高速公路隧道节能照明系统方案及控制系统设计

　　公路交通正随着经济发展与社会进步不断扩大着自身规模，近几年，凭借施工技术不断进步与勘察设计理念日益成熟，我国公路隧道工程建设也迈向了一个新的台阶。据不完全统计，近十年以来，公路桥梁隧道渡口里程总长度已经达到512.2551万米，已建成通车的隧道多达7384处，短隧道4544处、中隧道1357处、长隧道1218处、特长隧道265处（如图1所示）。其中秦岭终南山公路隧道长度达到18.02公里，被誉为“亚洲第一”。

　　图1　近十年我国公路隧道渡口里程统计图

　　通过上述数据可知，公路隧道现今已成为我国实现快捷、安全、高速运输的重要设施，并作为实现环境交通友好型的核心措施，在我国现代化交通运输发展与进步中起着不可撼动的作用。

　　国内外高速公路隧道照明系统发展现状

　　1.1　国外发展现状

　　早在20世纪50年代，国外就开展了公路隧道照明技术的研究，至今已有六十余年。诸多国家经过不断的探索与创新，其高速公路隧道照明技术已经相当成熟。当时间发展至现代，国外发达国家隧道照明系统渐渐从高科技智能向可持续人性化方面发展。仅东欧各国，高速公路隧道已经普遍开始使用“二次配光”和“逆光照明”技术。在充分利用光源的同时，节约了电力能源与照明工具等资源。在照明工具选择上，欧美等发达国家摒弃了高压钠灯，转而使用光纤维隧道灯、电子感应无极灯等新型设备。

　　1.2　国内发展现状

　　国内隧道照明系统发展起步较晚，虽然当前时代下，我国公路隧道发展势头十分迅猛，但依旧比不上国外成熟的技术与理念。差距不仅表现在技术与经验上，基础性的工程建设也存在一定的不足。我国于2000年1月颁布了《公路隧道通风照明设计规范》，详细规定了隧道调光分级、光源分级、总均匀度以及灯具布置等。但是由于最近几年电能资源浪费极为严重，有关部门已经开始广泛关注隧道照明系统节能设计问题。我国在深入研究理论的同时，在高速公路隧道建设中也运用了相应的节能设计，例如广东龙头山隧道、河北司马台隧道、安徽前家山隧道等已先后将LED灯与无极调光技术应用于公路隧道照明中。

　　1.3　高速公路隧道照明发展趋势

　　高速公路隧道照明质量影响着行车安全，多年以来，高速公路隧道建设者们一直将照明质量作为工程设计的核心内容与研究重点，却忽视了能源浪费问题。因此，我国现阶段高速公路隧道照明系统在保证行车安全的前提下，进行节能降耗设计是公路隧道照明系统发展的必然要求，人性化、经济化、科学化是照明技术发展以及社会发展的必然趋势。

高速公路隧道照明系统设计方案

　　2.1　高速公路隧道照明系统的特点

　　高速公路大体上是半封闭空间，空间内部由特殊管状结构构成。这种设计容易造成隧道内外交通环境差别过大，导致车辆通过隧道时产生明暗交替，影响行车视觉。所以，以隧道通行安全性与运行环境舒适性为前提，高速公路隧道设计过程中需要综合考虑影响照明质量的因素，例如闪烁现象、亮度均匀、视觉特效、路面亮度等。根据国际照明委员会规定，高速公路隧道在设计过程中需要考虑到驾驶员的暗适应、明适应能力。因此可以将隧道照明分为五个部分：接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段。如图2所示：

　　图2　隧道分段图

　　2.2　高速公路隧道照明系统节能设计要求

　　2.2.1　接近段设计。接近段作为接近隧道洞口的一段道路，主要起到对驾驶员视觉初步调解作用。接近段空间亮度接近洞外亮度，所以不需要设置照明。一般情况下，接近段路基两侧会种植大量树木或设置百叶天棚、断墙洞口等减光措施。该设计目的在于减弱“黑洞”效应，节省能源。

　　2.2.2　入口段设计。高速公路隧道洞口第一段路便是入口段，该路段光照设计目的在于消除“黑洞”效应对驾驶员的影响，避免交通事故的发生，并起到一定优化节能作用。根据《公路隧道通风照明设计规范》规定K值计算法计算亮度，即：Lth＝L20（S）·K

　　2.2.3　过渡段设计。车辆经过入口段后，隧道照明亮度便会渐渐降至中间段照明水平，这个过程中照明由亮变暗的区域被称为过渡段。过渡段照明设计目的在于帮助驾驶员适应较低亮度，克服“适应滞后”效应。

　　根据《公路隧道通风照明设计规范》规定，过渡段共有TR1、TR2、TR3三段，过渡段长度根据隧道设计最高时速，并依照CIE适应曲线函数进行计算，即：

　　Ltr＝Lth*（1.9＋t）1.4

　　2.2.4 中间段设计。高速公路隧道最长的一段道路即为中间段，驾驶员经过之前三段道路后已经完全适应隧道内照明程度，所以中间段照明为基本照明。《公路隧道通风照明设计规范》规定高速公路隧道中间段最低亮度要求为2.5cd/m2。一般情况下，中间段照明亮度设计按表1设计取值即可。

　　2.2.5　出口段设计。出口段作为高速公路隧道最后一段道路，通过该路段适应时间较短，所以在出口段照明设计上应以消除“白洞”效应为主。根据《公路隧道通风照明设计规范》相关规定，出口段亮度应为中间段照明亮度5倍，长度取值60m。

高速公路隧道节能控制系统设计

　　3.1　主程序设计

　　高速公路隧道节能控制系统设计核心在于为车辆提供按需照明，并以此为基础，实现高速公路隧道照明系统节能控制。具体流程为：开启主程序并进行开机自检，排除组件故障，在系统运行正常情况下开始系统初始化；当系统存在异常时，先对系统进行故障修理，并退出主程序。节能控制系统完成自检与初始化过程后，即可开始正常运行，主程序将通过脉冲信号预估车辆行驶速度，并运用数据云对车辆位置进行模拟，保证系统误差控制在1%以内，以误差修正后的车辆位置作为启动区域，开始照明调节，具体流程如图3所示：

　　图3　高速公路隧道照明节能控制系统主流程图

　　3.2　车辆位置云模拟系统计算

　　云模拟系统是控制高速公路隧道照明系统节能程序的核心部分，程序系统将采集到的车辆位置信息传至DSP，在车辆位置预估程序完成数据处理后，交由TMS320F/28035发送至继电器输入端，从而完成照明控制。高速公路隧道照明节能控制系统车辆位置估计程序具体流程如图4所示。

　　图4　车辆位置估计程序流程图

　　3.3　高速公路隧道照明控制程序设计

　　本系统将继电器控作为控制核心，通过系统前端所采集到的车辆经过DSP处理后位置数据，发出对应动作控制照明灯具。当接收到的控制信号输出为低电平时，继电器将断开，反之，继电器则吸合。