公路隧道智慧照明综述

公路隧道智慧照明综述

杜 峰1，2，翁 季1，彭 力1

(1.重庆大学，重庆 400044；2.福建工程学院，福州 350118)

摘要：从公路隧道照明研究的重要性出发，针对公路隧道照明包含的多个方面进行了论述。公路隧道照明设计主要包含照明技术、智能控制和视觉理论等多方面的知识，以往的研究多是从某一个方面进行，文章通过多角度全面论述，整合公路隧道照明知识，促进我国公路隧道智慧照明的健康发展。

关键词：隧道照明；智慧照明；照明技术；智能控制；视觉理论

0 引 言

随着国民经济的飞速发展，人们对照明的追求从安全、舒适以及节能向着更高的智慧照明进发，智慧照明如今逐渐成为了研究的热点和重点。而照明和通风能耗一直以来都是建成公路隧道中能源消耗的主要部分，其中照明能耗更是居高不下。在公路隧道中运用智慧照明可以更好地满足安全、舒适和节能的目标。

1 公路隧道智慧照明研究概述

公路隧道智慧照明是该研究领域目前的热点和难点问题，诸多专业人士对该方面进行了研究。国外学者对公路隧道智慧照明中动态照明的研究开始很早，在20世纪60年代，意大利和法国之间就修建了能依据车速、车流量和隧道洞外亮度进行自动调光的隧道，一时间引起了照明领域和控制领域众多学者的关注。国内在该方面的研究近些年也逐渐增多。

2 在照明技术方面研究公路隧道智慧照明

2.1 光源选择

公路隧道照明的光源选择经历了漫长的过程。从最早的白炽灯、荧光灯(FL)到后来的低压钠灯(LPS)和高压钠灯(HPS)再到汞灯(HP)、金属卤化物灯(MH)和发光二极管(LED)。其中，白炽灯造价低廉，光色偏暖，亮度易于控制，但其大量能耗用于发热，能效偏低，现在不仅公路及隧道照明领域甚至公共建筑和家庭照明中都逐步取消或减少了该种光源的使用。荧光灯以及后来的紧凑型荧光灯在家庭照明中被广泛应用，其光色大多偏冷，光效较高，但由于其单灯的功率偏低，不适用于公路隧道照明，仅适用于局部的隧道照明，如紧急停车区照明、指示照明等。氙灯是将12 V电压增压至23 000 V超高电压，激穿填充在石英管的氙气发光，然后再将电压转成85 V左右，稳定持续供应氙气灯泡发光。但其燃起时间长，而且调光不易，应用较少。低压钠灯和高压钠灯由于其光效高、透雾能力强等优点现在仍然被作为道路和隧道照明光源的主力灯型，但是由于其光色偏暖偏黄，实际的光效不够高，在同种照度下其亮度明显偏低，所以其综合光效不如新型光源，而且调光不便。金属卤化物灯和发光二极管都是新型光源，其光效高，光色好，显色高，具有很好的发展前景。尤其是发光二极管(LED)， LED光源具有亮度高、功耗低、寿命长、启动快、功率小、无频闪、不容易产生视觉疲劳等优点，其光色可调性好、亮度高、光色好和寿命长等优点使其成为如今道路和隧道照明的首选。当然发光二极管也存在一些不足，如价格高、散热不足等，但是其仍然是如今道路隧道照明中最有发展前景的一种光源。

2.2 照明方式

照明方式也从单一的照明变为顺光照明、逆光照明和对称照明等多种方式。其中逆光照明更容易显示被照物体的轮廓，更加有利于目标物的察觉和发现，同时也相对节能。但是逆光照明如果角度处理不好，容易照到驾驶员的眼睛，产生眩光，逆光照明在车辆后方还有小车的情况下容易看不清楚小车而出现事故，从而影响驾驶的舒适性和安全性。在实际的隧道照明应用中可在隧道的不同照明段选用不同的照明方式，例如：入口段采用逆光照明，中间段采用逆光或对称照明，而出口段采用顺光照明。

2.3 光源光色及亮度

从安全和舒适的角度，隧道照明更加关注光源的光色，光色包含了色温和显色指数等指标。该方面的研究很多，如：刘英婴利用司辰视觉理论研究了隧道照明中的光生物效应问题，通过视觉功效和光生物效应实验的研究，将5种色温的LED光源与传统照明光源HPS、MH相比较，分析了光源色温与反应时间和人眼瞳孔大小的变化关系，提出了适合隧道照明入口段和中间段的LED光源，为LED在隧道照明中的应用提供了实验依据。邱凡等基于CIE推荐的隧道过渡段计算方法，分析了目前过渡段阶梯式亮度分段设计的弊端，并根据洞外亮度变化推导出隧道过渡段的亮度需求公式，提出应采用新型光源结合动态无级调光技术来设置过渡段亮度，也说明了确定科学的过渡段照明指标对降低隧道运行能耗的重要性。杨韬通过对隧道内不同壁面材料的反射特性研究，以隧道照明反射增量系数对包括入口段、过渡段及中间段在内的隧道照明计算方法进行优化，获得了材料反射叠加条件下，隧道照明平均亮度与实测平均照度的关系，并利用实测数据对计算模型加以验证，取得了良好的节能效果。

3 在智能控制方面探讨公路隧道智慧照明

在智能控制方面，研究同样是很多的，如：王学堂等在《隧道照明控制工程研究》中分析了隧道内光强的亮度函数，建立了速度、亮度和出入口段长度之间的函数关系，设计了隧道内亮度动态控制方案，其利用光检器和现场控制器，通过测试得出了亮度动态控制方案，拟合出了隧道照明亮度函数。王茜在《公路隧道出入口灯光配置优化及控制系统研究》中将提高公路隧道出入口照明舒适度与控制技术有机结合，参考灰色理论的隧道车流量预测算法和新陈代谢的数据处理方式，利用Matlab软件进行了仿真，提出了隧道出入口灯光配置的优化策略，最终完成了控制系统总体设计，提高了驾驶舒适性的同时还节约了能源。闯家亮在《基于图像处理的隧道亮度检测系统研究》中针对隧道照明的标准与特点，分析了国内外先进的亮度检测技术，采用了一种基于图像处理技术的嵌入式隧道亮度在线监测系统，设计了动态图像采集和静态图像处理的控制方案。该系统通过图像处理技术和亮度检测算法得出场景的平均亮度，并能实时显示和上传处理结果，满足隧道亮度检测要求，从控制理论方面对隧道智慧照明进行了补充。唐春在研究车辆检测技术和照明控制策略的基础上，采用精确的感应线圈检测技术、灯光控制技术和感应式照明控制策略，针对交通流量小的隧道设计了车辆感应式隧道照明控制系统，实现车来灯亮、车走灯熄，平衡了安全与节能的矛盾。

杨显立在《基于WiFi的隧道照明无线控制系统设计与实现》中分析了现有规范标准，研究了调光模型及照明曲线，对隧道照明系统进行精细化管理，不同照明区间运用不同的调光模型，建立了精确的照明曲线实现连续调光，提高了系统运行安全性，降低了能耗，开发了WiFi无线运用平台，建设智能化隧道照明控制系统。于东东设计了一套基于Zigbee的智能LED隧道照明控制系统，通过该系统构建了一套动态调节LED灯具照明亮度的智能控制系统，采用模糊神经网络控制算法，根据隧道洞外亮度、车流量以及车速动态调整隧道照明亮度，在保证安全性和稳定性的同时，节省了隧道的照明成本。李英举在《基于无线传感网络的隧道照明控制系统研究与设计》中同样运用了Zigbee技术，设计了隧道照明控制网络，并从节能角度进行了分析。郭姗在《智能LED照明控制系统的设计与应用》中针对当前隧道照明控制系统存在的问题，设计了智能照明控制系统。其充分利用电子技术和通信技术，实现了对隧道照明灯具的有效控制与管理。根据车流量和洞外亮度的变化对LED隧道灯进行无级控制，使隧道内各区段照度平滑过渡，以符合人眼的适应曲线，并利用总线通信机制实现隧道数据的传递。

4 在视觉理论方面探讨公路隧道智慧照明

眼睛里面起视觉作用的主要是锥状细胞和杆状细胞，明视觉状态下起视觉作用的主要是锥状细胞，此时人们可以分辨物体的颜色和细部；暗视觉下起视觉作用的主要是杆状细胞，但是其不能分辨颜色和细部。而在0.01～2 cd/m2亮度之间的视觉为中间视觉，此时锥状细胞和杆状细胞同时起作用。公路隧道照明中的中间段以及部分过渡段照明属于中间视觉范围。2002年，美国布朗大学的David Berson发现了第三种视觉光感细胞——神经节细胞，它对光线不同波长的敏感度是非常不同的。我国把这种细胞作用下的视觉称为“司辰视觉”。

Miomir Kostic等人在《基于中间视觉的道路照明解决方案的技术和经济分析》中针对道路照明中的两种光源指出：虽然金属卤化物灯比高压钠灯具有更好的显色性和色表，但是由于经济方面的原因，金属卤化物灯在道路照明中仍然应用很少。最近中间视觉领域的理论和实验研究鼓励和促使我们从技术和经济的角度对两种灯进行对照。基于目前对察觉亮度和视觉功效的研究发现，分析考虑了所有相关的道路照明等级、照明布置和反射等级。最终证明低照明情况和低亮度级情况下金属卤化物灯比高压钠灯更加经济。该研究采用了视觉功效法，从经济和技术角度进行了全生命周期经济性分析。

M.Eloholma等人在研究夜间驾驶情况下的视觉功效时引入了一种实验性的多功能方法以进行中间视觉光度测量研究。其将夜间驾驶的视觉功效分为三种视觉任务，引入了单色阈值和反应时间这两个参量。这两个参量会根据亮度从1～0.01 cd/m2的降低而降低，充分显示了在驾驶过程中亮度级的重要影响。单色对比度阈值和反应时间对于低对比度的目标而言跟光谱作用相关，强关联发生在低中亮度下。所有这些都显示了“普尔金耶效应”在亮度级降低时的作用。实验结论可用于计算新的中间视觉模型下的视觉效应。跟夜间驾驶下的V(λ)光谱曲线相比，可更好地描述依据视觉功效措施的中间视觉模型。

胡英奎为得到道路照明常用光源在中间视觉条件下的光效，采用中间视觉模型和国内外实验数据，研究高压钠灯和金属卤化物灯在中间视觉条件下的光学特性，分析了在中间视觉条件下的光效随适应亮度水平变化而变化的规律，提出应根据道路照明所需要的亮度水平选择合适的照明光源。

5 小 结

公路隧道智慧照明是目前研究的热点和重点，智慧照明包含了照明技术、智能控制和视觉理论等多个方面的知识，其不仅仅是一两个专业能够完成的，涉及专业包括电光源专业、照明专业、控制专业、电气专业、材料专业、电子专业、机械专业等，需要各专业之间的通力合作。只有各专业都发挥了其专业优势，才能让公路隧道智慧照明更好地为驾驶安全和节能服务，从而促进我国公路隧道智慧照明的健康发展。

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[7] 闯家亮.基于图像处理的隧道亮度检测系统研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.

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[9] 杨显立.基于WiFi的隧道照明无线控制系统设计与实现[D].广州：华南理工大学，2013.

[10] 于东东.基于Zigbee的智能LED隧道照明系统的设计[D].上海：东华大学，2015.

[11] 李英举.基于无线传感网络的隧道照明系统控制研究与设计[D].西安：长安大学，2013.

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[15] 胡英奎，陈仲林，刘英婴.道路照明常用光源在中间视觉条件下的光效[J].重庆大学学报，2007，30(1)：139-141，146.

Areview of road tunnel smart lighting

Du Feng1，2，Weng Ji1，Peng Li1

(1.Chongqing University， Chongqing 400044，P.R.China； 2.Fujian University of Technology， Fuzhou 350118，P.R.China)

Abstract：The paper began with the significance of the road tunnel lighting research， aimed at the illustration of many aspects that included in it， such aspects as lighting technology， smart design and visual theory.For the former research mostly started from one aspect， the paper hope to integrated the strengths from all these aspects and improve the healthy development of our country’s road tunnel smart lighting.

Keywords：road tunnel lighting；smart lighting；lighting technology；smart control；visual theory

收稿日期：2016- 04-20

基金项目：重庆市研究生科研创新项目(CYB16011)；国家自然科学基金资助项目(51278507)

作者简介：杜峰(1980-)，男，博士研究生，副教授，主要从事道路与隧道照明研究，(E-mail)[e-mail]。