中國公路學(xué)會(huì )隧道工程分會(huì )理事長(cháng)蔣樹(shù)屏在2016年全國公路隧道學(xué)術(shù)年會(huì )報告中提及我國公路隧道建成達12683.9 km，同比增長(cháng)15.2 %位居世界第一。如何提高公路隧道照明的安全舒適性及降低運營(yíng)成本,已成為相關(guān)部門(mén)的關(guān)注焦點(diǎn)，采用高效節能技術(shù)減少能耗實(shí)現“按需照明”已迫在眉捷，為了更好地提高照明質(zhì)量及確保行車(chē)安全與舒適性，具有高效節能及更易于控制的LED（light emitting diode，LED）在照明中得到大量推廣應用，LED與智能控制技術(shù)的結合應用將實(shí)現“因需智變，節能升級”的效率提升。
我國交通運輸公路網(wǎng)四通八達，駕車(chē)出行的舒適性受到人們越來(lái)越多的關(guān)注，如何讓駕駛員在通過(guò)隧道時(shí)從明亮進(jìn)入黑暗再到明亮的過(guò)程更舒適，是體現照明設計師對隧道照明方案設計優(yōu)劣的最好詮釋。隧道照明控制系統由控制中心將1組或多組局域網(wǎng)點(diǎn)的可編程控制器進(jìn)行組網(wǎng)，單元可編程控制器管控該組隧道照明燈具的調控，系統的環(huán)境信息探測器采集洞內外環(huán)境信息及過(guò)往車(chē)輛信息，應用光纖網(wǎng)絡(luò )將相應信息傳送至控制中心服務(wù)器處理后，再將調光指令傳輸到隧道各段的LED隧道燈具進(jìn)行調光控制。為保證執行調光指令后的亮度能達到要求值，通過(guò)對隧道內照度實(shí)時(shí)探測不能達到照明要求時(shí)，控制中心根據探測信息進(jìn)行調光處理，使照明亮度能達到隧道照明質(zhì)量要求，以保證車(chē)輛的行駛安全。
公路隧道主要分為城市隧道、山嶺隧道和水下隧道等類(lèi)型，由于我國地理條件的特殊性造成隧道施工難度高，加之雙向行車(chē)燈相互干擾的原因，多數隧道采用單向行車(chē)設計方案。通常隧道入口段、過(guò)渡段、中間段及出口段的照明需求及質(zhì)量不盡相同，白天時(shí)照度由隧道的入口向中間段逐級遞減，中間段到出口段的照度則逐級增加。隨著(zhù)人們對“通透率”和“中間視覺(jué)”的高度關(guān)注,以及LED、智能控制和無(wú)線(xiàn)傳輸等新技術(shù)應用，將促進(jìn)隧道照明質(zhì)量變得更加舒適與節能，隧道照明應結合公路等級、隧道長(cháng)度、設計速度、交通量和當地天氣等條件進(jìn)行設計，應符合中華人民共和國交通運輸部（Ministry of Transport of the People's Republic of China，MOT）發(fā)布的行業(yè)標準JTG/T D70/2-01-2014《公路隧道照明設計細則》相應要求。
隧道照明多采用時(shí)序控制法，通過(guò)控制不同回路增減照明燈具數量來(lái)達到控制目的,具有創(chuàng )新技術(shù)應用的“LED+智能”照明系統由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、環(huán)境信息探測、車(chē)輛行為探測、供電監控、照度監測、亮度調控、通信網(wǎng)絡(luò )和LED燈具組成架構如圖1。在車(chē)流量較大時(shí)，該系統根據協(xié)議的開(kāi)放性應用基于現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（Fieldbus Control System，FCS）對LED燈具進(jìn)行無(wú)極調光管理，經(jīng)多個(gè)隧道照明案例比對證明，其節能效率明顯高于分級調光方案。
“LED+智能”照明系統的環(huán)境信息采集器和車(chē)輛行為感知器采集隧道內外的亮度、行車(chē)速度及車(chē)流量信息，照度探測器實(shí)時(shí)監測隧道內的照度，監控探測器對隧道內燈具的工作狀態(tài)、車(chē)輛發(fā)生事故停留或發(fā)生火災等情況進(jìn)行全面監控，系統通信采用光纖、電力線(xiàn)載波或無(wú)線(xiàn)傳輸（Wireless transmission）等方式進(jìn)行組網(wǎng)，保證設備及站點(diǎn)之間數據可靠及穩定傳輸，確?？刂浦行目蓪?shí)時(shí)了解照明情況與路況的信息?？刂浦行母鶕鄳O測數據通過(guò)系統運算處理后對各子系統發(fā)布調控指令，隧道照明系統根據指令對照明模式及亮度等級進(jìn)行調節來(lái)滿(mǎn)足照明需求。
LED隧道燈的控制裝置一般采用恒流、恒壓或恒功率控制，往往達不到理想的控制精度，通常還會(huì )采用微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）作為管理模塊，將時(shí)控、溫控、光控、均流、軟啟動(dòng)等技術(shù)集成實(shí)現智能控制，并按隧道管理方案預留DALI、脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）和0-10V調光等智能控制接口，多個(gè)隧道照明案例證明，應用0-10V調光方案具有調光范圍廣、電源效率高及信號傳輸穩定等優(yōu)點(diǎn),并得到大量推廣使用，采用LED隧道燈具的控制裝置及智能控制模塊工作原理如圖2。
在隧道入口、過(guò)度段和出口設置加強照明，是為了消除駕駛員出入隧道引起“黑洞效應”和“視覺(jué)適應滯后”等視覺(jué)現象，在夜晚或隧道內外亮度差較小的時(shí)間段關(guān)閉加強照明，避免眩光及消除安全隱患。隧道照明方案設計時(shí)應根據隧道高度及車(chē)道數量來(lái)確定布燈方式，典型的隧道照明按中線(xiàn)、兩側交錯或兩側對稱(chēng)布置燈具，投光方向可根據燈具配光特點(diǎn)進(jìn)行角度調整，整體照明梯度呈“U型”分布更符合人們的視覺(jué)特性滿(mǎn)足隧道照明需求。燈具按功能分為白日燈、黃昏燈、全日燈、夜燈和應急燈，在不同條件下配合應用來(lái)滿(mǎn)足隧道照明需求，并應用智能控制系統來(lái)管理隧道內外亮度差異，保證隧道行車(chē)照度達到最佳節能效果。
基于隧道照明應用條件的特殊性，LED隧道燈具應符合GB 7000.203-2013《燈具 第2-3部分：特殊要求 道路與街路照明燈具》相應要求，典型的LED隧道燈具采用模組化結構設計，光學(xué)透鏡與本體之間采用抗老化硅橡膠圈密封，確保燈具達到IP65及以上的防護等級，燈具符合投影面積承受150 km/h的風(fēng)速而無(wú)過(guò)度變形的抗風(fēng)壓強度要求，LED模組采用翅片自然對流散熱結構，表面納米涂層處理來(lái)增強熱輻射，光學(xué)透鏡根據安裝方式采用對稱(chēng)或非對稱(chēng)曲面控制網(wǎng)格的節點(diǎn)法線(xiàn)矢量匹配法進(jìn)行二次光學(xué)設計，以保證燈具的照度及均勻度滿(mǎn)足JTG/T D70/2-01-2014行業(yè)標準相應章節要求。
國內隧道照明采用的隧道燈具應使用通過(guò)國家3C強制認證的控制裝置，燈具的安全應符合國家標準GB 7000.203-2013和GB 7000.1-2015《燈具 第1部分：一般要求與試驗》相應要求。電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）應符合相應國家標準要求，無(wú)線(xiàn)電騷擾特性符合GB 17743-2007《電氣照明和類(lèi)似設備的無(wú)線(xiàn)電騷擾特性的限值和測量方法》標準要求，電磁兼容抗擾度符合GB/T 18595-2014《一般照明用設備電磁兼容抗擾度要求》標準要求，諧波電流發(fā)射限值符合GB 17625.1-2012《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值（設備每相電流輸入≤16A）》標準要求。隧道照明質(zhì)量應滿(mǎn)足行業(yè)標準CJJ 45-2015《城市道路照明設計標準》和JTG/T D70/2-01-2014的相應要求。
照明功率密度（Lighting Power Density，LPD）指單位面積上安裝的所有照明燈的功率之和，并包含控制裝置及控制器的消耗功率。行業(yè)標準CJJ 45-2015第7.1條對LPD進(jìn)行了相應要求，LPD與照明節能指標有著(zhù)緊密聯(lián)系，隧道不同路段的LPD要求有所不同，還應考慮設計交通量與車(chē)速等因素，在滿(mǎn)足照明要求的基礎上，首選光色易于調控及高效節能的LED燈來(lái)降低隧道照明LPD。
2.3.1可見(jiàn)度
可見(jiàn)度是反映正常視力的人眼能夠看清楚目標輪廓的難易程度，可見(jiàn)度受隧道背景亮度和臨近環(huán)境對人眼視覺(jué)的綜合影響，是反映隧道照明質(zhì)量的綜合性的評價(jià)指標之一?？梢?jiàn)度與隧道內墻面亮度、路面亮度和閃爍頻率等條件有關(guān)，直接影響駕駛員辨識物體的難易程度，體現隧道內可見(jiàn)度與照明質(zhì)量的關(guān)系，也是隧道行車(chē)視覺(jué)感受的重要指標。
2.3.2反應時(shí)間
公路隧道內交通事故的發(fā)生與駕駛員的反應時(shí)間有著(zhù)密切聯(lián)系，反應時(shí)間指駕駛員從看見(jiàn)障礙物到采取處理措施的時(shí)間。相關(guān)研究表明，反應時(shí)間與環(huán)境亮度具有直接的相關(guān)性，環(huán)境亮度不同，人的反應時(shí)間也不同，駕駛員在隧道中的反應時(shí)間除了受環(huán)境亮度影響外，還受照明燈具分布的影響，隧道照明設計應當從這些方面考慮如何有效地縮短駕駛員的反應時(shí)間，以降低交通事故的發(fā)生頻率。
2.3.3亮度均勻度
亮度均勻度（brightness uniformity）指隧道路面上最小亮度與平均亮度的比值，縱向亮度均勻度是指在車(chē)道軸線(xiàn)上最小路面亮度與最大路面亮度的比值。隧道照明方案設計時(shí)應使用DIALux軟件建模仿真，燈具配光及仿真隧道過(guò)渡段的亮度均勻度如圖3，確保隧道的各段照明低亮度及均勻度符合JTG/T D70/2-02-2014行業(yè)標準相應要求。如果視場(chǎng)亮度及均勻度過(guò)低，亮的部分就會(huì )形成眩光，且亮暗的變化會(huì )帶來(lái)頻閃效應，讓駕駛員的視覺(jué)效果會(huì )變差及加重視覺(jué)疲勞。當隧道路面連續且反復出現亮帶及暗帶形成的“斑馬效應”讓駕駛員感到十分煩躁，通常以縱向均勻度來(lái)評價(jià)“斑馬效應”的程度，該現象嚴重的將危及行車(chē)安全。
2.3.4眩光
眩光（Dazzle）是視場(chǎng)中極端的亮度對比，使人的視覺(jué)功能下降或眼睛感到不適，在隧道中的眩光可能來(lái)自照明燈具及出口高亮度等，眩光會(huì )讓人對障礙物辨認能力下降，嚴重的眩光將危及車(chē)輛行車(chē)安全，隧道照明設計時(shí)應根據環(huán)境條件和布燈方案選擇合適的配光設計燈具來(lái)避免眩光。國際照明委員會(huì )（International Commission on illumination，CIE）發(fā)布的國際標準CIE 31-1976《道路照明裝置的眩光和均勻性》針對眩光采用相對閾值增量(threshold increment，TI)來(lái)限定因眩光造成視力功能下降的失能眩光。歐盟標準化委員會(huì )的CR 14380法案針對隧道照明失能眩光進(jìn)行相應規定，當白天隧道閾值段和中間段及夜間整個(gè)隧道的TI必須小于15 %。我國行業(yè)標準CJJ 45-2015對眩光進(jìn)行了定義及要求，具體參見(jiàn)該標準的7.1條。[8]
2.3.5頻閃效應
頻閃效應（stroboscopic effect）是在以一定頻率變化的光照下，觀(guān)察到的物體運動(dòng)呈現出靜止或不同于其實(shí)際運動(dòng)狀態(tài)的現象。燈的光學(xué)設計、布燈排列不連續、亮度差異大和明暗變化都會(huì )形成頻閃效應，讓駕駛員不停地受到明暗變化的刺激而產(chǎn)生煩亂的心情。正常情況下，頻閃的頻率小于2.5 Hz與大于15 Hz時(shí)所帶來(lái)的頻閃是可接受的。在照明方案設計時(shí)應考慮選擇適當的燈具安裝間距，隧道內燈具的安裝間距為4 m，行車(chē)時(shí)速為60 km/h時(shí)，頻閃的頻率約為4.2 Hz，當頻閃的頻率在4～11 Hz之間及持續時(shí)間超過(guò)20 s時(shí)，駕駛員就會(huì )感到不適。
隧道電力負荷應符合MOT 發(fā)布的行業(yè)標準JTG/T D71-2004《公路隧道交通工程設計規范》的相應要求，對供電可靠性與中斷供電在社會(huì )及經(jīng)濟上所造成的影響或損失程度來(lái)確定負荷等級，其中消防水泵、排煙風(fēng)機、火災檢測、報警、應急照明、控制設施和基本照明均使用一級負荷；機電設備則采用二級負荷；其余動(dòng)力與照明用電都采用三級負荷方案。管理方應定期對隧道內外的電力、照明、通風(fēng)和消防等設施進(jìn)行檢查，確保供電穩定來(lái)保證隧道內行車(chē)安全。
隧道入口及過(guò)渡段的照明亮度取值與隧道外的亮度具有直接關(guān)聯(lián)，隧道照明設計時(shí)在隧道口設置減光措施，降低隧道入口及過(guò)渡段與外部亮度差，在接近段路基的兩側種植常青樹(shù)，對隧道內墻面進(jìn)行暗化及冷色調處理，坡面進(jìn)行大幅綠化及采用削竹式隧道口方案，在與天空面積比不小于50 %的隧道口進(jìn)行間隔遮陽(yáng)，隧道口增加減光設施來(lái)確保隧道行車(chē)安全。
公路隧道照明按照具體情況以及最不利條件進(jìn)行設計，應優(yōu)化隧道照明調光和運營(yíng)管理的最佳方案，制訂符合隧道特征的照明系統管理方案。引入專(zhuān)業(yè)的評估機構對隧道在照陰天、重陰天、云天、下雨天、晴天和夜間等環(huán)境條件下的照明需求基準，并模擬交通量的變化等多種狀況下進(jìn)行評估，確保隧道照明系統多模式調光方案合理及可靠運行。
傳統隧道照明采用的高壓鈉燈為全周光譜，燈具設計時(shí)需利用漫散射罩折射燈光來(lái)滿(mǎn)足照明配光，新型固態(tài)LED光源具有壽命長(cháng)、效率高、能耗低和易調控等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)光角度可按照應用需求設計，燈具設計時(shí)利用光學(xué)透鏡來(lái)提高光的利用率，加上“LED+智能”照明系統在公路隧道照明的推廣應用，以及系統管理的便捷性及操作簡(jiǎn)單化，為L(cháng)ED隧道燈具在公路隧道照明中得到大量應用創(chuàng )造了契機，以“標準化、智能化、低成本化、多元化” 為基準促進(jìn)公路隧道智能照明的創(chuàng )新應用。在隧道運營(yíng)安全與照明能耗大的日益突出當下，為了確保照明質(zhì)量與安全的提升和降低能源消耗，近年國內多條高速主干道及典型隧道照明均采用“LED+智能”照明系統方案，運營(yíng)能耗和維護成本明顯下降，同時(shí)也帶動(dòng)使用高壓鈉燈的隧道照明逐步更換為L(cháng)ED隧道燈具，具有高效節能的“LED+智能”照明系統在隧道照明中將得到大量推廣應用。
隧道照明是交通運輸能源消耗的重要部分，我國公路隧道里程在成倍增長(cháng)，隧道照明節能減排成效已成為行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)。通過(guò)將“LED+智能”在隧道照明的推廣應用，利用智能控制技術(shù)的優(yōu)勢對隧道照明節能優(yōu)化，在保障車(chē)輛行使安全的基礎上，降低照明能耗而產(chǎn)生顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。在隧道照明方案設計時(shí)，通過(guò)多學(xué)科技術(shù)結合應用及優(yōu)勢互補，發(fā)揮“LED+智能”的應用優(yōu)勢，有效促進(jìn)隧道照明的高效節能與健康發(fā)展。
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