保證行車安全。

3)采用與交通流實時相關的智能控制技術，可以實現在保證安全前提下的隧道照明節能，根據實測數據，與同類技術相比，可實現節能達72%。

4)為保證安全，本文結合安全視距和人眼視覺反應時間提出可保證安全的“車走燈暗”間隔時間要求，根據現場應用效果和實測，該間隔時間不會給后續來車造成任何不適反應。

5)由于該技術的應用對系統可靠性要求高，為保證隧道行車安全性，可以在隧道內增加輔助照明誘導標志，以防照明控制系統失靈，進而保證行車安全性。

4.2 討論

作為一種實時性要求很強的智能動態控制技術，對保證隧道照明安全可靠性要求極高，該技術尚存在以下問題仍需進一步解決：

1)由于該技術在運行狀態過程中具備隨洞外亮度和實時交通流持續動態調節燈具功率的功能，系統可靠性直接決定著其壽命周期內照明控制系統的有效性及隧道照明的安全性，在后續工作中仍需進一步對系統的可靠性進行跟蹤，并及時解決與可靠性的相關問題，以保證隧道通行安全。

2)根據目前設備技術條件以及隧道安全性要求，該技術在目前實施時根據間隔時間大于30 s未檢測到來車時,將無車通行的照明燈具亮度調至額定功率的20%(基本照明亮度不低于1.0 cd/m2)，從節能角度其亮度水平和間隔時間可否進一步降低和縮短，仍可通過大量的研究進行論證，后續可在這些方面開展進一步研究。

總體而言，該技術作為一種實時性更強的以安全為前提的智能控制技術，可進一步提高低交通量公路隧道的照明節能水平，是對現有公路隧道照明節能技術的進一步提升。結合實時交通流的動態按需照明技術的研究和發展將促進我國公路交通綠色低碳水平的進一步提高。