隧道照明調光系統設計與應用

安仁軍

上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235

0 引言

近年來，隨著人們交通出行需求的逐漸增加以及國家對基礎設施建設投資的不斷加大，我國的隧道建設的規模不斷擴大。同時，已建成運營隧道的能耗問題在節能減排的大背景下日益突出，隧道照明電費及燈具的維護費用作為隧道運營中的最大開支，已成為隧道運營管理單位的沉重負擔[1]。隨著LED隧道燈的大量應用，隧道照明調光系統成為建設節能型、智慧型隧道的一種重要手段。

1 隧道照明分類

隧道照明主要由洞口減光設施、入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明、應急照明及洞外引道照明組成[2]，具體如圖1所示。

圖1 隧道照明區段劃分

洞口減光設施：為減少洞口天空面積百分比而設置的人工減光構筑物，一般形式為減光格柵、遮陽棚、遮光板等。

入口段照明：為使駕駛員白天由高亮度環境駛入隧道能更快地適應隧道內的低亮度環境而設置的人工照明區段。

過渡段照明：由于入口段亮度與中間段亮度有較大的差異，確保駕駛員能更舒適地適應中間段亮度，在中間段與入口段之間設置過渡段照明。

中間段照明：沿隧道通長設置，為駕駛員提供行車所需基本照明條件而設置的照明區段。

出口段照明：與入口段相反，駕駛員需要適應從洞內低亮度向洞外高亮度過渡，從而設置出口段照明。

應急照明：因正常照明電源失效而啟用的照明，供人員疏散、保障安全的照明。

洞外引道照明：設置在隧道敞開段以保障車輛夜間駛入、駛出隧道的照明段。

2 隧道照明調光

根據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）（以下簡稱《細則》）規定，在隧道運營過程中加強照明和基本照明均需進行調光控制。其中，為了使駕駛員更快適應白天駛入、駛出隧道時洞內外不同亮度環境而設置的加強照明，需根據洞外亮度來調整洞內加強照明燈具的光輸出，使駕駛員安全、快速地適應洞內比較暗的光環境，還可根據車流量、運營時間、運營管理方案等來調整中間段照明燈具光輸出。

傳統的隧道照明調光控制主要通過開斷一次供電回路來調整路面亮度。這種調光方式為了達到較好的調光效果，需將單側隧道照明燈具分為2～3個供電回路。在工程建設期需要增加電力電纜及相關一、二次開關設備的投入，而且會在路面產生明暗相間的條紋（斑馬效應），影響駕駛員視覺舒適度，從而危及行車安全。在后期運營中這種調光系統模式固定、可操作性差、維護困難，已逐漸被淘汰[3]。

LED隧道燈以其長壽命、高光效、方向性好、易于調光等優點，已經在隧道照明中得到廣泛應用，基于LED隧道燈的隧道照明調光系統也隨之被廣泛使用。LED隧道照明調光系統按照控制模式可分單燈控制和回路控制；按照控制信號傳輸方式可分為有線控制和無線控制；按照燈具調光實現方式可分為數字調光和模擬調光[4]。各種隧道照明調光系統對比如表1所示。

表1 LED隧道照明調光系統對比

3 工程應用實例

已建成通車的?？谖拿鳀|隧道、蘇州春申湖西路隧道以及在建的杭州江南大道隧道均采用基于RS485總線的隧道照明調光系統，調光系統整體架構如圖2所示。

圖2 隧道照明調光系統架構圖

基于RS485總線的隧道照明調光系統主要由監控中心服務器、數據傳輸通道、隧道照明調光控制器、LED隧道照明燈具組成，其中LED隧道照明燈具由單燈控制器、驅動電源、光源及燈具外殼組成。以?？谖拿鳀|隧道為例，在隧道監控中心設置隧道照明調光系統工作站及服務器，在隧道東、西變電所內設置照明控制柜，控制柜內設置若干調光控制器，通過RS485調光總線對供電范圍內的照明燈具進行調光控制，調光控制器與監控中心服務器通過光纖環網通信。

調光控制系統可根據運營需求、車流量、洞內外亮度值、時間等因素對基本照明和加強照明進行無極調光控制，也可根據運營需求、時間等其他預設模式對加強照明、引道照明、遮光棚照明、景觀照明等一次回路進行開關控制。此外，調光控制系統可自動巡檢每盞燈具的工作狀態和故障狀態，具有記憶功能和故障信息保存功能，可將每一盞LED隧道燈的狀態信息上傳至隧道監控中心，為隧道運營養護及決策分析提供參考數據。

通過分析以上幾條隧道照明調光系統的設計與應用可知，基于RS485總線的LED隧道照明調光系統主要有以下優點：

（1）構成簡單，便于操作和維護；

（2）能夠以手動、自動、遙控等多種方式執行命令，可根據時間、亮度設定的多種模式進行調試和控制，時間控制和亮度控制的參數配置可由管理員重新設定；

（3）可對每盞燈具的工作狀態和故障狀態進行巡檢，具有記憶功能和故障信息保存功能，當出現斷電恢復時，燈具能自動恢復斷電前的狀態；

（4）可靠性高，任意一盞燈具損壞不影響同一回路上其他燈具的調光，也不影響其他路RS485總線信號輸出；

（5）RS485總線信號驅動能力強，帶載能力好，通信距離可達1 000 m以上，并且支持擴展[5]；

（6）通用的RS485通信接口，采用Modbus通信協議，具有較強的抗干擾性和兼容性，可與隧道綜合監控系統深度整合。

4 節能效果分析

?？谖拿鳀|越江通道項目全長4 380 m，其中隧道段長2 720 m，共設2對匝道。隧道按城市主干路標準建設，主線隧道設計時速為60 km/h，隧道照明總負荷容量為295.3 kW，其中，加強照明為45.1 kW，基本照明為70.2 kW，其余照明負荷為180 kW（含景觀照明、設備房照明等）。由于景觀照明、設備房照明均不參與調光控制，故在此不作分析比較。結合通車前現場實測數據，隧道照明亮（照）度實測值與規范值對比如表2所示。

表2 隧道照明亮（照）度實測值與規范值對比表

根據《細則》規定，在隧道照明設計階段養護系數取0.65，由于在隧道開通初期燈具表面相對潔凈，LED隧道燈尚未進入光衰期，由表2可知，運營初期路面亮度遠高于規范要求值。通過隧道照明調光系統配合各照明區段的亮度儀，將各照明區段的實際亮度值調至略高于規范要求值水平，在運營初期通過隧道照明調光系統可減少電費支出約310 000元/年，再配合洞內外亮度儀、車流量數據對加強照明和基本照明進行無極調光控制，實現按需照明，節能效果將更加顯著。

5 結束語

采用隧道照明調光系統可有效降低隧道照明運營能耗，基于RS485總線的LED隧道照明調光系統功能豐富，具有較好的穩定性及兼容性，在單燈控制方面相比其他幾種調光方案具有一定的優勢。在全力建設智慧城市、智慧交通的背景下，隧道照明設備的物聯感知，網絡通信，數據融合、處理，服務和應用方面仍有很大的進步空間，相關人員需要從如何獲取數據向如何用好數據轉變，探索建設節能型、集運營養護于一體的智慧隧道照明系統。