高速公路隧道照明節能技術的研究

楊帥

（福建省高速公路集團有限公司莆田管理分公司，福建莆田 351100）

0 引言

當駕駛員進入隧道時，突然由陽光下的高亮度環境轉換到隧道內部的低亮度環境，會產生所謂的“黑洞效應”，使得駕駛員的視線出現模糊暗淡的情況，很難看清道路情況。同樣的，當駕駛員從隧道內部出來，突然進入高亮度環境時，會產生所謂的“白洞效應”，使得駕駛員的視線會出現明亮刺眼的情況。此類效應會影響駕駛員的反應時間和視線準確度，進而增加駕駛過程中發生交通事故的風險。

為了解決這個問題，需要采取一系列措施來減少隧道內外亮度差異。例如，在隧道的出入口處安裝燈光設備，使隧道外部和內部的光線逐漸過渡，減少光線的突變，從而讓駕駛員的眼睛逐漸適應新的光線環境。此外，隧道內部也可以設置適當的照明設施，以增強駕駛員在隧道內部的視覺能力。還可以使用特殊的涂料或材料來反射光線，以增強隧道內部的亮度。這些措施可以幫助駕駛員更好地適應隧道內外不同的光線環境，從而減少交通事故的發生率。

1 高速公路隧道照明現狀

目前，高速公路隧道的照明設施已經得到很大改善。隧道內部通常采用的是高強度氙燈或LED 燈等照明設備，以確保隧道內部有足夠亮度，讓駕駛員可以清晰地看到前方道路和交通標志。隧道內部照明的亮度和顏色也要經過嚴格的規劃和設計，以確保駕駛員的視覺能力不會受到影響。一般而言，隧道內部的照明強度應該比隧道外部的照明強度略高一些，這樣可以減少駕駛員從隧道內部出來時產生的“白洞效應”。

另外，為了進一步提高隧道內部的亮度，一些高速公路隧道還安裝了光纖照明設備。這種設備能夠將光線通過光纖傳輸到各個角落，使隧道內部的亮度更加均勻和明亮。同時，光纖照明設備也能夠增強隧道內部的裝飾效果，為駕駛員提供更好的視覺享受。

此外，一些新型的高速公路隧道還采用可變照明技術。這種技術可以根據環境光線的變化自動調整隧道內部的照明強度和顏色，以確保駕駛員的視覺能力不會受到影響。可變照明技術還可以根據車流量和天氣情況等因素，自動調整照明設備的亮度和顏色，以提高駕駛員的行車安全性[1]。

總體而言，隨著科技的不斷發展，高速公路隧道的照明設備越來越先進和智能化，為駕駛員提供更好的行車環境和視覺保障。

2 高速公路隧道照明節能系統概述

本文以莆炎高速莆田段岐山隧道A 道照明系統完善項目為案例，研究分析高速公路隧道照明節能系統的應用。岐山隧道位于福建省莆田市境內，A 道全長8039m，照明設計速度為100km/h。隧道按雙洞單向行車方式布設燈具，以電光照明實現隧道內外的光過渡。工程項目中原隧道照明采用高壓鈉燈，此次改造全部替換為可調光的LED 燈，原燈位替換。具體節能系統組成如下所示。

2.1 毫米波雷達控制器及物聯LED 燈具分段控制器

岐山隧道A 道洞口入口情報板門架處安裝2 臺毫米波雷達控制器，通過抱箍固定分別朝向兩個車道中間位置，與毫米波雷達控制器的水平距離保持在10m，可在車輛未進洞口時檢測到車輛，實現提前亮燈（洞口安裝距離100m 為最佳距離，如隧道無門架或原有門架不符合安裝距離要求的可新增立柱安裝）。隧道內每間隔35m 交替布設1 臺毫米波雷達控制器或1 臺物聯LED 燈具分段控制器。

設備接線安裝步驟如下。

一是固定支架：設備的支架固定在燈具來車方向的側邊，支架底部水平擺放，此時設備的出線孔位應在隧道頂部方向，若設備的支架固定孔位與燈具支架的孔位對齊，則將燈具孔位的螺絲旋下，將設備的支架孔位與之對齊并鎖緊螺絲，若未對準，則利用扎帶或轉孔的方式將設備按照以上方向固定在燈具上。切記支架底部應水平，與燈具貼合而不是垂直。

二是連接信號線：將設備兩芯信號線（OUTPUT，棕正藍負）和燈具兩芯信號線正負極對應連接，并用電工膠布包裹連接處（核對燈具上的標志符號，與設備正負對應）。

三是接入互感器（若有）：將燈具電源線的火線穿入互感器中。

四是連接電源線：設備和燈具電源均為220V，將設備和燈具的電源線一同接入應急照明燈電源回路中。

五是調整設備方向：毫米波雷達控制器和物聯LED 燈具分段控制器在水平和垂直方向上角度可調，先擰松兩個方向上的固定螺釘，將毫米波雷達控制器朝向調至隧道中線位置，距離毫米波雷達控制器水平距離約26m 處（可用激光筆貼在毫米波雷達控制器外殼中部，根據手電筒光線方向輔助調整），調好角度后，擰緊固定兩個方位的螺釘。物聯LED 燈具分段控制器無須像毫米波雷達控制器一樣嚴格規定方向，只須調整到不遮擋燈光的位置即可。

六是記錄設備原始編號：將設備標簽上的編號用記號筆記錄在設備安裝位置的墻面，離地面高度約1.5m 處。

2.2 網聯邊緣照明控制主機

網聯邊緣照明控制主機安裝于岐山隧道A 道入口機房內，應選擇與機房內的攝像機交換機較近、有光照度信號線接口（預留）且4G 信號較強的位置，將網聯邊緣照明控制主機固定在墻上，高度以易于人員操作為宜[2]。

設備接線安裝步驟如下。

一是固定網聯邊緣照明控制主機：選好安裝位置后，將邊緣計算網關用膨脹螺釘固定在墻上。

二是天線安裝：將4G 天線、LoRa 天線從外殼上的天線孔位處穿至內部，并將天線接頭接到電路板對應天線的接口處。

三是連接外部傳感器：連接光照度的RS485、電表的RS485 線至電路板上的RS485 接口上，電路板上只有一個RS485 接口，所有采用RS485 通信的傳感器都接到此處。

四是連接電源線：邊緣計算網關采用220V 供電，將三芯電源線接至外部供電處。

五是整理所有線路，使線路整齊，沒有安全隱患。

2.3 洞口車流量車速檢測設備（道釘）

在距離隧道入口大于80m 處，根據車道數布設兩車道數個道釘，每個車道2 個道釘，間隔15m，兩車道的道釘錯位安裝，不要處于同一截面。在道釘附近的路邊，將車流量車速檢測設備網關固定在最近的桿上（100m 以內，若桿的距離超過100m，則需在道釘附近護欄外自行立桿），高度不低于3m。

洞口車流量車速檢測設備（道釘）安裝如下。

一是選取車道中間位置安裝洞口車流量車速檢測設備（道釘），單車道安裝2 個道釘，2 個道釘之間間隔15m 安裝。

二是路面開孔：使用φ150mm 的水鉆取芯機在路面打一個70mm 深的孔（道釘高度65mm）。

三是放置道釘：將孔的底部和側面填充約180mL的環氧樹脂，以道釘放入后剛好填滿為宜，將道釘放入孔內，輕輕按壓道釘的上表面使道釘的4 個定位支角剛好與路面接觸。道釘上透明蓋板有一處平口防呆缺口，防呆缺口統一朝向行車方向右方。

四是修復路面：將道釘上溢出的環氧樹脂沖洗干凈，道釘上的透明蓋板表面也要清洗干凈。

車流量車速檢測設備網關接線安裝如下。

一是固定：將網關用抱箍固定于桿上，高度不低于3m（推薦高度3m）。

二是連接電源線：有源網關采用220V 供電；無源網關利用太陽能板供電（需安裝太陽能板）。220V 分別接在有源網關的L（棕線）—N（藍線）—E（黃線）對應接線上；無源網關的太陽能板接網關的電源線，紅線接紅線，黑線接黑線。

三是太陽能板安裝角度為42°正南方。

3 高速公路隧道照明節能方案設計

3.1 照明設計參數優化方案

隧道內照明亮度的分布通常會按照入口段、過渡段、中間段和出口段進行梯形變化，這意味著從隧道入口開始，照明亮度會逐漸增加，達到最高點，然后在過渡段開始逐漸減少，最終在隧道出口處達到最低點。這種亮度變化設計是為了確保隧道內的照明充足且合理，同時也能夠減少照明所需的能量和成本。然而，這種亮度變化也會對駕駛員產生影響，因為在駕駛過程中，他們需要不斷適應光線變化，這可能造成一定的視覺疲勞和不適，進而影響駕駛舒適度和安全性。因此，在設計隧道照明時，需要綜合考慮照明充足性、能耗和駕駛員的視覺舒適度等多種因素，以確保隧道照明的安全和效果[3]。

3.2 隧道照明智能控制方案設計

隧道照明是保障道路交通安全的重要環節之一。傳統的隧道照明控制策略往往是固定的亮度曲線，難以適應不同時間、天氣、交通流量等變化情況。因此，動態自適應調光是提高隧道照明控制精度的重要手段。

近年來，深度學習技術的快速發展為隧道照明的控制提供了新的思路。其中，長短時記憶網絡（LSTM）是一種常用的深度學習模型，適用于時間序列數據的建模和預測。通過對隧道內傳感器采集的數據進行處理，可以建立基于LSTM 的模型，實現對隧道照明的動態自適應調光。具體而言，模型訓練的過程可以分為三個步驟。首先，根據歷史數據建立LSTM模型，并通過回歸算法優化模型參數。其次，將優化后的模型應用于實際隧道照明系統中，并通過實時采集的數據進行反饋和修正。最后，根據修正后的模型參數，更新隧道照明的亮度曲線，實現動態自適應調光。除了LSTM 模型，模糊控制也是常用的隧道照明控制策略。在深度學習和模糊控制相結合的方法中，可以將LSTM 模型預測的亮度值輸入模糊控制系統，實現更加精準的調光控制。深度學習技術的應用可以有效提高隧道照明的控制精度。通過建立模型、進行訓練和回歸，實現動態自適應調光，可以更好地適應隧道內外部環境的變化，提高道路交通安全性[4]。

如圖1 所示，隧道照明智能控制系統是一個復雜的系統，它包括多個關鍵組成部分，如采集裝置、檢測裝置、主控制器和LED 無級調光控制器等。其中，采集裝置主要包括設置在隧道口的亮度檢測儀和車輛檢測儀，用以采集隧道外的亮度信息、車速和車流量等數據，并將其實時上傳至主控制器。檢測裝置則用來檢測是否有車輛進入隧道接近段，以便主控制器能夠及時進行照明調光處理。主控制器則是系統的中樞，它接收來自采集裝置和檢測裝置的數據，并根據一定的控制策略下發隧道照明調光指令。LED 無級調光控制器則負責控制各個LED 燈的亮度，以實現隧道照明的實時調光控制。

圖1 隧道照明智能控制系統總體結構圖

整個控制過程是一個復雜的系統協同作用的過程。當檢測傳感器感應到有車輛進入隧道口時，主控制器會發出采集命令，控制采集裝置實時采集洞外亮度、車速及車流量等信息，并將這些數據作為控制輸入參數進行調光處理。接著，主控制器按照一定的控制策略輸出隧道照明調光指令，下發到LED 無極調光控制器上，控制各個照明裝置的亮度。通過這種方式，隧道照明系統能夠實現對隧道內照明亮度的精確控制，從而提高隧道行車的安全性和舒適度[5]。

總體而言，隧道照明智能控制系統是一個高度智能化、復雜的控制系統，它不僅能夠實現對照明亮度的精確控制，還可以根據隧道外部環境和車流量等數據進行智能化調節，從而提高隧道的安全性和使用體驗。

4 結語

綜上所述，為了保證駕駛員在隧道內駕駛過程的舒適性和道路交通的安全性，隧道照明系統需要滿足多種需求，包括能耗控制、照度均勻性、色溫調節等。其中，照明供電系統和照明控制系統是實現這些目標的重要組成部分。照明供電系統需要保證隧道內的照明設備正常供電。傳統的供電系統往往采用交流電源，但是能效低、維護成本高、安全性差等問題限制了其進一步應用。近年來，隨著LED 照明技術的發展，直流供電系統成為一種備受關注的解決方案。與傳統的交流供電系統相比，直流供電系統能耗更低、穩定性更好、壽命更長，同時還能夠實現智能化控制，為隧道照明提供更加可靠的支撐。照明控制系統需要根據隧道內外部環境的變化，實現動態調光，以保證照度的均勻性，實現節能目標。傳統的照明控制策略往往采用固定的亮度曲線，無法適應隧道內外光照、天氣、交通流量等因素的變化，從而導致能源的浪費和駕駛員的不適感。因此，動態自適應調光成為提高控制精度和駕駛舒適度的重要手段。常見的調光方法包括動態亮度曲線、照度反饋、環境感知等技術。通過智能控制系統的建立和優化，可以實現更加精準的照明控制，提高能源的利用效率和駕駛員的舒適感；引入先進的照明技術、優化照明控制策略和建立智能控制系統，可以實現隧道照明的高效、智能化和可持續發展。