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摘要隧道照明成了公路运营单位的沉重经济负担。而为节约隧道照明费用，减少电费支出，国内部分隧道，出现了运营管理部门关闭部分隧道灯，或关闭一侧灯光的现象，严重影响安全行车。如何解决安全行车与节约能源之间的矛盾？达到“安全行车与高效节能的完美结合”，是摆在当前隧道管理者、建设者、运营者面前一项急需解决的重大任务。隧道照明调光技术的应用解决了上述问题。
关键词LED 照明 公路隧道 节能 调光
中图分类号： U459.2 文献标识码： A 文章编号：
1 前言
交通运输行业是国家确定的节能减排的重点行业之一，国务院明确要求加快建设以低碳排放为特征的交通运输体系，发展资源节约型、环境友好型交通行业。作为交通领域节能减排重点，隧道节能备受社会关注。
以湖南省某3km长高速公路隧道为例，其照明总功率接近300kw，按照每天有一半左右的灯工作，电费按0.6元/度计算（实际电价还在不断升高），每年的电费大约是80万元，每天平均是2160元，如果将3km的隧道折算成多座中短隧道，例如换成10座300m的隧道，由于这些隧道主要都是加强照明，其照明总功率接近1400kw，按照每天有一半左右的灯工作，电费按0.6元/度计算，每年的电费大约是307万元，每天平均是8400元，电费的支出将更是惊人。
隧道照明成了困扰公路运营单位的沉重经济负担。而为节约隧道照明费用，减少电费支出，国内部分隧道，特别是刚建成通车且车流量不大的高速公路隧道，出现了运营管理部门关闭部分隧道灯，或关闭一侧灯光，甚至全部关闭的极端现象，严重影响安全行车。如何解决安全行车与节约能源之间的矛盾，达到“安全行车与高效节能的完美结合”，是摆在当前隧道管理者、建设者、运营者面前一项急需解决的重大任务。
2 隧道照明光源
隧道照明中一般选用的光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯和高压汞灯以及新兴的LED灯等。隧道常用光源性能对比如下表所示
从表格数据得出LED灯具有显色性好，色温高，寿命长，电源效率高，光效出众的优势，可见LED灯具作为隧道灯具具备先天的优势。
3 隧道照明节能控制方式
3.1 隧道照明节能控制一般原理
隧道照明最根本的要求是:满足司机视觉要求，满足人眼适应曲线。
隧道照明节能控制原理，即是在一定隧道条件下，不同运营工况及外部环境条件下最优计算隧道照明需求并实时精确控制照明输出的方法。这主要包含了两个方面的内容：一是，照明需求的最优化计算；二是，实时精确的照明控制输出。
“照明需求的最优化计算”实际是要满足规范的要求，是对现有规范的执行。设计中以交通量、车速参数为基础，设计参数一般考虑了远期的照明需求，目前也有采用分期實施的做法。
“实时精确的照明控制输出”实际是理论与实际的有效结合，实现一种结构简单、可靠性高、性价比高、控制精度高照明系统。
实时精确的照明控制输出对于节能的一般原理，如下图示(x 轴时间T，y 轴亮度需求L)。传统的分级控制方式（曲线C1）照明亮度等级少，控制响应及调整频率低，造成能源浪费。动态调光方式整个照明控制输出接近平滑曲线，可以快速响应跟踪照明需求曲线，可以得到最优的控制效果并能够达到节能的目的。
Q 照明计算需求曲线，C1 传统分级照明供给控制曲线，C2 节能照明控制供给控制曲线
3.2 隧道照明节能控制方法
1) 传统的回路分级节能控制
在隧道设计时，采用规范中的算法表计算所需的调光回路；属于静态控制，即只能按固定模式进行控制，主要根据人工或者传感器反馈的固定阙值来进行判断。
具体做法分为两个部分，一部分是对于隧道口部照明的控制，根据室外亮度检测装置，对隧道口部加强照明灯具经行部分关闭，来降低隧道口部的亮度。
另一部分就是隧道基本照明灯具根据隧道的运营时段需要（白天、夜间、午夜）对基本照明灯具进行批量的关闭，以实现对亮度的控制。
2）智能化的亮度精确节能控制
在隧道设计时，按最高标准进行计算；属于动态控制，即能根据隧道的实时状态进行相应的精确亮度控制输出，控制范围从10%-100%，涵盖了任何参数的影响范围（各类参数的细小变化都能直接反应到控制结果上），并且能与其它机电系统进行联动控制（如消防系统联动应急照明）。
亮度节能控制方法现在主要有两种控制模式：
分级调光LED控制系统
无级调光LED控制系统
在亮度控制方法上建议采取无级调光方式，相比分级调光，无级调光在精确度上更高，更能满足环境参数变化范围大的隧道，节能优势更显著，控制方式更合理。
3.3．回路控制方式与智能化控制方式的对比
传统的回路控制方式之所以没有智能化的亮度控制方式节能、安全、高效，是因为：
a．洞外亮度指标固化，对适应季节、时间段变化方面不够灵活。
隧道加强照明标准值是根据隧道洞外亮度乘以一个系数得来的。以80km/h的双车道单向交通为例，若设计交通量大于等于2400辆/h时，其入口段的亮度折减系数为0.035。下图为不同的洞外亮度情况下加强照明能耗相对百分比，以4000 cd/㎡为100%。从图中可以看出，洞外亮度对隧道能耗影响相当大。这也给节能带来了相当大的空间。虽然在设计隧道照明时，我们要求按照夏天中午时的最大洞外亮度进行计算，并考虑到足够的冗余，以确保运营期间的每一天且灯具的亮度衰减到额定值的下限时，洞内照明强度依旧能够满足规范要求。但在实际运营期间，洞外亮度会随着天气、季节和时辰的不同而每时每刻都在变化，而且肯定不是一个固定数值，相关参数、要求也对应的在变换。
从上图我们也可以看出晴天分级调光系统与LED无级调光系统的调光功率、能耗对比。图中曲线上部的面积即为浪费的电能，它是实际需求能耗的三倍以上。即使是应用传统四级调光系统的LED灯，其晴天的能耗也是实际需求的2倍。
夜晚加强段的过度照明
对于东西走向的隧道而言，若入口位于隧道的东侧，则上午阳光照射到东面，使洞口亮度较高。午后东面山体转为阴暗面，洞外亮度急剧下降，这使得入口段加强照明的强度较上午又大幅减小。采用亮度智能无级控制后，洞内照明就会顺应下图的这种变化，其LED功耗夏至晴天照明能耗仅为钠灯的18%，冬至时仅为12%，节能高达80%以上。
b．设计维护系数和冗余所产生的电能浪费
通常在设计灯具功率时，必须考虑一定的维护系数，以确保运营过程中当光源亮度衰减和灯具受到污染而使亮度下降30%以上时，其照明强度依旧能够满足规范要求。在《公路隧道通风照明设计规范》中，维护系数取0.7。如某一隧道基本照明选用100W的灯具亮度刚好满足规范要求，则在实际设计时必须选用功率大于143W的灯具。即使这样，也还是会有风险，因为倘若光源光效稍微差一点，就有可能造成运营一段时间后亮度低于规范要求。因此为了确保隧道照明始终能够满足规范要求，通常设计时还需要考虑一定的设计冗余。一般在1.2倍左右。上面100W刚好满足的灯实际的设计功率应在170W左右才符合要求。在实际运营期间，如果单侧开灯，则亮度不够，如果双侧开灯，则过度照明现象严重，这是恒定亮度灯具的一大弊端。
夜晚的过度照明
如果采用LED亮度无级控制，即可有效地防止由于设计维护系数和冗余所产生的电能浪费现象。
c．隧道照明的分时、分路控制造成频闪效应的再次出现，严重影响安全
在设计隧道照明方案时，要考虑到人的明适应和暗适应因素，重视过渡空间和过渡照明的设计，避免频闪效应。但在实际隧道的设计中，隧道照明多采用分时、分路控制。在运营过程中，为节约能源或降低晚间的照明，往往会关闭部分照明，使得频闪效应再次出现，对行车的安全造成了威胁。
LED亮度智能无级控制系统采用的是无级智能单路控制，无须分路控制，且全天候总体照度调节，可根本上解决频闪效应的再次出现，实现减排的目的。
分路控制造成的照明不足和频闪影响行车安全
d．隧道照明灯具的质保期过短、更换频繁、日常维护费用高昂
荧光灯应用于隧道照明中，虽然新购灯具的费用相对较低，但一般情况下需隔年更换一次，最长也不过三年。有的隧道即使采用了LED灯具，因其全天候的满负荷（100%功率）工作，光衰较为明显、导致其不得不提前更换，且目前国内厂家的质保期多为18-24个月。灯具的频繁更换与当今节能低碳的主题不符。
LED亮度智能无级控制系统因是根据洞外亮度采用无级调光控制，60-80%的照明时间的功率仅为满负荷的40-50%，可大大延长发光体寿命，延迟光衰。故系统质保期为5年完全可以实现。
e、传统分级照明控制系统与智能无级调光照明控制系统对比表
4 智能无极调光控制方式更利于节能
智能无级调光控制系统较普通分级控制系统控制方式灵活，系统结构简单，全程自动控制，节能性能卓越。智能无级调光控制系统的优势主要体现在：
(1)由于隧道照明系统的加强照明功率能够根据洞外亮度实时调整，因此一年中只有夏天的中午灯具才接近满功率工作，大多数时间均在10%-60%的功率下工作，而基本照明的设计冗余留到远期再用，近期的工作功率也低于灯具的额定功率。这使得灯具和电源的长期工作温度非常低，不仅可大幅减少LED的光衰，还延长LED和电源的寿命。
(2)下半夜功率可同步減半，灯具配光特性保持不变，避免了关灯过多所产生的危及行车安全的频闪效应。
(3)系统设计简单、可靠，只须2个控制回路，一个基本照明回路和一个加强照明回路。且为保障安全，控制与供电系统在物理结构上分离，互不影响，当控制系统失效时，有5种冗余方案可供应急使用；最差的情况下，当控制系统整体瘫痪失灵，所有的照明设备将满功率工作，不会使隧道处于黑暗之中。
(4)当隧道未达到设计车流量时，可依据规范对洞内照明强度进行相应折减，折减量可根据需要任意设定，以确保在满足规范的前提下最大限度地节约电能，避免过度照明，使系统真正实现了设计师所追求的按需照明的设计理念。
(5)联动性强，可与其它子系统兼容并联动，完全达到建设机电一体化综合控制平台的要求。
(6)完全智能化的控制机制，可自适应调整控制方案，无需人工干预，可远程进行维护和监控，减少人工，提高管理效率。
隧道照明能耗浪费巨大，绝非照明设计的不合理。相反，隧道照明设计绝大多数都是合理的。归纳起来，电能浪费的根本原因在于：现有控制节能方式无法适应洞外亮度变化，光源光衰较大导致维护系数取值较低，传统及大部分LED灯具亮度无法控制使之不能实现按需照明以及精确的控制。因此，在公路隧道照明领域，采用亮度可控的灯具以及精确的控制方法是消除过度照明的最佳途径。
LED亮度智能无级控制系统应用于公路隧道照明，既可起到安全通行的目的，又可起到节能降耗的目的。
参考文献
[1] 中华人民共和国行业标准. JTJ 026.1—1999 《公路隧道通风照明设计规范》
作者简介
张瑞，男，1979年生，2003年毕业于西南交通大学电气工程及自动化专业，大学本科，工程师，现从事地下工程及隧道工程电气设计工作。
关键词LED 照明 公路隧道 节能 调光
中图分类号： U459.2 文献标识码： A 文章编号：
1 前言
交通运输行业是国家确定的节能减排的重点行业之一，国务院明确要求加快建设以低碳排放为特征的交通运输体系，发展资源节约型、环境友好型交通行业。作为交通领域节能减排重点，隧道节能备受社会关注。
以湖南省某3km长高速公路隧道为例，其照明总功率接近300kw，按照每天有一半左右的灯工作，电费按0.6元/度计算（实际电价还在不断升高），每年的电费大约是80万元，每天平均是2160元，如果将3km的隧道折算成多座中短隧道，例如换成10座300m的隧道，由于这些隧道主要都是加强照明，其照明总功率接近1400kw，按照每天有一半左右的灯工作，电费按0.6元/度计算，每年的电费大约是307万元，每天平均是8400元，电费的支出将更是惊人。
隧道照明成了困扰公路运营单位的沉重经济负担。而为节约隧道照明费用，减少电费支出，国内部分隧道，特别是刚建成通车且车流量不大的高速公路隧道，出现了运营管理部门关闭部分隧道灯，或关闭一侧灯光，甚至全部关闭的极端现象，严重影响安全行车。如何解决安全行车与节约能源之间的矛盾，达到“安全行车与高效节能的完美结合”，是摆在当前隧道管理者、建设者、运营者面前一项急需解决的重大任务。
2 隧道照明光源
隧道照明中一般选用的光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯和高压汞灯以及新兴的LED灯等。隧道常用光源性能对比如下表所示
从表格数据得出LED灯具有显色性好，色温高，寿命长，电源效率高，光效出众的优势，可见LED灯具作为隧道灯具具备先天的优势。
3 隧道照明节能控制方式
3.1 隧道照明节能控制一般原理
隧道照明最根本的要求是:满足司机视觉要求，满足人眼适应曲线。
隧道照明节能控制原理，即是在一定隧道条件下，不同运营工况及外部环境条件下最优计算隧道照明需求并实时精确控制照明输出的方法。这主要包含了两个方面的内容：一是，照明需求的最优化计算；二是，实时精确的照明控制输出。
“照明需求的最优化计算”实际是要满足规范的要求，是对现有规范的执行。设计中以交通量、车速参数为基础，设计参数一般考虑了远期的照明需求，目前也有采用分期實施的做法。
“实时精确的照明控制输出”实际是理论与实际的有效结合，实现一种结构简单、可靠性高、性价比高、控制精度高照明系统。
实时精确的照明控制输出对于节能的一般原理，如下图示(x 轴时间T，y 轴亮度需求L)。传统的分级控制方式（曲线C1）照明亮度等级少，控制响应及调整频率低，造成能源浪费。动态调光方式整个照明控制输出接近平滑曲线，可以快速响应跟踪照明需求曲线，可以得到最优的控制效果并能够达到节能的目的。
Q 照明计算需求曲线，C1 传统分级照明供给控制曲线，C2 节能照明控制供给控制曲线
3.2 隧道照明节能控制方法
1) 传统的回路分级节能控制
在隧道设计时，采用规范中的算法表计算所需的调光回路；属于静态控制，即只能按固定模式进行控制，主要根据人工或者传感器反馈的固定阙值来进行判断。
具体做法分为两个部分，一部分是对于隧道口部照明的控制，根据室外亮度检测装置，对隧道口部加强照明灯具经行部分关闭，来降低隧道口部的亮度。
另一部分就是隧道基本照明灯具根据隧道的运营时段需要（白天、夜间、午夜）对基本照明灯具进行批量的关闭，以实现对亮度的控制。
2）智能化的亮度精确节能控制
在隧道设计时，按最高标准进行计算；属于动态控制，即能根据隧道的实时状态进行相应的精确亮度控制输出，控制范围从10%-100%，涵盖了任何参数的影响范围（各类参数的细小变化都能直接反应到控制结果上），并且能与其它机电系统进行联动控制（如消防系统联动应急照明）。
亮度节能控制方法现在主要有两种控制模式：
分级调光LED控制系统
无级调光LED控制系统
在亮度控制方法上建议采取无级调光方式，相比分级调光，无级调光在精确度上更高，更能满足环境参数变化范围大的隧道，节能优势更显著，控制方式更合理。
3.3．回路控制方式与智能化控制方式的对比
传统的回路控制方式之所以没有智能化的亮度控制方式节能、安全、高效，是因为：
a．洞外亮度指标固化，对适应季节、时间段变化方面不够灵活。
隧道加强照明标准值是根据隧道洞外亮度乘以一个系数得来的。以80km/h的双车道单向交通为例，若设计交通量大于等于2400辆/h时，其入口段的亮度折减系数为0.035。下图为不同的洞外亮度情况下加强照明能耗相对百分比，以4000 cd/㎡为100%。从图中可以看出，洞外亮度对隧道能耗影响相当大。这也给节能带来了相当大的空间。虽然在设计隧道照明时，我们要求按照夏天中午时的最大洞外亮度进行计算，并考虑到足够的冗余，以确保运营期间的每一天且灯具的亮度衰减到额定值的下限时，洞内照明强度依旧能够满足规范要求。但在实际运营期间，洞外亮度会随着天气、季节和时辰的不同而每时每刻都在变化，而且肯定不是一个固定数值，相关参数、要求也对应的在变换。
从上图我们也可以看出晴天分级调光系统与LED无级调光系统的调光功率、能耗对比。图中曲线上部的面积即为浪费的电能，它是实际需求能耗的三倍以上。即使是应用传统四级调光系统的LED灯，其晴天的能耗也是实际需求的2倍。
夜晚加强段的过度照明
对于东西走向的隧道而言，若入口位于隧道的东侧，则上午阳光照射到东面，使洞口亮度较高。午后东面山体转为阴暗面，洞外亮度急剧下降，这使得入口段加强照明的强度较上午又大幅减小。采用亮度智能无级控制后，洞内照明就会顺应下图的这种变化，其LED功耗夏至晴天照明能耗仅为钠灯的18%，冬至时仅为12%，节能高达80%以上。
b．设计维护系数和冗余所产生的电能浪费
通常在设计灯具功率时，必须考虑一定的维护系数，以确保运营过程中当光源亮度衰减和灯具受到污染而使亮度下降30%以上时，其照明强度依旧能够满足规范要求。在《公路隧道通风照明设计规范》中，维护系数取0.7。如某一隧道基本照明选用100W的灯具亮度刚好满足规范要求，则在实际设计时必须选用功率大于143W的灯具。即使这样，也还是会有风险，因为倘若光源光效稍微差一点，就有可能造成运营一段时间后亮度低于规范要求。因此为了确保隧道照明始终能够满足规范要求，通常设计时还需要考虑一定的设计冗余。一般在1.2倍左右。上面100W刚好满足的灯实际的设计功率应在170W左右才符合要求。在实际运营期间，如果单侧开灯，则亮度不够，如果双侧开灯，则过度照明现象严重，这是恒定亮度灯具的一大弊端。
夜晚的过度照明
如果采用LED亮度无级控制，即可有效地防止由于设计维护系数和冗余所产生的电能浪费现象。
c．隧道照明的分时、分路控制造成频闪效应的再次出现，严重影响安全
在设计隧道照明方案时，要考虑到人的明适应和暗适应因素，重视过渡空间和过渡照明的设计，避免频闪效应。但在实际隧道的设计中，隧道照明多采用分时、分路控制。在运营过程中，为节约能源或降低晚间的照明，往往会关闭部分照明，使得频闪效应再次出现，对行车的安全造成了威胁。
LED亮度智能无级控制系统采用的是无级智能单路控制，无须分路控制，且全天候总体照度调节，可根本上解决频闪效应的再次出现，实现减排的目的。
分路控制造成的照明不足和频闪影响行车安全
d．隧道照明灯具的质保期过短、更换频繁、日常维护费用高昂
荧光灯应用于隧道照明中，虽然新购灯具的费用相对较低，但一般情况下需隔年更换一次，最长也不过三年。有的隧道即使采用了LED灯具，因其全天候的满负荷（100%功率）工作，光衰较为明显、导致其不得不提前更换，且目前国内厂家的质保期多为18-24个月。灯具的频繁更换与当今节能低碳的主题不符。
LED亮度智能无级控制系统因是根据洞外亮度采用无级调光控制，60-80%的照明时间的功率仅为满负荷的40-50%，可大大延长发光体寿命，延迟光衰。故系统质保期为5年完全可以实现。
e、传统分级照明控制系统与智能无级调光照明控制系统对比表
4 智能无极调光控制方式更利于节能
智能无级调光控制系统较普通分级控制系统控制方式灵活，系统结构简单，全程自动控制，节能性能卓越。智能无级调光控制系统的优势主要体现在：
(1)由于隧道照明系统的加强照明功率能够根据洞外亮度实时调整，因此一年中只有夏天的中午灯具才接近满功率工作，大多数时间均在10%-60%的功率下工作，而基本照明的设计冗余留到远期再用，近期的工作功率也低于灯具的额定功率。这使得灯具和电源的长期工作温度非常低，不仅可大幅减少LED的光衰，还延长LED和电源的寿命。
(2)下半夜功率可同步減半，灯具配光特性保持不变，避免了关灯过多所产生的危及行车安全的频闪效应。
(3)系统设计简单、可靠，只须2个控制回路，一个基本照明回路和一个加强照明回路。且为保障安全，控制与供电系统在物理结构上分离，互不影响，当控制系统失效时，有5种冗余方案可供应急使用；最差的情况下，当控制系统整体瘫痪失灵，所有的照明设备将满功率工作，不会使隧道处于黑暗之中。
(4)当隧道未达到设计车流量时，可依据规范对洞内照明强度进行相应折减，折减量可根据需要任意设定，以确保在满足规范的前提下最大限度地节约电能，避免过度照明，使系统真正实现了设计师所追求的按需照明的设计理念。
(5)联动性强，可与其它子系统兼容并联动，完全达到建设机电一体化综合控制平台的要求。
(6)完全智能化的控制机制，可自适应调整控制方案，无需人工干预，可远程进行维护和监控，减少人工，提高管理效率。
隧道照明能耗浪费巨大，绝非照明设计的不合理。相反，隧道照明设计绝大多数都是合理的。归纳起来，电能浪费的根本原因在于：现有控制节能方式无法适应洞外亮度变化，光源光衰较大导致维护系数取值较低，传统及大部分LED灯具亮度无法控制使之不能实现按需照明以及精确的控制。因此，在公路隧道照明领域，采用亮度可控的灯具以及精确的控制方法是消除过度照明的最佳途径。
LED亮度智能无级控制系统应用于公路隧道照明，既可起到安全通行的目的，又可起到节能降耗的目的。
参考文献
[1] 中华人民共和国行业标准. JTJ 026.1—1999 《公路隧道通风照明设计规范》
作者简介
张瑞，男，1979年生，2003年毕业于西南交通大学电气工程及自动化专业，大学本科，工程师，现从事地下工程及隧道工程电气设计工作。