摘要： 基于目前高速公路隧道照明耗費的電能巨大，特別是在中國的西部地區(qū)，隧道多、車流量不大，夜間更少，由此造成了大量的電能浪費。為此結(jié)合西部的實際情況，提出了一套新的公路隧道照明應(yīng)用方案，采用LED 燈結(jié)合分段控制技術(shù)，通過模擬隧道的實驗實現(xiàn)了亮度智能控制、照明隨車的移動而改變、最大限度節(jié)能的目的。

　　在哥本哈根世界氣候大會上溫家寶總理代表中國承諾，到2020 年，二氧化碳/GDP 總值比要在2005 年的基礎(chǔ)上降低40%~45%.中國多山，山區(qū)面積占全國總面積的2/3，給交通建設(shè)帶來很大的不便，截止2009 年底全國公路隧道多達(dá)6 139處，其中特長隧道190 處，長隧道905 處，隧道照明上所耗費的電能相當(dāng)巨大。為此我們對高速公路隧道照明方法展開研究。

　　1 隧道照明設(shè)計要領(lǐng)

　　白天駕駛員駕駛車輛從隧道外接近、進(jìn)入和通過隧道的過程中，如果隧道沒有照明裝置，由于隧道內(nèi)外亮度差別極大，入口處將呈現(xiàn)一個“黑洞”，出口處則看到一個“亮洞”;夜間駕駛員行車進(jìn)入和通過有照明系統(tǒng)的隧道，情況就又剛好相反，這些現(xiàn)象都會引發(fā)安全事故。為此，《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》制定了相關(guān)的規(guī)范，對入口段、過渡段、中間段、出口段的亮度做了詳細(xì)的規(guī)定，相關(guān)規(guī)定如下：

　　1）入口段亮度需求Lth（cd/m2）

　　式中k 為折減系數(shù)，L20（S）為洞外亮度（cd/m2）

　　2）過渡段亮度需求

　　照明段TR1的亮度Ltr1如下：

　　照明段TR2的亮度Ltr2如下：

　　照明段TR3的亮度Ltr3如下：

　　3）中間段亮度Lin，如表1 所示。

　　表1 中間段亮度規(guī)范

　　4）出口段亮度。

　　亮度取中間段亮度的5 倍。

　　夜間照明分兩級控制：交通量較大時，亮度與中間段亮度Lin相等；交通量較小時，亮度為0.5Lin但不小于1 cd/m2。

　　2 LED 智能燈的設(shè)計方案

　　2.1 隧道中LED 智能燈具照明與傳統(tǒng)燈具照明的比較

　　1）傳統(tǒng)的隧道照明方案

　　傳統(tǒng)的隧道照明方案為了做到節(jié)能， 通常采用4 級照明，即晴天、云天、陰天和重陰天4 種照明模式，這種控制方式一般采用的都是控制亮燈的數(shù)量和位置來達(dá)到分級照明的目的。采用的燈也是傳統(tǒng)的高壓鈉燈，由于高壓鈉燈光源的功率規(guī)格通用型只有100 W、150 W，250 W 和400 W 幾種，而許多高速公路隧道基本照明燈具僅需40~120 W 即可，但目前隧道的基本照明通常選用100 W、150 W 或更高的高壓鈉燈［3］，普遍存在過度照明，或要人工控制的問題。

　　在設(shè)計燈具功率時，必須要考慮一定的維護(hù)系數(shù)，這樣才能確保在實際的運營過程中當(dāng)燈具光源亮度衰減和燈具受到污染而使亮度下降30%以上時，其照明的強度依然能夠滿足規(guī)范的要求。

　　在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，維護(hù)系數(shù)取0.7，如某隧道實際需要80 W 的燈具，那么設(shè)計的時候燈具功率最少要選115 W;同時還要考慮到燈具會隨著時間的推移，自身會有損耗，為了確保燈具能符合設(shè)計規(guī)范，就必須有一定的冗余量，一般取1.7 倍，那么設(shè)計的時候燈具功率就要高于136 W，于是選用150 W 的高壓鈉燈。

　　2）LED 智能燈具照明方案

　　LED 有發(fā)光效率高、壽命長、易控制等特點。如某隧道實際需要80 W 的燈具， 用LED 智能燈就可以控制成80 W 的規(guī)格，避免過度照明。根據(jù)隧道外的亮度智能化控制隧道內(nèi)LED 燈的照明亮度，特別是入口段、過渡段這兩段的亮度調(diào)節(jié)， 即根據(jù)隧道的設(shè)計行車速度來設(shè)計該路段需要多亮，照明燈具就控制多亮（LED 智能燈也必須有一定的冗余量），以避免過度照明，這樣可以節(jié)約電能，減少污染排放。

　　2.2 LED 模擬燈具設(shè)計

　　如圖1 所示為用1 W 臺灣晶元正白光大功率燈珠制成的24 W 模擬隧道燈； 燈具控制系統(tǒng)中采用了達(dá)林頓控制電路，使實驗中LED 燈珠達(dá)到了最佳的亮度（110 lm）；模擬燈具標(biāo)準(zhǔn)光通量為2 500 lm（Tj=25℃） ， 最大的光通量達(dá)到7 500 lm（Tj=60℃，Ta=25℃）。

　　圖1 模擬隧道燈

　　3 系統(tǒng)方案設(shè)計

　　3.1 LED 智能燈電路系統(tǒng)方案

　　本方案設(shè)計有兩套控制電路，一套控制LED 燈組的照明亮度，另一套控制燈具的照明亮度。課題組在模擬隧道外設(shè)置了一個亮度監(jiān)控裝置，將自然光強度轉(zhuǎn)化為0~5 V 的直流電壓信號，再經(jīng)ARM7（stm32f103vc，中央控制器）分析計算，控制LED 燈的照明亮度使之符合國家規(guī)范（段亮度控制指令）；同時在模擬隧道內(nèi)也設(shè)置了亮度監(jiān)控裝置，對模擬隧道內(nèi)相應(yīng)路段的照明亮度進(jìn)行信號采集、并分析計算，如果照明亮度不足，就自動調(diào)整提高相應(yīng)LED 燈的亮度，做到智能補光，以有效補償因燈具損耗或受灰塵、尾氣等因素產(chǎn)生的照明亮度減弱。

　　3.2 分段照明控制設(shè)計

　　來車檢測傳感器等間距設(shè)置如圖2 所示，D1為距離隧道口一段距離的感應(yīng)帶，當(dāng)有車行到D1處時，D1采集的信號傳到中央控制器處理后讓D2→D3路段燈組點亮； 當(dāng)車行至D2時，D2采集的信號讓D3→D4燈組點亮； 當(dāng)車行至D3處時，D4→D5段點亮，此時如果D1→D3段內(nèi)無車經(jīng)過，則熄滅D2→D3燈組；之后的燈組以同樣的原理控制。此方案在車流量較少的高速公路隧道使用，節(jié)能效果更加明顯。方案如能得到推廣，將為國家節(jié)省下大量的電能，為我國的節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)。

　　圖2 分段控制傳感器設(shè)置方法

　　3.3 耗能比較

　　文中以亞洲最長市政隧道---貴州省貴陽市黔靈山公路隧道為例，以說明本設(shè)計方案的節(jié)能優(yōu)勢，隧道全長1 580 m，設(shè)計時速60 km，使用高壓鈉燈照明。

　　入口段：長90 m，三盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.

　　過渡1 段：長30 m，三盞燈一組與兩盞燈一組間隔布置，兩側(cè)對稱布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.

　　過渡2 段：長70 m，兩盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.

　　基本1 段：長610 m，一盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W， 燈組間距10 m.

　　基本2 段：長750 m，右側(cè)一盞燈一組，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W;左側(cè)一盞燈一組，間隔點亮，燈組間距10 m，每盞燈功率為150 W.

　　出口段：長35 m，三盞燈一組，兩側(cè)間隔布置，每盞燈功率為150 W，燈組間距5 m.

　　基于隧道的基本情況，為了便于計算，以高壓鈉燈間距為10 m，兩側(cè)間隔布置來進(jìn)行分析，那么單洞兩側(cè)總計至少有300 盞燈。隧道高壓鈉燈功率采用150 W;為達(dá)到設(shè)計照明要求，需要考慮一定的冗余量、維護(hù)系數(shù)以及隧道建筑限界凈寬、限界凈高、燈具額定光通量等，LED 智能燈設(shè)計調(diào)整范圍為80~130 W，依據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》以及隧道實測的亮度數(shù)據(jù)實際使用時“平均取值90 W 計算”，不改變燈的布局，對高壓鈉燈和LED 智能燈做長明燈的年能耗比較，如表2 所示。

　　表2 高壓鈉燈與LED 智能燈能耗比較

　　從表2 中可以看出， 用LED 燈具24 小時照明可降低60%的能耗，以0.30 元/度的電價計算，僅是此段隧道每年將減少4.7 萬元照明電費開支。就目前通過該路段的車流量來算，如果實施“有車經(jīng)過點亮、無車關(guān)閉”的照明方案，最少還可降低25%的能耗（1/4 的時間關(guān)閉照明）。該方案如果推廣全國高速公路隧道照明，對高速公路營運部門來說，有良好的經(jīng)濟(jì)效益；對國家節(jié)能降耗戰(zhàn)略來說，社會效益顯著。

　　4 結(jié)束語

　　本方案基于西部隧道照明的實際情況設(shè)計的燈具結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)和LED 燈，不僅使燈具照明智能化、數(shù)字化，而且性能穩(wěn)定、工作可靠；同時使用分段控制技術(shù)取代傳統(tǒng)的整段控制技術(shù)，在節(jié)能上有著明顯的優(yōu)勢，為今后的隧道照明方案提供了一種新的參考。