来晓磊

（山西省交通建设工程监理有限责任公司，山西 太原 030012）

高速公路隧道是一个相对较为封闭环境，视线条件较差，相较于普通道路照明而言，隧道照明有着更高的要求。高速公路隧道照明除了满足基本的行车照明以外，还要规避白天车辆驾驶进入隧道和驶出隧道的亮度变化，可能导致驾驶人员出现视觉适应问题，影响到行车安全。高速公路隧道内照明系统如果无法进行智能调光，势必带来无效照明而浪费能源。基于此，为了保证高速公路隧道内安全行车，加强智慧照明系统的研究很有必要，引进现代化技术建立隧道智慧照明系统，达成节能减排目标，以便于带来更大的经济效益和社会效益。

1 工程概况

以某高速公路为例，采用双相四车道高速公路标准建设，设计速度为80 km/h，路基宽24.5 m。该高速公路隧道总长30.8 km。

2 高速公路隧道智慧照明系统设计

2.1 隧道照明方案设计

以上述高速公路上的某条隧道为例，隧道宽10.5 m，设计车速80 km/h，路面为复合式路面。公路隧道为单相双车道，具体包括引道照明、入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明几个部分[1]。该隧道洞外亮度为2 500 cd/m2，端墙式隧道洞外亮度3 000 cd/m2。结合隧道长度，设计车速、洞外亮度和隧道断面等参数予以设计。

2.2 隧道智慧照明控制系统设计

就隧道智慧照明系统来看，其中组成部分较为多样，包括以下几个方面：

a）环境信息感知设备。环境信息感知设备中包括洞内、外光强检测器、洞内CO/VI 检测仪和洞内能见度仪。洞内、外光强检测器主要负责收集洞内外的亮度值和照度值，经由PLC 控制器传输到照明监控工作站，根据设计规范确定隧道各段亮度；洞内光强检测器收集洞内照度值。而洞内能见度仪和洞内CO/VI 检测仪，收集洞内、外能见度相关参数，经过隧道照明监控工作站存储和分析，结合计算结果进行相应的操作[2]。

b）车辆行为感知设备。车辆行为感知设备包括数字微波车辆检测器和红外探测器。车辆检测包括4 组，1 组负责车辆有无和车速信息输出，在信号控制下促使隧道照明系统正常照明或节能模式切换；2 组负责车辆有误信息输出，是隧道智慧照明的保险；3 组负责监测驶入隧道的车辆是否驶出；4 组负责隧道内车辆是否通过入口段和过渡段，长隧道的车辆驶离入口段和过渡段，没有新车辆进入隧道后，隧道智慧照明系统则调整到节能模式，满足节能减排需要[3]。

在隧道各段中，部分隧道距离桥梁位置较近，可能会对车辆行为检测传感器布设位置带来影响，根据规定来动态调整实际安装位置。

c）照度实时监测设备。照度实时监测设备中包括洞内光强检测器和洞内摄像机。隧道内监控摄像机，负责对隧道全面监控，将采集得到的隧道内部图像传输到照明监控工作站；安装洞内光强检测器，负责收集隧道内路面照度数值。照明监控工作站负责采集隧道内部图像数据，实现隧道内部路面图像灰度归一化；洞内光强检测器结合标准来检测隧道内照度，将路面图像灰度转变为照度，实现隧道内部照度不均匀测量，保证路面照度均匀[4]。

d）通信设备。通信设备由节点型远端光端机、工业以太网交换机、环网型远端光端机、节点型局端光端机和环网型局端光端机等多种部分构成。工业以太网交换机用于传输传感器采集的信息到变电所照明监控工作站；节点型光端机负责传感器采集图像信息传输到变电所照明监控工作站；环网型数据光端机则用于调光控制器的指令传输给相应的调光控制器，动态调整灯具亮度[5]。调光指令通过调光控制器转换为脉冲信号，依托于PWM调光方式来调整隧道内各段灯具亮度，满足隧道内照明需要同时，降低电能损耗。

e）隧道照明设备。借助专业的隧道LED 灯具，负责调整隧道内各段灯具的照明亮度。

f）调光控制设备。调光控制设备中，由局端调光控制器将调控指令传输给远端调光控制器，转化成对应的脉冲信号，依托于PWM调光方式来调整隧道内各段灯具亮度。局部调光控制器接收变电所照明监控工作站发布的调光指令，是工作站和各段灯具之间的连接纽带[6]。

g）照明监控工作站。借助专门的变电所隧道照明监控软件来保证照明监控工作站运行，光网络收集传感器和照度相关数值信息，将调节指令传输给局端调光控制器，局端调光控制器将控制信号依托光纤环网传输指令给远端调光控制器，动态调整隧道内各段灯具亮度。照明监控工作站在运行期间，管理人员可以通过隧道照明监控软件来选择合理的隧道智慧照明运行模式，调节隧道内各段灯具照明参数[7]。同时，还可以实现对隧道内智慧照明系统运行情况全面监控，一旦发现异常情况可以及时调整，以便于满足隧道内照明需要同时，降低电能损耗。

2.3 隧道照明灯具布设

高速公路隧道内的照明灯具布设包括基本照明、加强照明和应急照明。通常情况下，隧道内灯具布设以两侧对称布设方式为主，安装高度大概5.5 m左右。如果是高速公路两车道隧道，可以适当降低安装高度，提升路面照度[8]。需要注意的是，灯具安装应该综合考量与其他灯具之间的距离，寻求合理的防眩措施来控制灯具的频闪效果。灯具结构以条形为主，表面光强过渡平缓下，严格控制灯具安装间距，避免受到闪烁频率影响。

a）隧道基本照明。借助30 W LED 隧道等为隧道提供基本照明，灯具间距9 m，可以满足高速公路隧道昼夜照明需要。

b）加强照明。主要设置在隧道入口段、过渡段和出口段，在隧道洞口顶端高度5 m 处安装加强照明灯具[9]。

c）应急照明。高速公路隧道应急照明，主要是为了规避突发停电事故影响到隧道行车安全，如果隧道全长超过1 000 m 需要设置应急照明，24 h 全亮。应急照明亮度是基本照明1/4 左右，备用时间在90 min以上，可以使用耐火电缆配电到应急灯。

3 高速公路隧道智慧照明关键技术

3.1 亮度实时监测技术

高速公路隧道智慧照明系统中，亮度实时监测技术十分关键，主要是借助图像处理软件来计算路面实际亮度，为闭环反馈系统输入信息，便于后续管理人员管理隧道。隧道内车辆检测模块借助监控摄像机实现，如果发现监控路段上没有车辆，则开始计算路面实际亮度，避免路面行车影响到检测结果精准度。使用霍夫变换检测无车图像隧道路面两侧标志线，提取路面标志线，动态调整和校正路面图像灰度和距离，保证路面图像灰度值归一化。洞内光强检测器对隧道路面某点亮度读数为标准灰度转化为实际亮度，精准计算隧道内亮度和照度。

3.2 隧道内能见度修正亮度

借助线圈车辆检测器、洞内、外光强检测器和红外探测器来计算隧道内车流量、洞内外亮度和车速，依托于CO/VI 检测器动态调整隧道内亮度，确定隧道统一的亮度值；借助亮度实时监测系统来计算隧道内亮度，仅经由PID 来自适应隧道路面所需亮度，调整隧道亮度值，满足灯具运行功率需要[10]。

3.3 隧道智慧照明调光措施

a）自动调光控制模式。此种模式是隧道智慧照明系统的主要调光控制模式，由变电所照明监控工作站来收集传感器采集的图像数据，包括车流量、车速、车辆油污、各个路段实时照度和洞内外亮度等信息，借助专门的隧道照明监控软件对数据检测和处理。变电所隧道照明监控软件的运行，以车辆行为传感器和环境信息感知传感器采集数据为依据，确定各个路段理论亮度值；以照度实时监测摄像机采集信息为依据，计算高速公路隧道内路面的实际照度值，来分析理论和实际的差异情况；理论亮度值和实际照度值通过PID 调节模块输入，动态调节和控制照明灯具的亮度变化，满足隧道内照度需要。变电所照明监控工作站，借助专门软件需要加工计算得到的亮度值和调光指令传输给局端调光控制器，然后调光控制器将调光指令下达到各个远端调光控制器，脉冲信号以PWM调光方式动态调整灯具亮度。

b）时序控制模式。此种模式主要是依据不同时间段来调整隧道内灯具亮度，包括早上、上午、正午、下午、黄昏以及深夜等时间段。隧道内如果无车行驶，则转变为低能耗模式。

c）手动控制模式。检测车辆速度和车辆有无信息，结合不同时间段、天气情况来手动调节照明系统，确定隧道各段照明回路。

4 结论

综上所述，高速公路隧道智慧照明系统的设计，需要充分结合不同公路隧道特点，系统化分析来确定隧道相关参数，把握关键技术和调光措施，在满足高速公路隧道照明需要的同时，满足节能减耗需要，提升高速公路运行效益。