基于光纖引光照明的低功耗隧道調光系統研究

針對高速隧道白天出入口段視覺適應性安全需求與照明高能耗的矛盾問題，文章闡述了隧道調光系統的發展歷程，基于太陽光的清潔安全和隧道洞口內外亮度變化的自適應性原則對單燈珠隧道光纖引光照明系統展開搭建和測試分析研究，試驗得出：當洞外的照度為84 367.66 lx、色溫為5 100時，洞內的引光單燈珠亮度可達到6 866 261.50 lx，而洞內常規的LED單燈照度為1 180 999.00 lx，這表明隧道單光纖照明燈珠相當于6個常規LED燈珠的照明效果。基于此，研究創新性地提出了采用超低功耗隧道光纖引光照明系統來補充現有調光系統的照明新方案，以下田隧道工程模型為依托，通過Dialux軟件模擬多元照明調光布設系統，得到隧道壁兩側安裝各10個引光燈可滿足隧道入口段行車照明需求，有效解決了隧道調光照明高能耗的難題。

光纖引光；隧道調光；超低能耗

U453.7A270914

基金項目：

中央引導地方科技發展專項“廣西智慧道路機電系統新技術綜合平臺建設”（編號：桂科ZY20111015）

作者簡介：

白" 謀（1994—），碩士，工程師，研究方向：面向智能交通應用的集成光電子傳感器件。

0" 引言

隨著交通基礎設施建設的縱深發展和經濟增長的需要，曾經較為偏遠的山區成為高速公路建設新的主戰場。而隧道作為山區高速公路的一個重要組成部分，隧道所占比例非常高，其運營費用也正處于不斷攀升的狀態［1］。根據現行隧道照明設計規范，規定高速公路隧道和一級公路隧道長度＞200 m時應設置照明［2］，目的是減少“適應滯后”現象，即白天車輛進出隧道時由于洞內外環境明暗差異過大而導致駕駛員的眼睛出現明暗適應間期。此外，可增強隧道安全可視距離，公路隧道屬于密閉性空間，容易產生壓抑感，極度影響行車安全。因此，公路隧道照明成為公路機電研究的焦點［3］。

隧道照明從最初的白熾燈簡單照明發展到低壓鈉燈和高壓鈉燈高效照明，再到現在常見的無級調光LED燈照明系統［4］。目前，公路隧道照明主要是基于節能照明LED燈和智能控制主機處理車輛行駛信息的隧道無級調光系統［5］。近些年，隨著隧道無級調光系統的更新迭代，其為隧道照明的安全節能起到積極效果，但以消耗電能的隧道照明形式依舊耗費巨大，給高速公路運營帶來巨大的壓力。有關數據顯示隧道內照明費用比普通高速公路道路照明費用每月高出上百萬元［6］。因此，降低隧道照明能耗一直是公路交通行業的不懈追求。光纖隧道引光照明是以無能量轉換、純綠色環保、光電完全分離等優勢將光能經光纖引入隧道內提供安全與節能的直接照明，屬于純自然光傳輸照明，能夠節省大量成本，亦不存在傳統電光照明燈具由于光衰或壓差不穩定等問題而產生的產品老化過快等現象，繼而一度成為空間綠色節能照明研究的焦點。

針對以上問題，本文基于太陽光的清潔安全和隧道洞口內外亮度變化的自適應性原則開展隧道新型調光系統的研制。深入探究光纖引光照明分立器件機理，并在隧道口搭建一套單燈隧道光纖引光照明系統，通過測試引光系統單燈珠和常規LED調光單燈珠的照度和色溫，對比分析得到單個光纖照明燈珠相當于6個LED燈珠照明的良好效果的結論。基于這些測試結果和引光器件特性參數，本文創新性地提出采用基于光纖引光照明的隧道調光應用系統。并根據隧道安全行車可視距離的光學特性要求，利用軟件模擬仿真隧道低功耗多元照明架構方案。有效解決了白天隧道出入口段視覺適應性安全需求與照明高能耗的矛盾問題，為高速公路隧道交通實現節能減排照明提供全新的解決思路。

1" 光纖引光照明原理及測試

光纖引光照明是利用光纖把匯聚后的太陽光引至隧道指定區域照明的一種形式。引光照明系統由光線采集器、導光系統和光發散裝置等器件組成［7］，基于強光線在傳輸路徑上的低功耗壓縮與擴散原理。具體表現為攜帶一定強度的太陽光線通過聚光透鏡與特殊光纖實現低損端面耦合，由光波的非相干特性，使不同波長的光在光纖的芯界面發生全反射而不斷傳遞，在輸出端利用特殊結構尾燈對傳輸光進行放大使輸出光達到所需的照明效果。該系統的引光效果極大地依賴于各個分離器件的工作效率。主要的影響因素有采光面板收集聚光能力、光線耦合效率以及傳導光纖的損耗。

本文通過引進新一代的聚光面板、耦合器插件、導光光纖以及散光燈珠等器件，并在模擬隧道搭建如下頁圖1所示的引光照明系統，優化調整聚光部分到導光光纖的

光學耦合效率以獲得良好的散光照明效果。其中，光線采集器是采用多芯徑的微小型菲涅爾透鏡集合而成的采光面板，多芯徑的微小型菲涅爾透鏡能夠在有限的面板中充分采集不同入射角度的光能量，減少光線反射而造成的浪費。光線采集器安裝于洞外空曠位置以便光線更充分照射和收集［8］，在光線強度達到設定的閾值時，導光器在控制電路的管理下能夠對太陽光線進行精確的追蹤，追蹤精度可以達到±0.2度，使太陽光線能最大限度地照射到集光器微小型多芯徑的菲涅爾光學玻璃透鏡上，通過該透鏡的聚焦作用，使陽光匯聚于光纖與透鏡之間的焦點，再根據入射角度的差異相繼匯入導光光纖中。

在低損耗導光器件中，本文采用高純度多模、大芯徑以及大數值孔徑的特種石英導光光纖，每股照明光纜中含有50束細光芯，總直徑為2 cm，具有耐高低溫、防火防潮和抗拉伸擠壓的特質。導光光纖外芯結構采用具有高反射和高純度的合成石英薄膜，確保石英光纖通光量大、柔韌性強，其有著近直角的敷設可彎曲弧度，且光的傳輸損耗極低，每100 m的光通量傳輸損耗為0.5%。在實際搭建過程中，根據隧道照明亮度和經濟性綜合考慮，每股光纜作為一個燈珠出光端，由八個燈珠組成一個散光板（一盞燈）。光纖引光系統搭建和調試完成之后，開展出光端光照度測試研究，測試設備為HPCS-320照度計，將測試設備逐一對準每一個燈珠并記錄光譜、光照度以及色溫等信息。分析發現，出光端的亮度取決于各個分離器件傳導過程光線的損耗，而固定式器件如聚光菲涅爾透鏡和傳導光纖均受限于加工工藝水準，后期搭建和調試基本無法調優。因此，本文主要根據光纖燈珠出光端實時的輸出照度值為參考，不斷優化調整光纖插件的位置，以確保光纖插件安置于最佳的位置，繼而使透鏡所能匯集到的光線最大化地被耦合進入傳導光纖中。

基于光纖引光照明的低功耗隧道調光系統研究/白" 謀，凌曄華，趙希逸，夏光亮，李小勇

測試結果如圖2所示。可以看出，對于單燈珠而言，光纖引光照明亮度明顯大于傳統LED燈的亮度；對比圖2（b）和圖2（c）的光譜圖可得，光纖引光照明的光譜范圍更寬，其包含所有的可見光波長，因此無明顯頻閃現象，不會誘發駕駛員的眩暈感受。

試驗可知，在天氣狀況良好的情況下，洞外采光面板處的太陽光照度為84 367.66 lx，色溫為5 100 k。經過多個微透鏡聚光后傳輸到單燈珠出光端的照度為6 866 261.50 lx，色溫為5 687 k。表明透鏡聚光能力強、光線耦合高以及光線在光線中傳輸損耗低。測試隧道中已經安裝好的傳統LED隧道照明燈，其照度為1 180 999.00 lx，色溫為4 953 k。通過對比分析可知，在光線較為充足的情況下，光纖引光的照度（6 866 261.50 lx）約為左邊LED燈單燈照度（1 180 999.00 lx）的六倍，見表1。

2" 隧道低功耗多元調光系統

為了解決目前公路隧道照明中電能消耗大的難題，本文根據光纖引光系統的優勢并結合隧道照明的基本

特征，以賀巴高速公路的下田隧道為依托，提出基于光纖引光的隧道低功耗多元調光系統策略并通過Dialux模擬軟件驗證其可行性。單一光纖引光照明其亮度受環境的影響大，在陰雨天會因光線弱而失去部分照明功能。特別是多云天氣，光線時隱時現，導入隧道內的光功率隨機波動，需要隧道傳統電力照明迅速工作并自動調整配電功率以補償隧道安全行車亮度需求。

本文提出的基于光纖引光照明的隧道低功耗調光系統是由PWM控制器模塊、光照感應與數據采集模塊、調光算法與策略模塊、光纖引光系統模塊、傳統電力照明系統與運管監控模塊等組成。如圖3所示，光纖引光燈珠（淺色）和傳統隧道LED照明燈具（黑色）間隔布設。通過在隧道入口、出口及內部關鍵位置部署高精度光強和色溫傳感器，如洞內外亮度儀、視頻車檢器和色溫檢測器等，實時監測隧道內外的光照條件，包括自然光強度、色溫變化、陰雨天等特殊天氣狀況，為調光決策提供數據支持。利用視頻車檢器實時監測隧道內車流量、車輛類型、行駛速度等信息，動態調整照明強度以適應不同交通流量需求。同時光纖引光系統中的采光器結合授時系統和精準位置信息實時追蹤光線以滿足最大化的引光照明。

PWM控制器對采集到的數據進行降噪、濾波及校準等預處理。根據實時監測數據，預測最佳照明水平，實現精細化、動態化的照明控制。設置多種節能模式，如低峰時段自動降低照明強度；無人時段僅保留基礎照明等，最大限度地減少無效照明。在滿足道路照明標準的前提下，優化色溫、照度分布，減少眩光，提高駕駛員視覺舒適度，降低交通事故風險。該系統支持遠程監控與故障診斷，可與運管監控中心進行數據共享與聯動控制，根據整體運營狀態優化照明策略，如火災發生時自動切換至應急照明模式。

3 "隧道低功耗照明效果評估

本文針對當地日照狀況設定光平均輻射強度為300 w/m2；圖4（a）所示為根據廣西隧道設計規范設置隧道傳統的LED照明燈具安裝高度為5.6 m，測試面距地面2 m；基于搭建的引光系統測試結果設定每個引光燈珠的光通量為6 500 lm，光輸出比為100%，光效率為118.2 lm/W。利用Dialux軟件模擬下田隧道入口段的安全行車照明情況。該隧道長795 m，設計行車速度為120 km/h，隧道內凈空高度為5 m，路面寬度為9.5 m，入口段亮度折減系數k=0.054，照明停車視距Ds為232 m， LED燈具發光效率為150 lm/W。

由設計文件可知，其入口段平均亮度為189 cd/m2，不考慮過渡段計算。因此入口段的平均照度為Eth=2 835 lx，入口段的照明范圍為115 m2，根據文獻［2］公路隧道兩側墻面2 m范圍內的平均亮度不低于路面平均亮度的60%，則隧道光通量可表示為式（1）［9］：

Φs=Φr+Φw=Eth·Sth+Eth.w·Sth.w=

（W+1.2hw）（Eth·Dth）（1）

式中：Φs——該短隧道所需總光通量（lm）；

Φr——路面所需光通量（lm）；

Φw——兩側墻面所需光通量（lm）；

Dth ——隧道入口段長度，D=30 m；

Sth——隧道入口段路面2 m高范圍內的面積（m2）；

W——隧道路面寬度，W=9.5 m；

Eth——入口段路面照度，由交通量和設計時速決定（lx）；

hW ——墻面高度，hW =2 m。

在光照充足且隧道入口段光通量需求為400 000 lm時，將隧道模型參數代入式（1）求得照明需求為1 837 080 lx。

根據太陽輻射強度、隧道的照明需求和光纖照明的光利用率（多個微透鏡聚光后傳輸到單燈珠出光端的照度為6 866 261.50 lx）計算仿真出隧道照明需求的系統規模N：

N=ΦsES·ηQ（2）

式中：ES——洞外照度（lx）；

ηQ——光纖照明系統總效率（%）。

經過計算得出所需的太陽光光纖尾燈數量為20個。單燈珠50芯的光纖引光照明單元和傳統LED燈互補調光的仿真安裝照明情況如圖5（a）所示，在隧道入口15 m位置開始，在兩側壁約5 m高位置共安裝10個太陽光引光光纖燈珠，其位置低于LED燈60 cm，并與LED燈進行交互間隔布設，布設間距為1 m，其測試值為1 000 lx，滿足隧道對安全行車的照明要求，結果如圖5（b）所示。本研究表明，基于光纖引光的隧道多元照明系統不僅能滿足隧道行車安全的需求，還具有低碳節能、綠色環保和行車無眩暈等優點，成為公路隧道安全與節能照明的發展趨勢。

4" 結語

隨著高速公路向山區延伸，隧道照明能耗問題越發突出。因此，本文在當前國家“碳中和”方針的指引下，依據光纖引光照明無能量轉換、純綠色環保、光電完全分離等優勢開展系統搭建、耦合調參以及測試分析等系列工作。得到在光線充足的情況下，洞內的引光單燈珠可達到亮度6 866 261.50 lx和色溫5 687 k的良好節能照明效果。基于此測試研究結果，本文還結合現有無級調光系統的優勢，創新性地提出了基于光纖引光照明的隧道多元調光系統方案，并利用軟件模擬得到超低能耗隧道安全照明的設計效果，能夠有效緩解隧道調光照明高能耗的難題。

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