楊 超，程 翠，徐一航

（華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013）

基于布燈參數優(yōu)化的隧道照明節(jié)能控制

楊 超，程 翠，徐一航

（華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013）

為了保證在行車安全的前提下最大程度地降低隧道照明能耗，提出了一種針對隧道中間段的照明節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以布燈參數優(yōu)化后的照明系統(tǒng)為基礎，根據實際車速、車流量確定隧道最小需求亮度，采用調光控制方法調節(jié)LED燈的功率，實現(xiàn)照明節(jié)能。以雁列山隧道為例，對參數優(yōu)化后的中央布燈照明系統(tǒng)進行節(jié)能控制，并與只進行優(yōu)化的照明系統(tǒng)和該隧道實際改造后的照明系統(tǒng)進行比較，結果表明，實行調光控制的照明系統(tǒng)比只進行優(yōu)化的照明系統(tǒng)至少節(jié)能38.8%，比實際改造后的電磁感應燈照明系統(tǒng)至少節(jié)能63.1%，節(jié)能效果非常顯著。利用Dialux對實行調光控制的照明系統(tǒng)進行了仿真，仿真結果表明，不同車速、車流量條件下的隧道路面最小照度、路面照度總均勻度和路面縱向照度均勻度均滿足交通要求。

隧道照明；節(jié)能控制；參數優(yōu)化；仿真

隧道照明是公路隧道運營安全的基本保障。根據我國《JTGJ D70/2-01-2014公路隧道照明設計細則》[1]，長度大于200 m的隧道和長度大于100 m的光學長隧道均應安裝照明設施，以便行駛車輛能以設定的行車速度安全地通過隧道。隧道照明系統(tǒng)也是隧道運營中的高能耗系統(tǒng)[2-4]，如何在確保行車安全的同時降低隧道照明能耗，成為隧道設計、建設和運營單位亟需解決的問題[5]。

國內外許多學者和研究人員在隧道照明節(jié)能方面進行了研究，在一定程度上能達到節(jié)能的效果。黃傳茂[6]以照明系統(tǒng)功耗最小為目標，分別建立了中央布燈、拱頂側偏布燈、對稱布燈、交錯布燈和逆光照明共5種布燈方式的布燈參數優(yōu)化模型，通過仿真實驗驗證了模型的正確性和節(jié)能的有效性；范士娟[7]建立了隧道中間段中央布燈方式的參數優(yōu)化模型，通過該優(yōu)化模型可得到最節(jié)能的布燈參數；文獻[6-7]都只是根據文獻[1]規(guī)定的設計車速和車流量進行布燈參數優(yōu)化，實現(xiàn)了照明節(jié)能，但當實際車速和車流量小于設計車速和車流量時，就存在過照明現(xiàn)象，從而造成電能浪費；帖智武[8]、馮嵐[9]通過控制技術對公路隧道照明系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能，但隧道照明控制系統(tǒng)分級程度低，無法根據洞外亮度、車流量等變量的變化自適應調整隧道照明系統(tǒng)，導致隧道各區(qū)段的照明燈具始終處于最大功率狀態(tài)，這種照明系統(tǒng)存在大量電能浪費問題；于東東[10]采用模糊神經網絡控制算法，根據隧道的車流量、車速以及洞外亮度動態(tài)調整隧道照明亮度，實現(xiàn)了照明節(jié)能；田軍[11]在模糊控制理論基礎上設計了隧道照明主控制器，用于接收隧道洞外亮度、車流量、車速等數據信息，并通過控制算法處理，輸出符合實際需求的隧道照明調光控制命令，從而實現(xiàn)照明節(jié)能；Lee，Choi[12]利用模糊控制方法，以隧道外部亮度、車速、交通量為輸入參數，提高了隧道照明系統(tǒng)能見度的同時實現(xiàn)了照明節(jié)能；Parise et al[13]設計了一種隧道照明控制系統(tǒng)，可根據隧道外部亮度、交通流量及氣候條件自動調整照明系統(tǒng)的光通量，改善了駕駛員的安全及舒適性，避免過度照明；Zhang[14]以環(huán)境信息、車輛信息和路面亮度為基礎，利用PID控制算法對隧道照明實現(xiàn)了智能控制。文獻[8-14]都是通過控制技術實現(xiàn)隧道照明節(jié)能，但沒有進行布燈參數節(jié)能優(yōu)化，無法實現(xiàn)照明節(jié)能的最大化。本文將以中間段中央布燈方式為例，在布燈參數優(yōu)化的基礎上，結合隧道照明無級調光控制，研究隧道照明的節(jié)能性。

1 隧道照明控制系統(tǒng)設計

1.1 隧道中間段照明要求

根據文獻[1]，隧道中間段所需最小亮度與車流量和車速的關系如表1所示?？梢钥吹?，如果隧道照明系統(tǒng)按照車速80 km/h、車流量≥1 200 veh/h設計，則當實際車速＜80 km/h、車流量＜1 200 veh/h時，路面實際所需亮度就會小于設計亮度，即所需燈具功率小于設計的燈具功率；如果仍然按照設計亮度進行照明，自然存在電能浪費。

表1 中間段亮度Tab.1 Interior zone luminance cd/m2

表1只給出了3個車流量范圍內設定車速下的路面亮度要求值，當車速在相鄰的兩個設定車速之間時，如60 km/h＜V＜80 km/h，需要采取插值的方式來計算所需路面亮度值。采取線性插值的方式，設在某車流量N下，相鄰的兩個設定車速V1和V2對應的亮度分別為L1和L2，則當車速V位于V1和V2之間時，隧道中間段的最小需求亮度按式（1）計算。

式中：L0為通隧道中間段的最小需求亮度，對于人與車混合通行的隧道，L0＝2.0 cd/m2，其余情況L0＝1.0 cd/m2。

1.2 隧道照明調光控制方案

本文研究的是隧道中間段，燈具全天24 h開啟。采用無級調光控制方式，運營中根據實測的路面最小照度值，調整燈具輸出功率，使隧道內照度始終可以滿足照明需求[15]。為保證公路隧道行車安全性和舒適性，調控LED燈照明亮度時，控制系統(tǒng)采用亮度漸變的控制模式，分步、逐級達到目標亮度，以避免亮度瞬間變化產生不安全影響[16]。

整個控制系統(tǒng)主要由車輛檢測器、亮度檢測器、照明控制計算機、中心控制器、調光控制器及LED燈組成，如圖1所示。在布燈參數優(yōu)化的基礎上，隧道入口段布置的車輛檢測器每隔一定時間統(tǒng)計/計算一次平均車速及車流量數據，并上傳至照明控制計算機，控制計算機根據中間段的最小亮度需求模型計算出隧道洞內的需求亮度值；安裝在隧道路面上最小亮度區(qū)域（同側相鄰兩燈中間、隧道墻壁側的行車道邊[7]）的亮度檢測器實時檢測實際最小亮度，并上傳至照明控制計算機；照明控制計算機根據隧道洞內的需求亮度值和實際最小亮度，依據調光控制邏輯計算出當前統(tǒng)計間隔內所需的亮度調節(jié)值，向中心控制器發(fā)出調光控制指令；中心控制器將照明控制計算機發(fā)出的調光控制信號轉換成隧道內燈具的亮度控制信號；調光控制器將燈具亮度控制信號轉換成脈沖信號，通過PWM方式的占空比調節(jié)LED燈的電流，從而改變LED燈具的光通量（功率），使LED燈具的輸出亮度達到隧道洞內實際的需求亮度，實現(xiàn)隧道的按需照明。

圖1 隧道照明系統(tǒng)控制方案Fig.1 Control scheme of tunnel lighting system

以隧道設計車速、車流量下照明燈具所需功率的70%作為燈具的初始功率進行控制。用Pmin表示隧道照明最小需求亮度所需燈具功率，Po表示當前統(tǒng)計間隔內LED燈具的需求功率，用P，Pr分別表示下一統(tǒng)計間隔內LED燈具的需求功率和實際功率。為了避免下一統(tǒng)計間隔和當前統(tǒng)計間隔內平均車速、車流量變化較大造成路面亮度嚴重不足的情況，總是取當前統(tǒng)計間隔內LED燈具的需求功率作為下一統(tǒng)計間隔內LED燈具的初始功率，下一統(tǒng)計間隔內LED燈具的實際功率Pr根據其需求功率P按式（2）確定，但不能超過某車流量區(qū)間內車速80 km/h時LED燈具的需求功率。

只要車流量在3個取值范圍中的任何一個里，燈具功率的控制就只取決于車速；本文采取每隔20 s統(tǒng)計一次車流量和車速的方式來減小車流量和車速變化帶來的影響。

2 算例分析

2.1 算例隧道及優(yōu)化的布燈參數

以江西九景高速公路雁列山隧道作為研究對象[17]，該隧道為雙洞單向交通設計，由1號、2號兩座隧道構成，全長3 352 m，其中1號隧道長1 533 m，2號隧道長1 819 m；隧道路寬10.25 m，凈高7.425 m，行車道寬8.5 m，設有人行檢修道，設計交通量N≥1 200 veh/h，設計車速80 km/h。以2號隧道為例，其隧道中間段長度約為1 383 m；路面鋪設水泥混泥土，平均亮度和平均照度的換算系數為10 lx·cd-1·m2。

采用雷士照明LED燈系列，燈具型號為NHLED101～NHLED103，該類型燈具發(fā)光效率為100 lm/W，發(fā)光角度為120°，光線輸出率η＝1。該隧道優(yōu)化的布燈間距8.89 m，布燈高度7 m，單燈功率107 W，總功率16 692 W。采用107 W LED燈的中央布燈優(yōu)化方案，在不考慮光衰的情況下，即使?jié)M負荷工作，也比使用電磁感應燈的實際改造方案[18]節(jié)能39%以上，布燈參數優(yōu)化方案節(jié)能效果顯著。但是，依然存在過照明的情況，原因如下：① 在設計車速（80 km/h）、車流量（≥1 200 veh/h）條件下，按照優(yōu)化參數滿負荷工作時，照明系統(tǒng)提供的路面最小照度（50 lx）大于路面需求的最小照度（35 lx），存在一定的電能浪費；② 當車速、車流量小于該隧道的設計車速、車流量時，照明系統(tǒng)提供的亮度（5 cd/m2）大于所需的隧道亮度（＜3.5 cd/m2），存在過照明和電能浪費。

2.2 隧道照明的調光控制及節(jié)能性分析

本文以布燈參數優(yōu)化后的照明系統(tǒng)為基礎，采用調光控制技術，根據隧道照明需求亮度調節(jié)LED燈的功率，實現(xiàn)按需照明。

表2中列出了不同車速、車流量下對布燈參數優(yōu)化后的照明系統(tǒng)進行調光控制的單燈功率（圓整后）。從表2可以看出，按照設計車速、車流量對布燈參數優(yōu)化后進行布燈，在不實行調光控制的情況下，不考慮燈具光衰時，滿足路面照度需求的燈具功率遠小于優(yōu)化功率107 W，說明布燈參數優(yōu)化后的照明系統(tǒng)依然存在巨大的節(jié)能空間。

表2 不同車速、車流量下單燈功率Tab.2 Power of single lamp under different vehicle speed and vehicle volume W

圖2所示為基于布燈參數優(yōu)化的調光控制的照明系統(tǒng)總功率、布燈參數優(yōu)化后的系統(tǒng)總功率及實際改造后的系統(tǒng)總功率隨車速、車流量的變化曲線。可以看出，實際改造后的方案和布燈參數優(yōu)化后的方案，都是按照設計車速、車流量進行布燈或優(yōu)化布燈，不論車速、車流量怎么變化，所消耗的總功率始終是27.68 kW和16.692 kW。在布燈參數優(yōu)化的基礎上對照明系統(tǒng)進行調光控制，根據車速、車流量的變化，自動調整LED燈的輸出功率。在車速80 km/h、車流量N≥1 200 veh/h、350 veh/h＜N＜1 200 veh/h及N≤350 veh/h時，相對實際改造后的電磁感應燈方案可節(jié)能63.1%，73.6%，84.2%以上；相對布燈參數優(yōu)化方案可節(jié)能38.8%，56.3%，73.8%以上。優(yōu)化后的節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能較顯著。

圖2 照明系統(tǒng)總功率曲線圖Fig.2 Graph of total power of lighting system

2.3 仿真驗證

采用Dialux軟件對優(yōu)化后且無級調光控制的照明系統(tǒng)的照明效果進行仿真分析。根據文獻[7]中的仿真條件及優(yōu)化布燈參數在Dialux中建立隧道中間段的仿真模型，采用雷士照明中NVC NHLED102 120 W/120° LED燈，燈具功率為120 W，發(fā)光角度為120°。仿真得到計算區(qū)域各點照度的值后，可得到路面最小照度、中線最小照度和路面平均照度，將這些數據乘以（優(yōu)化功率/120），即得到不同車速、車流量的優(yōu)化功率的路面最小照度值、中線最小照度和路面平均照度，從而算得路面照度總均勻度和路面縱向照度均勻度，如表3所示。表3中括號里的數據為公路隧道照明設計細則規(guī)定值。

從表3可以看出，對布燈參數優(yōu)化后的照明系統(tǒng)進行無級調光控制，隧道路面最小照度、路面照度總均勻度和路面縱向照度均勻度都滿足照明要求，路面最小照度與公路隧道照明設計細則規(guī)定值很接近，誤差很小，都在3%以內。

表3 不同車速、車流量下最小照度和均勻度的仿真值和標準值Tab.3 Simulated and standard values of minimum illuminance and uniformity under different vehicle speeds and vehicle volume

3 結束語

良好的隧道照明可以在耗電最少的情況下保證車輛安全通過隧道。本文根據公路隧道照明設計細則以車速、車流量為輸入量，建立了隧道中間段最小需求亮度模型；以九景高速公路雁列山隧道為對象，以參數優(yōu)化后的中央布燈照明系統(tǒng)為例，對照明系統(tǒng)進行調光節(jié)能控制，與優(yōu)化后的照明系統(tǒng)（無調光控制）和該隧道實際改造后的電磁感應燈方案進行能耗比較，節(jié)能效果非常顯著。采用Dialux軟件對實施節(jié)能控制的照明系統(tǒng)進行了仿真，仿真結果表明，隧道路面最小照度、路面照度總均勻度及路面縱向照度均勻度都滿足交通要求，證明了節(jié)能控制系統(tǒng)的正確性。

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Tunnel Lighting Energy-saving Control Based on Parameter Optimization of Luminaire Distribution

Yang Chao，Cheng Cui，Xu Yihang
（School of Mechanotronics&Vehicle Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

In order to reduce the energy consumption of tunnel lighting to the greatest degree on the premise of guaranteeing driving safety,a lighting energy-saving control system for the tunnel interior zone was proposed. Based on the optimized luminaire-installation-parameters(LIPs),the lighting system was controlled to realize the maximum energy-saving by using dimming method to adjust the power of LED lamps according to the minimum demand brightness determined by the actual vehicle speed and vehicle volume.By taking the tunnel-interiorzone lighting system of Yanlieshan tunnel as an example,the energy-saving control of the optimized central luminaire distribution lighting was carried out,and contrasting experiments were conducted between the LIPs optimized lighting system and the actual transformed lighting system with electromagnetic induction lamps(EILs). The results found that the dimming-controlled lighting system can save 38.8%more energy than the optimized lighting system without control,or save 63.1%more energy than the actual transformed lighting system with EILs,and the energy-saving effect was remarkable.The dimming-controlled lighting system based on the optimized LIPs was simulated with Dialux.The simulation results showed that the minimum illuminance,overall uniformity and longitudinal uniformity of the tunnel road surface illuminance meet the traffic demands of the tunnel lighting.

tunnel lighting;energy-saving control;parameter optimization;simulation

U453.7

A

1005-0523（2017）02-0128-06

（責任編輯 劉棉玲）

2016－10－10

國家自然科學基金項目（61463015）

楊超（1969—），男，副教授，博士，研究方向為隧道照明節(jié)能優(yōu)化。