智能化背景下智慧高速公路隧道節能照明系統設計研究

摘要 該文主要研究了智能化背景下智慧高速公路隧道節能照明系統的設計與實施，以應對日益增長的節能與環保需求。研究內容致力于開發一套高效的照明控制系統，包括無級調光自動控制、自定義半自動分級控制以及針對特殊工況的照明控制策略。通過實現智能調光、緊急功能控制以及對特殊工況的靈活響應，提升了能源利用率，保證了隧道安全。研究結果表明：該智能照明系統能顯著降低能耗，同時保證隧道內的照明質量和安全標準。研究成果展現了智能技術在現代交通基礎設施中的應用潛力，可為未來高速公路隧道照明系統的設計與優化提供有力的理論和實踐支持。

關鍵詞 智能化；高速公路隧道；節能照明；系統設計

中圖分類號 U453 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0136-03

0 引言

隨著全球對能源效率和環保要求的提升，高速公路隧道照明系統的節能化已成為一個重要的研究領域[1]。傳統的隧道照明方式面臨著能源浪費和安全性問題，迫切需要通過現代智能化技術進行改進。該研究旨在探討智能化背景下，如何通過智慧高速公路隧道節能照明系統的設計來提升能效和安全性，并針對不同的交通和環境條件進行照明調整，以實現最優的能源使用和提高駕駛安全性。

1 設計背景

在智能化背景下，高速公路隧道節能照明系統的設計，可提高隧道照明效果與節能效果。傳統的隧道照明系統面臨安全性與節能性的矛盾，而現代隧道照明控制系統的出現便是為了解決該問題[2]。該系統能根據外部環境及交通流量自動調整LED燈的功率，實現靈活調光，既滿足照明需求也顯著降低能耗。貴州省結合《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）中對照明智能控制的描述智能控制方式是在自動控制的基礎上，于2020年6月，正式啟動了“高速公路隧道照明節能控制系統、碳匯核算模型及低碳評價指標體系研究（項目編號：2021-122-022）”，展示了智能控制系統的成效，該系統在納晴高速公路的應用中顯著提高了照明效率并降低了運維成本。該研究以實現高速公路隧道節能照明為目標，旨在優化隧道內的光環境，提升行車安全與舒適性。研究成果為綠色低碳發展指明了方向，集成了智能技術與節能控制的系統模式，展示了未來高速公路隧道照明設計的發展趨勢[3]。

2 智能化背景下智慧高速公路隧道節能照明系統構成

智慧高速公路隧道節能照明系統由多種先進設備組成，其核心為智能照明控制器，配備亮度檢測儀、車輛檢測器、可控LED隧道燈、通信系統及上位機監控管理軟件等。該系統通過洞內外的亮度和車輛數據，實現照明的動態調控。在隧道長度超于1 km單座隧道及隧道群，系統中增設了伴隨式智能調光控制系統，通過洞外的主控雷達與洞內分段雷達檢測車輛，以“車來燈亮，車走燈暗”的模式調整照明，優化能源使用并減少排放。

隧道照明節能控制系統分為四級架構，包括平臺管理層、本地管理層、通信傳輸層和設備終端層。如圖1所示，平臺管理層主要功能為通過軟件平臺遠程控制隧道照明，同時進行設備管理、參數設置，收集并展示隧道照明與能耗數據。本地管理層位于變電所，負責隧道照明的直接控制與設備維護。通信傳輸層則確保數據在本地管理層與設備終端之間的穩定傳輸。設備終端層包括亮度檢測器、車輛檢測器及分段調光控制箱，實時監測交通和環境亮度，根據實際需求調整照明。智能照明控制器設于隧道變電站內的中控室，與LED亮度智能無級控制裝置通過以太網通信。上位機使用無級調光監控管理軟件，進行參數設定與命令下發，保障隧道照明系統的精確與響應速度。此外，該控制器還能采集隧道內的事件檢測與火災報警狀態，確保在各種通行狀態下的預警照明需求得到滿足。在通信訊號中斷的情況下，控制器可依據內置軟件自行調光，保證隧道內的照明連續性與安全性。

3 智能化背景下智慧高速公路隧道節能照明系統調光控制設計

3.1 無級調光自動控制

智慧高速公路隧道節能照明系統設計中，對無級調光自動控制系統進行具體設計，該系統利用高精度傳感器與先進的控制算法，確保隧道內的照明既滿足安全標準也極大程度地節約能源。通過在隧道入口和內部安裝亮度檢測儀和車流檢測儀，實時采集洞內外的亮度和車流量信息。以上數據通過420mA或RS485信號傳送至照明控制主機，主控制器根據數據信息計算出各個照明段所需的調光功率，并將其轉換為DC05V或DC0～10V的直流模擬信號，精確控制隧道內加強照明和基本照明燈具的輸出功率。

系統的核心在于智能照明控制器，該控制器依托于國家交通運輸部的調光控制標準算法，能夠自適應地動態調整LED照明燈具的輸出功率和路面亮度，以適應不斷變化的環境和交通條件。此外，當照明燈具光衰或實測亮度結果低于標準要求時，控制器會自動增加基本照明的亮度，確保隧道內照明符合安全規范。同時，隧道智能照明系統控制器通過以太網與監控中心的上位機通信，使得遠程監控和管理成為可能。上位機使用無級調光監控管理軟件進行參數設置、指令下達、實時信號讀取和數據存儲，有效提高隧道管理效率和響應速度。該控制系統通過精確的數據反饋和算法運算，自動調節照明系統的運行，實現節能目標，同時減少了因頻繁調整照明造成的車流干擾和燈具壽命縮短問題，確保了隧道照明的連續性和可靠性。

3.2 自定義半自動分級控制

3.2.1 照明控制

自定義半自動分級控制關鍵在于精確調整隧道入口段和過渡段的加強照明，根據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014），加強照明的控制取決于洞外亮度、車流量、季節時段以及設計冗余。洞外亮度和車流量是主要考量因素，洞外亮度較高時，隧道內的照明功率及亮度相應增強，以確保從明亮的外部環境進入較暗的隧道時駕駛員的視覺舒適性和安全性；相反，較低的外部亮度則減少內部照明強度。此外，車流量增加時，為應對更頻繁的車輛進出，照明功率也相應提高。

系統允許操作者根據需要設置加強照明的開啟及關閉時間，增加了系統的靈活性和應用范圍。在傳感器失效或維護時，系統可轉為時間控制模式，依據夏季晴天的洞外亮度變化曲線自動調整照明強度，確保隧道照明的連續性和適宜性。調光參數是通過專業軟件按《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）自動計算得到，保障了照明系統的科學性和標準化，同時夜間系統能自動降低照明功率，以滿足最低的照明需求，進一步實現節能目標，表1為白晝加強照明調光的參考值，該研究照明控制設計靈活且智能，為隧道照明系統提供了高效、安全且經濟的解決方案。

3.2.2 出口段加強照明亮度控制

在高速公路隧道出口段，在照明系統設計時加強了照明亮度控制能力，確保車輛在離開隧道時視覺適應性和安全性。該控制策略根據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）設定，將出口段加強照明與基本照明放在同一控制邏輯中處理，通過一個控制回路來實現。照明系統依賴于實時的車流量數據和預設的時間參數，以及通過軟件自動計算的調光參數，來調整出口段的照明強度。下表為基本照明調光的參考值。

系統允許操作者自定義基本照明的開啟和關閉時間，同時可以設置不同的照明功率，以適應夜晚及白天不同的照明需求，該調控方式可根據車流量自動調節照明強度，也允許根據時間變化進行手動設置，確保隧道出口段在不同時間和不同交通狀況下都能提供適宜的照明環境。此外，半自動分級控制模式結合了自動計算與用戶自定義設置，提升了系統的適應性和節能效果。隧道照明系統通過出口段加強照明亮度控制方法，確保從隧道內至外部環境的過渡不僅安全而且平滑，從而有效減少因照明不當引起的交通事故，同時達到節能減排的目標。

3.2.3 伴隨式分段自動調光控制

在智能無級調光控制系統中，伴隨式分段自動調光控制作為具體的調光控制系統，主要是為了實現在車流量較小的路段中，照明系統達到節能效果。該系統通過實時檢測和跟蹤隧道內車輛，動態控制LED隧道燈的開關和亮度，實現“車來燈亮、車走燈暗、燈隨車走”的節能照明效果。伴隨式分段自動調光控制方式可以顯著減少LED隧道燈在無車輛或車流量小的狀態下的能耗，支持運行管理單位根據實際通行情況選擇是否啟動該系統。系統的設計依據《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2-01—2014）以及最新的《公路隧道LED照明調光系統設計標準》（T/CECS G：D85-11—2022），考慮隧道內外實時亮度與車流情況，自動調整照明強度。當雷達探測到車輛即將進入隧道時，控制服務主機激活自動調節控制算法。此算法基于實時的車輛通行數據和照明亮度信息，生成必要的亮度控制及調節信號。從隧道入口至出口，照明系統依次在車輛前后一定距離內調整照明強度，形成一條光亮的路徑伴隨車輛前行，避免照明系統無效運行，從而有效節約能源。該系統配置不僅提高了隧道的能效，也確保了通過隧道時的駕駛安全。

3.3 控制功能設計

3.3.1 緊急功能控制

當隧道內發生如火災或車禍等緊急情況時，系統可以迅速反應，通過多種激活方式調節照明。緊急功能可通過監控中心或隧道管理站的軟件平臺、照明控制柜的觸控屏、隧道內的觸發按鈕以及火災報警系統的觸發條件來激活。一旦觸發，控制系統將隧道照明LED燈調至應急模式，通常是調光至設定的100%最大功率輸出狀態。以上設計確保在視覺上最大限度地支持緊急響應和撤離需求，提高隧道內的安全性，保障人員的迅速疏散和緊急情況下的有效處理。

3.3.2 特殊工況照明控制

充分考慮特殊工況下的照明控制需求，系統中設置了多種照明模式以應對不同情形：首先，在隧道養護維修作業期間，為確保作業人員的安全和工作效率，作業地點前后的照明燈具需開啟至最大程度[4]。其次，當隧道內發生交通事故、火災或進行交通管制時，所有照明燈具也應開啟至最大亮度，以提高駕駛者的可見度和事故處理的安全性。此外，遇到惡劣天氣或其他緊急情況時，系統將同樣提升照明至最大輸出，確保隧道內部環境的安全與清晰可見。在國家法定節假日期間，系統亦會根據白晝和夜間的不同需求調整照明亮度，白晝時所有燈具開啟至最大程度，夜間則同時激活基本與應急照明，確保節日期間隧道的行車安全。各項控制策略均按現行相關規范執行，旨在通過靈活的照明控制滿足不同特殊工況下的需求，同時確保節能效果的最大化。

3.3.3 系統故障控制

在智能化背景下設計的高速公路隧道節能照明系統中，特殊工況照明控制策略確保在系統故障情況下的安全性與可靠性[5]。當智能無極調光控制系統出現故障時，系統設計要求加強照明和基本照明燈具自動達到100%輸出功率，以維持隧道內的光環境和確保行車安全。此外，操作人員可以通過軟件界面手動操作，開啟或關閉各照明回路。系統同時確保在發生斷路或其他故障時，所有加強照明和基本照明回路自動全開，并在此狀態下運行。應急預案中包括對燈具調光控制線的自主實時檢測功能，一旦檢測到斷路或其他故障，燈具將自動轉入最高亮度模式。此外，系統設計包含異常立即上報的機制，確保運維團隊能夠迅速響應并處理任何異常情況。自動化的故障響應和控制功能的實施，不僅提高了隧道的運行效率，還顯著增強了使用過程中的安全性，確保在任何特殊情況下均能保持良好的照明條件。

4 結束語

該研究深入探討了智能化背景下智慧高速公路隧道節能照明系統的設計，成功整合了無級調光自動控制、自定義半自動分級控制及特殊工況照明控制等關鍵技術。通過智能控制系統，實現了對隧道照明的精準管理，有效應對了緊急情況和特殊工況下的照明需求，確保了隧道內的安全與舒適性。研究成果展示了在節能和環保要求日益增加的當下，通過智能化技術優化隧道照明系統的可能性和實效性。該系統的應用可望推廣至更廣泛的交通基礎設施中，為智慧交通的發展提供堅實的技術支持和創新思路，同時也為環境保護貢獻力量。此項研究不僅提升了隧道照明的能效和安全性，也標志著高速公路隧道照明系統向更智能、高效、節能方向邁出重要一步。

參考文獻

[1]許偉鋒，黃培庭.高速公路隧道照明節能與智能控制系統[J].中國交通信息化，2023（1）：139-141.

[2]楊帥.高速公路隧道照明節能技術的研究[J].運輸經理世界，2023（23）：112-114.

[3]歐陽立均.高速公路隧道照明節能設計實踐[J].光源與照明，2023（3）：39-41.

[4]朱民強.高速公路隧道照明節能控制研究[J].光源與照明，2023（6）：21-23.

[5]員偉.公路隧道照明節能控制系統設計與應用[J].交通世界，2023（19）：121-123.