隧道智適應調光照明系統在國省干線公路上的應用

【中圖分類號】 U453.7

【文獻標志碼】 B

0 引言

國道544線川主寺至九寨溝縣城段災后恢復重建工程簡稱“川九路”，位于四川省北部高原阿壩藏族羌族自治州東北部的九寨溝縣和松潘縣境內。路線起于九寨溝縣城嶺崗巖隧道西北側，利用九綿高速公路九寨溝連接線接G247文縣一平武公路;沿白水江、白河而上，繞西經九寨溝景區溝口、漳扎鎮，向南翻越弓杠嶺；溯岷江源而下，繞川主寺北西側，接G213若爾蓋一松潘公路，全長約 123km 。是連接兩大世界自然文化遺產九寨溝和黃龍的最便捷通道，也是部、省合力打造的全國旅游示范工程。川九公路位于世界自然遺產、國家重點風景名勝區、國家AAAAA級旅游景區，作為目前川主寺方向至九寨溝景區的唯一道路，交通地位極為重要。

為改善傳統照明方式不足，落實智慧川九相關要求，綜合政策導向及隧道照明調光技術發展水平，實現隧道運營節能減排延長使用壽命的目的，結合省內其他高速公路隧道照明項目的實施經驗，四川興蜀公司在國省干線公路上進行了照明方式提檔升級的實踐應用，在川九路隧道實施了隧道智適應調光照明系統，以達到隧道提質升級、安全舒適通行、節能降耗減少營運照明費用開支的自標。

1 川九路隧道照明現狀

隧道照明系統是公路隧道機電的重要組成系統，安全、穩定的照明狀態事關車輛通行安全，并且是隧道視頻監控系統正常有效運行的基本保證。根據JTGTD702-01-2014《公路隧道照明設計細則》要求，公路隧道照明應進行調光控制設計，且宜采用智能控制或自動控制為主，實現隧道內照明設施動態調光控制，達到安全、舒適、高效、經濟的照明效果，重點突出節能控制的特點，追求“按需照明”的理想設計目標。

川九公路全線共有3座隧道，均為單洞雙向行車雙車道隧道。其中九寨隧道長 1963m. 漳扎隧道隧道長 3578m 神仙池隧道長 3515m 。原有設計方案中，隧道均采用LED燈照明，并區分基本照明、應急照明、加強照明I加強照明Ⅱ回路。照明控制采用預設時間，分時段對照明進行自動控制為主、手動控制為輔的控制方式，并區分三級控制等級：清晨、傍晚及陰雨天開啟基本照明、應急照明、加強照明I；中午開啟基本照明、應急照明、加強照明I加強照明ⅡI;夜晚只開應急照明。

經核查圖紙，九寨隧道、漳扎隧道、神仙池隧道照明燈具能耗基本情況見表1。

現行隧道照明控制，存在以下提升空間：

（1）采用分時段降開啟或關閉不同回路，會導致在部分時段（如夜間），有車通行狀態下隧道照明亮度難以達到需求亮度，存在安全也隱患。

（2）洞內照明亮度與洞外亮度未實現精細化聯動調節，“黑洞”“白洞”效應會影響駕乘人員的舒適性。

（3）川九公路作為地方道路，無收費通行途徑，電費開支大，經營養護壓力大（3個隧道共有LED隧道燈具2061盞，月額定耗電8.8萬 kW?h 以上，年額定耗電約105.8萬 kW?h 。按綜合工業電價0.71元 ^′kW?h 估算，若完全按照額定功率并滿足隧道照明規范亮度，月照明電費支出6.25萬元/月、年照明電費支出為75萬元/年）。

（4）川九路預測交通車流量在2025年達到7259車次，屬于較小交通流量。且作為旅游公路，車流量隨景區季節性淡旺季特征明顯。車流向小、且時段分布不均衡，具備精細化調光以節約電費開支的巨大空間。

2 隧道智適應調光照明系統

2.1 系統概述

隧道智適應調光照明系統由智能物聯網單燈控制器、智能毫米波雷達車輛探測器、智能物聯網網關控制器、亮度檢測儀、智能網聯邊緣計算控制器、洞口車流車速檢測設備及物聯網隨車調光系統控制軟件組成。系統為單燈附著調光控制器，動態跟蹤車輛行駛軌跡，實現LED隧道燈亮度的實時控制，達到“車來燈亮、車走燈暗、燈隨車走”的安全節能照明效果，避免LED隧道燈處于長期、大面積全開狀態；另一方面自動檢測和聯動洞內外亮度，根據洞外亮度實時調整洞內出入口段LED燈具亮度，減少洞內外亮度差值，破解“黑洞”“白洞\"效應危害。

表1 川九路隧道照明燈具能耗情況

系統采用太陽能智能誘導信標檢測隧道入口車流量、車速等交通信息；采用毫米波雷達技術能夠對隧道內車輛進行實時檢測與跟蹤，為照明控制系統、隧道交通管理提供基礎參考數據。

調光控制器采用無線通信技術，每個LED隧道燈上的單燈控制器間具有無線通訊功能，且通信具有容錯能力和抗損毀功能，當有單燈控制器損毀時，不影響整個系統其他單燈控制器的控制和使用。

系統具有本地控制器實現本地控制，也具有通過平臺與設備無線通信的功能，具有獨立遠程管理平臺和植人第三方平臺（系統）的功能。

系統平臺具有動態展示功能，能實現照明系統設備、運行狀態、能耗、車流車速等信息的在線監測及管理

2.2 系統架構

整個隧道智適應調光照明系統為四級架構（圖1），具體框架層次說明如下。

圖1隧道智適應調光照明系統架構

2.2.1 平臺管理層

軟件控制平臺，功能是對整個隧道的設備進行管理與參數設置，統計燈具功率數據，統計隧道車流量數據，通過平臺展示隧道的燈具運行狀況。

2.2.2本地管理層

本地控制器，功能是對整個隧道的設備進行管理與參數設置。

2.2.3 中間層

通信網關，功能是收集所管理的調光控制器的工作狀態參數與設置工作參數，通常情況是 150～200m 作為一個子網段，由一個通信網關進行管理該子網段的隧道照明節能控制器

2.2.4設備終端層

單燈控制器，功能是通過雷達探測車輛，采集燈具功率，控制器設定范圍內的燈光亮度，實現燈隨車行功能。

2.3系統功能及特點

系統具有感知洞內外亮度調節加強照明燈光亮度、伴隨式智能動態照明、車流量數據采集、調光控制器無線通信、遠程平臺自動化管控等功能及特點。

2.3.1感知洞內外調節燈光亮度

系統根據洞內外亮度自動跟蹤控制加強照明亮度。跟進預先設置的閾值，自動切換工作模式，以便在不同的天氣保證行車的安全性和舒適性，同時在滿足照明的要求下達到節能運行的目的。

2.3.2伴隨式智能動態照明

系統能通過對隧道內車輛的實時檢測與跟蹤，實現LED隧道燈開關和亮度的實時控制，達到“車來燈亮、車走燈暗、燈隨車走的”安全節能照明效果，避免LED隧道燈處于長期、大面積全開狀態。

2.3.3車流量數據采集

采用太陽能智能誘導信標能夠檢測隧道入口車流量、車速等交通信息；采用毫米波雷達技術能夠對隧道內車輛進行實時檢測與跟蹤，為照明控制系統、隧道交通管理提供基礎參考數據。

2.3.4單燈調光控制器無線通信功能

單燈調光控制器采用無線通信技術，每個LED隧道燈上的單燈控制器間具有無線通信功能，且通信具有容錯能力和抗損毀功能，當有單燈控制器損毀時，不影響整個系統其他單燈控制器的控制和使用。

2.3.5本地控制器、遠程平臺、自動化管控功能

系統具有本地控制器實現本地控制，也具有通過平臺與設備無線通信的功能，具有獨立遠程管理平臺和植入第三方平臺（系統）的功能。

2.4系統效益

2.4.1 安全效益

提供安全穩定照明，破解“白洞”“黑洞”效應，增強隧道行車安全舒適性

2.4.2 管理效益

實現照明系統在線智能管控，平臺實時呈現設備、能耗、

車流車速等交通狀態，減少人力巡檢和維護成本。

2.4.3 經濟效益

系統至少產生兩個方面的經濟效益。

一是直接節約照明電費開支。系統通過精準、動態降低無車狀態下的照明亮度，達到按需供電節約能耗的目標。根據測算，川九路實施本系統，預期年均節能 55% ，即節約58.2萬 kW?h ，預計節約電費41萬元/年。

二是通過延長隧道燈具使用壽命節約燈具購置、安裝費用。系統通過減少LED隧道燈具滿負荷工作時間，正比例延長燈具使用壽命。

2.4.4社會效益

踐行“碳達峰”“碳中和”政策，減少碳排放.節約 電，相當于減排 0.272kg 碳排放。按系統投用后年均預期節約電量 55% 即58.2萬 kW?h 估算，即年減少碳排放約158.3t 這是川九路踐行“雙碳政策”的有力舉措。

3川九路隧道智適應調光照明系統運行情況

2021年8月-9月，相繼在G544線川九路九寨隧道、漳扎隧道、神仙池隧道進行了隧道智適應調光照明系統設備的安裝。三隧道共安裝各型設備見表2。

表2川九路隧道智適應調光照明系統安裝設備

3.1調光節能效益明顯

川九路于2021年9月23日完成隧道智適應調光照明系統安裝調試并投人試運行，隨即就迎來了國慶黃金周的考驗。交通流也由日均小于3000輛/天猛增到日均大于9000輛/天。

以神仙池隧道為例：2021年9月23日—9月30日，7天車流量為1.8萬輛，隧道變電所照明回路電表實測系統能耗為2692kW?h ，調光系統平臺錄得照明系統能耗為 兩者差值 lt;3% （誤差原因：新燈具實際功率略高于標稱額定功率），差值在系統既定取信區間內。而照明系統額定能耗為 4752kW?h （按照明系統燈具額定功率計算），可知本時段節能效率約為 45% 。

而10月1日一10月8日，國慶黃金周期間車流量暴增至6.5萬輛，實際能耗 3163kW?h ，額定能耗 4752kW?h 相應節能效率為 33% 0

系統相關設備運行狀態從管理平臺正常管理。車輛行駛軌跡動態仿真正常運行（圖2）。

圖2行車模擬圖

3.2川九路隧道智適應調光照明系統策略

在隧道智適應調光照明系統中，除動態交通參量（車流車速）外，隧道入口段加強照明亮度等級、單次亮燈時長、單次亮燈距離對系統節能效率影響較大。

3.2.1 入口段加強照明亮度等級策略

根據JTGT D702-01-2014? 公路隧道照明設計細則》，將洞外亮度按小于 950cd/m² 至大于 3750cd/m² 分為12個調光等級（表3），在川九路實踐中，根據 0～10V 調光驅動電壓范圍，匹配了11個調光等級，跟隨洞外亮度自動調節隧道入口加強段亮度。

表3川九路洞外亮度與調光等級對應

3.2.1.1單次亮燈時長策略

川九項目中，三處隧道情況并不一致。其中九寨隧道、漳扎隧道彎道較小，線型較好，因此設置車輛單次觸發調光系統后，維持5s的照明時長；神仙池隧道（上四寨隧道）彎度較大，以視覺效果和安全冗余考慮，維持9s的照明時長。

3.2.1.2亮燈距離策略

川九項目隧道為雙向通行，為了確保足夠的識認安全距離，車輛前方的亮燈距離設為 200m 。

總體而言，在上述策略下，系統運行正常，駕乘人員角度視覺舒適，在確保安全第一的前提下，取得了舒適性和節約性的統一。

4結束語

貫徹國家節能減排政策，本著經濟、可靠原則，積極穩妥地采用新理論新技術，公路隧道照明采用具有智能或自動控制功能的照明方式是大勢所趨，公路建設管養單位如何在這道必答題中，取得安全管理、節能降耗、智能運維方面的平衡，川九路以隧道智適應調光照明系統進行了新型隧道照明方式應用實踐，并以實際效果為國省干線公路的隧道照明管理提供了一種新范式。

參考文獻

[1］中華人民共和國交通運輸部．公路隧道照明設計細則：JTG/TD70/2-01－2014[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[2] 馮光宇，劉運龍，蔣貴川，等.四川省公路隧道照明系統建設與運營技術指南［S].成都：四川省交通運輸廳，2021.

[3] 四川九通智路科技有限公司.一種隧道照明節能控制方法：ZL202010940392.5[P].2021.

[4] 四川九通智路科技有限公司.一種基于藍牙廣播通信的自組網方法：ZL202110658294.7[P].2021.