公路隧道照明系统设计

　　摘要：公路隧道作为公路的一个特殊路段，具有污染严重、噪声大等特点，降低了道路的通行能力，威胁到车辆的行驶安全。为了提高这一瓶颈路段的通行能力，确保安全行车，需要设计隧道照明系统。

　　在公路上行驶的汽车穿过长大隧道时，人类生理特点决定了司机的视觉要发生微妙的变化，在白天时尤其明显。汽车接近隧道时，环境亮度突然由高变低，司机视觉上会出现“黑洞效应”，对安全行车极为不利。当汽车驶出洞口时，环境亮度迅速的由弱变强，视觉上会出现眩光而倍感不适。隧道照明主要围绕如何解决司机进入隧道入口时的“黑洞效应”与出口时的“眩光”问题。

　　1 公路隧道照明设计

　　公路隧道的照明系统，是为了把必要的视觉信息传递给驾驶员，防止因视觉信息不足而出现交通事故，从而提高驾驶上的安全性和增加舒适感。隧道照明与道路照明的显着不同是白天也需要照明，而且白天照明问题比夜间更加复杂。

　　为了提高这一瓶颈路段的通行能力，确保安全行车，需要设置点光照明系统。隧道照明的主要内容包括视觉特点、照明设计、照明计算、照明控制、照明供电和照明经济分析与节能等。

　　隧道亮度主要取决于行车的速度、车流量和洞外亮度等，在照明设计过程中已经充分考虑了这些因素，而且一般都是按照不利情况考虑的，所以能够满足设计车速、设计车流量和设计洞外亮度情况下的照明要求。而洞外亮度在各个季节、各个时段都是不相同的。隧道照明控制就是依据这些不同情况，开启和关闭相应数量的灯具，以提高或降低亮度，使其既能满足安全行车的需要，又有利于节能。隧道照明控制系统由光亮度检测器、车流量检测器、隧道区域控制器、照明控制计算机、隧道照明灯具、照明配电柜、照明配电箱以及照明供电电缆等组成。隧道照明系统由照明灯具、照明配电箱和供电线路组成，通过照明配电箱按照不同回路进行控制。

　　根据视觉适应的要求，隧道照明区域由引入段、过渡段（过渡段Ⅰ、过渡段Ⅱ等）、基本段和出口段组成。隧道照明计算自然也要分段进行。受烟尘影响，隧道壁的反射率较低，在进行照度和亮度计算时，可以只考虑光源的直射作用。隧道照明的质量目前主要是用路面照度和亮度值来评价的。

　　1.1 逐点计算照度

　　路面一点上的照度是将路灯对这一点产生的照度叠加起来（其他光源所产生的照度忽略不计）。P 点上的全部照度为：

　　式中，I_γc 为灯具指向P 点方向的强度，方向用角r 和c 来表示；n 为路灯数；h 为路灯的安装高度。

　　一般路灯的光度数据图表给出的是等光强曲线，按P 点所对应的方向角γ、c 在曲线上查得I_γc，代入式（1）即可求得一只路灯对P 点产生的照度E_p。

　　为方便计算，往往作成等照度曲线。若计算点相对于每只灯的位置已确定，即可从图上直接读出该点的相对照度。于是该点照度的就是由下式求得：

　　式中，Σep 为各灯在P 点产生的相对照度之和；α 为所有灯具特定系数，由等照图给出；φs 为每支路灯光源的光通量，LM；h 为路灯的安装高度，m。

　　按照式（2）计算求得的是初始照度值，要维持照度还需计算维护系数。

　　1.2 平均照度计算

　　当计算一部分路面上的照度时，可用下式得到这个面积上的平均照度：

　　式中，E_p 为路面上有规律分布的点的照度；n 为计算点的总数。很明显，所考虑的点数愈多，计算出来的平均照度愈。

　　计算一条值得无限长的道路上的平均照度，采用利用系数法很方便。其计算公式为：

　　式中，φ_s为光源光通量，Lm；N 为每盏路灯中的光源数；K 为维护系数；ω 为道路宽；S 为路灯的间距；N 为路灯排列方式，单排、交错排列为N=1，双侧排列N=2；U 为路灯利用系数（查利用系数曲线）。

　　在道路照明中利用系数的定义为：在一盏路灯的照度范围内，确定照到路面上的光通φ′与光源所发出的总光通φ 之比，即：

　　在灯具的光度资料中灯具的利用系数用曲线和图标两种方式给出。

　　隧道照明系统是一个多光源系统，通常可将这些灯具分组分回路进行控制，洞内亮度的高低由开启灯具数量的多少来决定，不做单个灯具的调光控制。照明系统可根据照度计实际测得的隧道洞内外亮度值，实时调节洞内照明系统，以满足驾驶员适应洞内外亮度差的需要。

　　当光检测计发生故障时，监控中心计算机可自动转入定时控制，即将洞外亮度值按日、周、月、年实测得到的统计规律输入计算机，计算机调节控制洞内的照明灯具去适应这个值的变化。此外，照明系统还设置了手动控制功能，可在中控室计算机或隧道照明配电箱上分别完成，隧道低压配电柜上的手动装置主要用于维修的需要。

　　目前，现有隧道照明的光源主要有高压钠灯、金卤灯、荧光灯等。LED 是近几年迅速发展的新型光源，具有寿命长、光效高、显色指数高、定向发光、环保节能等优点，由大功率LED 制作成的LED 照明灯具相比其他光源灯具有明显的优势，但其成本也较其他光源灯具高。

　　不过随着LED 技术、工艺的发展，光效等性能指标快速提高而价格快速下降，光效的提高意味着对能量利用效率的提高，因而在显示、景观照明等成功应用的同时，在道路照明等定向照明中也开始逐步获得应用。

　　目前大功率LED 隧道灯的可靠性普遍面临两大难题：①驱动电源的可靠性和寿命问题；②散热系统的快速导热问题。其中驱动电源的可靠性占LED 隧道灯可靠性的60%以上，因前期LED 驱动电源的不稳定性，使得LED 照明产业链的发展至少延迟了1～2 年。而现有大功率LED 隧道灯驱动电源方式有以下3 类：恒压模式；恒流模式；恒流加恒压模式。

　　由于光在一定亮度范围内的变化人眼是察觉不到或基本察觉不到的，所以允许LED 的电流在一定范围内变化。当人们开始认识用恒流源给LED 供电时，有人便走上了极端，认为若非“纯直流”（即没有纹波的直流）则对LED 有损伤。这又是对LED 产生新的错误认识。实际上，只要LED 的工作电流在安全工作区内，电流有波动，只要峰值功率仍然在安全工作区内，就不会对LED 造成影响。比如，用10 mA 稳定的电流和用峰值20 mA、占空比50%的方波分别给LED 供电，用方波的LED 电流非常不稳定，可它的有效值仅10 mA，寿命也并不比稳定电流10 mA 的差。所以，在安全工作区内工作的LED，不稳定的电流并不会影响LED 的寿命，但是会影响光的稳定，只要控制光的波动在人眼感受闪烁的阈值下，那么，这样较小的光波波动就没有影响了。再者，用多个LED组合的照明光源，由于光源的亮度很大，人不会总盯着看，所以，即使每个LED 之间有一定的亮度的差异也没有问题。根据以上分析可认识到，并非一定要采用恒流源来给LED 供电，而是根据实际光源的效能要求来具体选择、设计驱动电路。

　　当LED 的生产工艺发展成熟之后，在和传统隧道照明光源的比较中，LED 的节能优势将得以凸显。LED 现大多应用在山岭公路隧道。应用效果各不相同，应用中尚有许多问题，如光衰大、结温高、灯具结构不尽合理、照明均匀性差、驱动电源寿命、质量参差不齐等，因此在设计告诉公路隧道LED 照明应用时需要加强系统研究，逐渐形成技术标准，以确保LED 在隧道工程中应用的可行性。

　　2 结语

　　在充分考虑到照明系统功能的完备性后，照明的经济性也是重要的指标之一。研究照明系统设备的经济性，是为了在相同的照明效果条件下能尽量减少每单位照度的照明费用。而影响照明经济性的因素很多，包括有用电费用、设备费、施工费和维护费等，因此，必须寻找一种好的分析计算方法、推广使用新一代LED 冷光源等都应在照明设施的计划、设计中加以考虑。