陳學(xué)文 江凡 王育忠 李鶯

（1.廣東云茂高速公路有限公司，廣東 廣州 525300；2.廣州博路電子科技有限公司，廣東 廣州 510430）

隨著我國高速公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)役高速公路隧道的數(shù)量劇增，如圖1所示。隧道作為公路的特殊構(gòu)造物，為了保障隧道內(nèi)行車安全，隧道照明是安全行車必不可少的安全保障。隧道照明是隧道能源消耗的主要組成部分，相應(yīng)的照明電費支出是高速公路運營單位電費支出的主要部分。

圖1 2010 年～2020 年我國隧道長度及數(shù)量統(tǒng)計

2019年交通運輸部《關(guān)于印發(fā)促進公路隧道提質(zhì)升級行動方案的通知》《公路隧道提質(zhì)升級行動技術(shù)指南》對隧道照明安全設(shè)施提出了升級提質(zhì)的安全營運要求。如何在確保隧道安全營運的前提下，達到“綠色、發(fā)展、節(jié)約集約、低碳環(huán)?！钡囊?，是隧道照明調(diào)光控制技術(shù)不斷優(yōu)化發(fā)展的主要目標(biāo)。

現(xiàn)有隧道照明大部分控制模式為24小時硬性開啟狀態(tài)，其隧道照明調(diào)光控制主要是根據(jù)洞外的亮度變化控制：加強照明段分為晴天、云天、陰天及重陰天（傍晚）四級調(diào)光，基本照明段分為白天和深夜二級調(diào)光。該調(diào)光控制方案下各段照明的亮度始終處于最大值，沒有考慮車流量實時變化因素，導(dǎo)致在深夜低車流時段仍保持高亮度的照明輸出，特別對于車流量較小路段的隧道照明存在較大的電能浪費。對此，有必要在保證安全行車的前提下，針對車流量等實時變化的因素，實施隧道照明智能調(diào)光，實現(xiàn)節(jié)能和降本增效。

隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)綜合考慮隧道安全照明和節(jié)能需求，實時定位駛?cè)胨淼赖能囕v并判斷其狀態(tài)，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)信息，調(diào)節(jié)隧道內(nèi)照明強度，使現(xiàn)有隧道照明自動化、智能化和信息化。該系統(tǒng)是實現(xiàn)隧道運營安全與照明節(jié)能和諧統(tǒng)一的新技術(shù)，是推動智慧交通建設(shè)的有效舉措，也是智慧交通的組成部分。高速公路隧道引入“照明智能調(diào)光系統(tǒng)”，將大幅降低電能消耗，獲得節(jié)能減排、降本增效的成果。該系統(tǒng)在云茂高速6座隧道開展了實際應(yīng)用，該分析系統(tǒng)可靠性、安全性和經(jīng)濟性，能為運營的高速公路隧道照明控制改造和新建高速公路隧道照明控制設(shè)計提供借鑒。

一、項目應(yīng)用情況

云茂高速是廣東省“十三五”規(guī)劃的重要項目，地處廣東省重要扶貧脫困的粵西偏遠山區(qū)，主線全長約129.8公里，全線共設(shè)隧道8座，其中特長隧道1座、長隧道3座、中隧道2座、短隧道2座，單洞總長23.19公里。為響應(yīng)國家節(jié)能降耗戰(zhàn)略，實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，云茂高速選取在竹瓦嶺隧道、黃樓隧道、南寨隧道、茶山嶺隧道、新屋隧道、金林隧道共6條隧道安裝，隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)。

（一）工作原理

隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)通過固定激光雷達車檢器和移動激光雷達車輛檢測器對車輛實時監(jiān)測，提供有效數(shù)據(jù)，從而實時管理隧道照明，實施分段獨立控制。

當(dāng)隧道無車通行時，激光雷達車檢器獲得無車通行信號，系統(tǒng)通過與原有隧道照明系統(tǒng)控制器信號連接，控制隧道照明燈具，實施燈具調(diào)光，使照明亮度降低至低限水平；隧道內(nèi)有車輛行駛時，激光雷達車檢器獲得有車通行信號，隧道照明亮度降至原有照明的40%～20%；有車輛接近隧道入口及在洞內(nèi)行駛過程中，沿隧洞縱向分布的不同激光雷達分別接收到有車信號，跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)實現(xiàn)跟隨車輛行駛軌跡分段調(diào)光，洞內(nèi)亮度分段增加至設(shè)定的亮度范圍，實現(xiàn)“車來燈亮、車過燈暗”，在保證交通安全的基礎(chǔ)上，獲得節(jié)能的最大化。

應(yīng)急情況，如設(shè)備故障或隧道內(nèi)車輛事故時，跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)急控制系統(tǒng)啟動，退出調(diào)光模式，照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)調(diào)整為燈具全開狀態(tài)，保證行車安全。系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示，系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

圖3 調(diào)光系統(tǒng)原理圖

（二）系統(tǒng)整體架構(gòu)

隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖4所示。

1.洞外固定激光雷達車檢器：檢測車輛是否進入隧道。

2.洞內(nèi)移動激光雷達車輛檢測器：檢測隧道內(nèi)車輛狀況。

3.數(shù)據(jù)采集及調(diào)光一體機：分析雷達車檢器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)命令傳輸及調(diào)光操作。

4.隧道實時狀況監(jiān)控軟件平臺：安裝于監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)視、預(yù)警、人工干預(yù)等。

（三）系統(tǒng)特點

隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)具有創(chuàng)新性、先進性和獨特性。

1.隧道安全照明調(diào)光技術(shù)

目前，大部分隧道調(diào)光系統(tǒng)普遍存在硬性化、無效調(diào)光、調(diào)光響應(yīng)不及時等現(xiàn)象，實際節(jié)能效率低。隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)是基于隧道自動化照明和運營安全為前提，定位駛?cè)胨淼赖能囕v并做狀態(tài)判斷，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)信息調(diào)節(jié)隧道照明燈具亮度，在安全與照明節(jié)能的和諧統(tǒng)一基礎(chǔ)上實現(xiàn)照明調(diào)節(jié)自動化、智能化。

隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)按照最大交通量和行駛速度對照明做出有級控制，主要包括當(dāng)隧道無車通行時，系統(tǒng)在原可調(diào)光燈具的控制回路上，疊加一個調(diào)光電壓去控制照明燈具亮度，使亮度降低至設(shè)定的低限水平；當(dāng)隧道有車輛通行時，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)亮度至原設(shè)定的亮度水平，實現(xiàn)“車來燈亮、車過燈暗”的智能控制，從而降低照明能耗。

發(fā)生車輛在隧道內(nèi)故障、停留或擁堵等應(yīng)急情況時，系統(tǒng)應(yīng)急控制系統(tǒng)自動啟動，控制照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)調(diào)整為燈具全開狀態(tài)，保證行車安全，系統(tǒng)將在軟件平臺預(yù)警，提醒監(jiān)控人員關(guān)注。但應(yīng)急控制系統(tǒng)失效時，可通過人工干預(yù)的方式，在監(jiān)控中心通過軟件關(guān)閉調(diào)光功能，照明系統(tǒng)將恢復(fù)到原亮度狀態(tài)。

2.車輛精準(zhǔn)檢測和定位技術(shù)

車輛檢測和定位的精度，直接影響系統(tǒng)的節(jié)能效率，甚至影響交通安全，譬如將無車通行狀態(tài)檢測為有車通行，則會造成照明大功率投入，浪費電能；如將有車通行狀態(tài)檢測為無車通行，則將導(dǎo)致行車環(huán)境亮度不足。

隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)實時跟隨車輛動態(tài)（移動激光雷達每秒掃描隧道內(nèi)范圍150度～200度），隧道全方位覆蓋監(jiān)測，可實時監(jiān)測隧道內(nèi)的車流量、故障車、停車等事件，準(zhǔn)確性達99%；使用該系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動化隧道照明運營，系統(tǒng)實時監(jiān)測，可連接隧道監(jiān)控系統(tǒng)，激光雷達有故障時通過軟件平臺實時預(yù)警。

3.分段調(diào)光控制技術(shù)

該技術(shù)將長隧道的燈光分段獨立控制，通過軟件算法結(jié)合雷達車檢器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“來車燈亮，車離開自動降低燈光亮度”，有效節(jié)約能源。

二、項目實施效果

（一）系統(tǒng)運行情況

隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)于2021年6月投入使用，系統(tǒng)總體運行穩(wěn)定，各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，達到預(yù)期要求。

（二）運行節(jié)能效果

該系統(tǒng)在云茂高速共6座隧道開展應(yīng)用，為測試節(jié)能效果，通過開啟/關(guān)閉系統(tǒng)統(tǒng)計同一隧道不同時期照明用電量節(jié)能效果，綜合考慮隧道的長度和平均車流量，選取黃樓隧道作為測試隧道（左線995m，右線955m）。

測試方案：2021年7月5日～7月18日期間，任意選取4天（7月8日～7月11日）關(guān)閉系統(tǒng)，其余時間開啟系統(tǒng)，采集隧道車流量和用電量，如表1所示。

如表1所示，當(dāng)關(guān)閉系統(tǒng)時，隧道的耗電量與車流量并無關(guān)系，隧道用電量基本不變；當(dāng)系統(tǒng)開啟時，隧道的耗電量與車流量有關(guān)，車流量少耗電量也少；車流量與耗電量并不是簡單的線性關(guān)系。黃樓隧道左線和右線的長度接近，安裝的燈具和調(diào)光系統(tǒng)設(shè)備是一樣的，關(guān)閉系統(tǒng)時左右線的耗電量相差不大，綜合對比，以車流量為主要考量。

表1 關(guān)閉系統(tǒng)時車流量和用電量

如表2、表3所示，系統(tǒng)節(jié)能效率與車流量有關(guān)。當(dāng)車流量3000輛/日左右的時候，工作日期間節(jié)能效率30%～37%；當(dāng)車流量3150輛/日左右的時候，工作日期間節(jié)能效率30%～25%。故以3000輛為基數(shù)時，通過線性預(yù)測，每當(dāng)車流量增加5%，節(jié)能率下降5%。

表2 車流量和用電量關(guān)系（車流量約3000 輛/日）

表3 車流量和用電量關(guān)系（車流量約3150 輛/日）

此外，系統(tǒng)節(jié)能效率也與隧道的車流分布有關(guān)。如7月17日車流量在3116輛時節(jié)能率僅有24.75%，7月12日車流量3218輛時節(jié)能率上升到29.78%。根據(jù)實際情況，車流量一般集中在早、晚通勤高峰，車流量增多對節(jié)能效率的影響不大，因為一輛車通過隧道和幾輛車同時通過隧道，均需恢復(fù)原照明亮度，系統(tǒng)并不調(diào)光。因此，為了數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性與實用性，在分析隧道跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)的節(jié)能效率時，不能僅以車流量作為主要測算依據(jù)。

三、結(jié)語

本文通過在高速公路隧道照明控制系統(tǒng)中應(yīng)用跟隨式照明智能調(diào)光系統(tǒng)，利用先進的雷達車檢器感知車輛實時情況，以數(shù)據(jù)處理技術(shù)為核心，集合車輛識別、車輛跟蹤、軌跡跟蹤、狀態(tài)識別等技術(shù)，實現(xiàn)了隧道照明全自動化調(diào)光，有效提升了隧道智能調(diào)光智能化和綜合管理水平，解決了隧道照明過度投入、電能浪費等問題。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用能為營運隧道照明安全節(jié)能改造及新建隧道工程機電設(shè)計提供參考案例，為相關(guān)場景的應(yīng)用提供借鑒，是智能交通技術(shù)應(yīng)用的有效探索。