摘要 該文主要研究了智能化背景下智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，以應(yīng)對日益增長的節(jié)能與環(huán)保需求。研究內(nèi)容致力于開發(fā)一套高效的照明控制系統(tǒng)，包括無級調(diào)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(shí)現(xiàn)智能調(diào)光、緊急功能控制以及對特殊工況的靈活響應(yīng)，提升了能源利用率，保證了隧道安全。研究結(jié)果表明：該智能照明系統(tǒng)能顯著降低能耗，同時保證隧道內(nèi)的照明質(zhì)量和安全標(biāo)準(zhǔn)。研究成果展現(xiàn)了智能技術(shù)在現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用潛力，可為未來高速公路隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供有力的理論和實(shí)踐支持。

關(guān)鍵詞 智能化；高速公路隧道；節(jié)能照明；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

0 引言

隨著全球?qū)δ茉葱屎铜h(huán)保要求的提升，高速公路隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能化已成為一個重要的研究領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的隧道照明方式面臨著能源浪費(fèi)和安全性問題，迫切需要通過現(xiàn)代智能化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。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(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來提升能效和安全性，并針對不同的交通和環(huán)境條件進(jìn)行照明調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能源使用和提高駕駛安全性。

1 設(shè)計(jì)背景

在智能化背景下，高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可提高隧道照明效果與節(jié)能效果。傳統(tǒng)的隧道照明系統(tǒng)面臨安全性與節(jié)能性的矛盾，而現(xiàn)代隧道照明控制系統(tǒng)的出現(xiàn)便是為了解決該問題[2]。該系統(tǒng)能根據(jù)外部環(huán)境及交通流量自動調(diào)整LED燈的功率，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)光，既滿足照明需求也顯著降低能耗。貴州省結(jié)合《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)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(chǔ)上，于2020年6月，正式啟動了“高速公路隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)、碳匯核算模型及低碳評價指標(biāo)體系研究（項(xiàng)目編號：2021-122-022）”，展示了智能控制系統(tǒng)的成效，該系統(tǒng)在納晴高速公路的應(yīng)用中顯著提高了照明效率并降低了運(yùn)維成本。該研究以實(shí)現(xiàn)高速公路隧道節(jié)能照明為目標(biāo)，旨在優(yōu)化隧道內(nèi)的光環(huán)境，提升行車安全與舒適性。研究成果為綠色低碳發(fā)展指明了方向，集成了智能技術(shù)與節(jié)能控制的系統(tǒng)模式，展示了未來高速公路隧道照明設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢[3]。

2 智能化背景下智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)構(gòu)成

智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)由多種先進(jìn)設(shè)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(tǒng)及上位機(jī)監(jiān)控管理軟件等。該系統(tǒng)通過洞內(nèi)外的亮度和車輛數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)照明的動態(tài)調(diào)控。在隧道長度超于1 km單座隧道及隧道群，系統(tǒng)中增設(shè)了伴隨式智能調(diào)光控制系統(tǒng)，通過洞外的主控雷達(dá)與洞內(nèi)分段雷達(dá)檢測車輛，以“車來燈亮，車走燈暗”的模式調(diào)整照明，優(yōu)化能源使用并減少排放。

隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)分為四級架構(gòu)，包括平臺管理層、本地管理層、通信傳輸層和設(shè)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(yuǎn)程控制隧道照明，同時進(jìn)行設(shè)備管理、參數(shù)設(shè)置，收集并展示隧道照明與能耗數(shù)據(jù)。本地管理層位于變電所，負(fù)責(zé)隧道照明的直接控制與設(shè)備維護(hù)。通信傳輸層則確保數(shù)據(jù)在本地管理層與設(shè)備終端之間的穩(wěn)定傳輸。設(shè)備終端層包括亮度檢測器、車輛檢測器及分段調(diào)光控制箱，實(shí)時監(jiān)測交通和環(huán)境亮度，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整照明。智能照明控制器設(shè)于隧道變電站內(nèi)的中控室，與LED亮度智能無級控制裝置通過以太網(wǎng)通信。上位機(jī)使用無級調(diào)光監(jiān)控管理軟件，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與命令下發(fā)，保障隧道照明系統(tǒng)的精確與響應(yīng)速度。此外，該控制器還能采集隧道內(nèi)的事件檢測與火災(zāi)報(bào)警狀態(tài)，確保在各種通行狀態(tài)下的預(yù)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(jù)內(nèi)置軟件自行調(diào)光，保證隧道內(nèi)的照明連續(xù)性與安全性。

3 智能化背景下智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)調(diào)光控制設(shè)計(jì)

3.1 無級調(diào)光自動控制

智慧高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對無級調(diào)光自動控制系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)利用高精度傳感器與先進(jìn)的控制算法，確保隧道內(nèi)的照明既滿足安全標(biāo)準(zhǔn)也極大程度地節(jié)約能源。通過在隧道入口和內(nèi)部安裝亮度檢測儀和車流檢測儀，實(shí)時采集洞內(nèi)外的亮度和車流量信息。以上數(shù)據(jù)通過420mA或RS485信號傳送至照明控制主機(jī)，主控制器根據(jù)數(shù)據(jù)信息計(jì)算出各個照明段所需的調(diào)光功率，并將其轉(zhuǎn)換為DC05V或DC0～10V的直流模擬信號，精確控制隧道內(nèi)加強(qiáng)照明和基本照明燈具的輸出功率。

系統(tǒng)的核心在于智能照明控制器，該控制器依托于國家交通運(yùn)輸部的調(diào)光控制標(biāo)準(zhǔn)算法，能夠自適應(yīng)地動態(tài)調(diào)整LED照明燈具的輸出功率和路面亮度，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境和交通條件。此外，當(dāng)照明燈具光衰或?qū)崪y亮度結(jié)果低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，控制器會自動增加基本照明的亮度，確保隧道內(nèi)照明符合安全規(guī)范。同時，隧道智能照明系統(tǒng)控制器通過以太網(wǎng)與監(jiān)控中心的上位機(jī)通信，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理成為可能。上位機(jī)使用無級調(diào)光監(jiān)控管理軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、指令下達(dá)、實(shí)時信號讀取和數(shù)據(jù)存儲，有效提高隧道管理效率和響應(yīng)速度。該控制系統(tǒng)通過精確的數(shù)據(jù)反饋和算法運(yùn)算，自動調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，同時減少了因頻繁調(diào)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(xù)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(guān)鍵在于精確調(diào)整隧道入口段和過渡段的加強(qiáng)照明，根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014），加強(qiáng)照明的控制取決于洞外亮度、車流量、季節(jié)時段以及設(shè)計(jì)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(nèi)的照明功率及亮度相應(yīng)增強(qiáng)，以確保從明亮的外部環(huán)境進(jìn)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(nèi)部照明強(qiáng)度。此外，車流量增加時，為應(yīng)對更頻繁的車輛進(jìn)出，照明功率也相應(yīng)提高。

系統(tǒng)允許操作者根據(jù)需要設(shè)置加強(qiáng)照明的開啟及關(guān)閉時間，增加了系統(tǒng)的靈活性和應(yīng)用范圍。在傳感器失效或維護(hù)時，系統(tǒng)可轉(zhuǎn)為時間控制模式，依據(jù)夏季晴天的洞外亮度變化曲線自動調(diào)整照明強(qiáng)度，確保隧道照明的連續(xù)性和適宜性。調(diào)光參數(shù)是通過專業(yè)軟件按《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）自動計(jì)算得到，保障了照明系統(tǒng)的科學(xué)性和標(biāo)準(zhǔn)化，同時夜間系統(tǒng)能自動降低照明功率，以滿足最低的照明需求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，表1為白晝加強(qiáng)照明調(diào)光的參考值，該研究照明控制設(shè)計(jì)靈活且智能，為隧道照明系統(tǒng)提供了高效、安全且經(jīng)濟(jì)的解決方案。

3.2.2 出口段加強(qiáng)照明亮度控制

在高速公路隧道出口段，在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時加強(qiáng)了照明亮度控制能力，確保車輛在離開隧道時視覺適應(yīng)性和安全性。該控制策略根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）設(shè)定，將出口段加強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。照明系統(tǒng)依賴于實(shí)時的車流量數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的時間參數(shù)，以及通過軟件自動計(jì)算的調(diào)光參數(shù)，來調(diào)整出口段的照明強(qiáng)度。下表為基本照明調(diào)光的參考值。

系統(tǒng)允許操作者自定義基本照明的開啟和關(guān)閉時間，同時可以設(shè)置不同的照明功率，以適應(yīng)夜晚及白天不同的照明需求，該調(diào)控方式可根據(jù)車流量自動調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度，也允許根據(jù)時間變化進(jìn)行手動設(shè)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(huán)境。此外，半自動分級控制模式結(jié)合了自動計(jì)算與用戶自定義設(shè)置，提升了系統(tǒng)的適應(yīng)性和節(jié)能效果。隧道照明系統(tǒng)通過出口段加強(qiáng)照明亮度控制方法，確保從隧道內(nèi)至外部環(huán)境的過渡不僅安全而且平滑，從而有效減少因照明不當(dāng)引起的交通事故，同時達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

3.2.3 伴隨式分段自動調(diào)光控制

在智能無級調(diào)光控制系統(tǒng)中，伴隨式分段自動調(diào)光控制作為具體的調(diào)光控制系統(tǒng)，主要是為了實(shí)現(xiàn)在車流量較小的路段中，照明系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能效果。該系統(tǒng)通過實(shí)時檢測和跟蹤隧道內(nèi)車輛，動態(tài)控制LED隧道燈的開關(guān)和亮度，實(shí)現(xiàn)“車來燈亮、車走燈暗、燈隨車走”的節(jié)能照明效果。伴隨式分段自動調(diào)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(tài)下的能耗，支持運(yùn)行管理單位根據(jù)實(shí)際通行情況選擇是否啟動該系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-01—2014）以及最新的《公路隧道LED照明調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（T/CECS G：D85-11—2022），考慮隧道內(nèi)外實(shí)時亮度與車流情況，自動調(diào)整照明強(qiáng)度。當(dāng)雷達(dá)探測到車輛即將進(jìn)入隧道時，控制服務(wù)主機(jī)激活自動調(diào)節(jié)控制算法。此算法基于實(shí)時的車輛通行數(shù)據(jù)和照明亮度信息，生成必要的亮度控制及調(diào)節(jié)信號。從隧道入口至出口，照明系統(tǒng)依次在車輛前后一定距離內(nèi)調(diào)整照明強(qiáng)度，形成一條光亮的路徑伴隨車輛前行，避免照明系統(tǒng)無效運(yùn)行，從而有效節(jié)約能源。該系統(tǒng)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(shè)計(jì)

3.3.1 緊急功能控制

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生如火災(zāi)或車禍等緊急情況時，系統(tǒng)可以迅速反應(yīng)，通過多種激活方式調(diào)節(jié)照明。緊急功能可通過監(jiān)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(nèi)的觸發(fā)按鈕以及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的觸發(fā)條件來激活。一旦觸發(fā)，控制系統(tǒng)將隧道照明LED燈調(diào)至應(yīng)急模式，通常是調(diào)光至設(shè)定的100%最大功率輸出狀態(tài)。以上設(shè)計(jì)確保在視覺上最大限度地支持緊急響應(yīng)和撤離需求，提高隧道內(nèi)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(tǒng)中設(shè)置了多種照明模式以應(yīng)對不同情形：首先，在隧道養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)期間，為確保作業(yè)人員的安全和工作效率，作業(yè)地點(diǎn)前后的照明燈具需開啟至最大程度[4]。其次，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生交通事故、火災(zāi)或進(jìn)行交通管制時，所有照明燈具也應(yīng)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(tǒng)將同樣提升照明至最大輸出，確保隧道內(nèi)部環(huán)境的安全與清晰可見。在國家法定節(jié)假日期間，系統(tǒng)亦會根據(jù)白晝和夜間的不同需求調(diào)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(yīng)急照明，確保節(jié)日期間隧道的行車安全。各項(xiàng)控制策略均按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范執(zhí)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(jié)能效果的最大化。

3.3.3 系統(tǒng)故障控制

在智能化背景下設(shè)計(jì)的高速公路隧道節(jié)能照明系統(tǒng)中，特殊工況照明控制策略確保在系統(tǒng)故障情況下的安全性與可靠性[5]。當(dāng)智能無極調(diào)光控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求加強(qiáng)照明和基本照明燈具自動達(dá)到100%輸出功率，以維持隧道內(nèi)的光環(huán)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(guān)閉各照明回路。系統(tǒng)同時確保在發(fā)生斷路或其他故障時，所有加強(qiáng)照明和基本照明回路自動全開，并在此狀態(tài)下運(yùn)行。應(yīng)急預(yù)案中包括對燈具調(diào)光控制線的自主實(shí)時檢測功能，一旦檢測到斷路或其他故障，燈具將自動轉(zhuǎn)入最高亮度模式。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含異常立即上報(bào)的機(jī)制，確保運(yùn)維團(tuán)隊(duì)能夠迅速響應(yīng)并處理任何異常情況。自動化的故障響應(yīng)和控制功能的實(shí)施，不僅提高了隧道的運(yùn)行效率，還顯著增強(qiáng)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(jié)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(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，成功整合了無級調(diào)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(guān)鍵技術(shù)。通過智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對隧道照明的精準(zhǔn)管理，有效應(yīng)對了緊急情況和特殊工況下的照明需求，確保了隧道內(nèi)的安全與舒適性。研究成果展示了在節(jié)能和環(huán)保要求日益增加的當(dāng)下，通過智能化技術(shù)優(yōu)化隧道照明系統(tǒng)的可能性和實(shí)效性。該系統(tǒng)的應(yīng)用可望推廣至更廣泛的交通基礎(chǔ)設(shè)施中，為智慧交通的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持和創(chuàng)新思路，同時也為環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)力量。此項(xiàng)研究不僅提升了隧道照明的能效和安全性，也標(biāo)志著高速公路隧道照明系統(tǒng)向更智能、高效、節(jié)能方向邁出重要一步。

參考文獻(xiàn)

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

[2]楊帥.高速公路隧道照明節(jié)能技術(shù)的研究[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界，2023（23）：112-114.

[3]歐陽立均.高速公路隧道照明節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)踐[J].光源與照明，2023（3）：39-41.

[4]朱民強(qiáng).高速公路隧道照明節(jié)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(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].交通世界，2023（19）：121-123.