摘 要： 合理的隧道照明是高速公路行车安全的重要保障，结合工程实例，基于“按需照明”和“车来灯亮、车走灯灭”的照明方式，考虑隧道内部光源衰减对驾驶员的影响，优化隧道内停车视距模型，根据车辆位置实时开启满足相应照明区域长度的灯具，基于隧道内车速度化规律，计算车辆检测器布设间距，实时修正照明区域长度，并给出不同车流状态下的隧道照明调光原则。
关键词： 隧道照明；行车安全；节能；停车视距；车辆检测器
合理的隧道照明环境是隧道行车安全的重要保障[1-2]，随着我国越来越多隧道被建成投入运营，照明技术的局限性导致隧道交通事故屡屡发生，耗电量居高不下，现有照明技术并没有很好地解决行车安全舒适性和节能性之间的矛盾[3-7]。在建设资源节约型、环境友好型社会的背景下，高速公路作为重要的交通和公共服务设施应当做好相应的节能减排工作。基于“按需照明”和“车来灯亮、车走灯灭”的照明方式，考虑隧道内部光源衰减对驾驶员的影响，优化隧道内停车视距模型，根据车辆位置实时开启满足相应照明区域长度的灯具，基于隧道内车速变化规律计算车辆检测器布设间距实时修正照明区域长度，并给出了不同车流状态下的隧道照明调光原则。最终以小三岔口隧道为例对调光方案进行了节能计算，隧道半幅在24h内约节能20%。
1 隧道内停车视距模型
隧道交通事故的发生通常是由于两车距离不足造成的[8]，后车发现前车采取措施后两者距离小于安全停车视距。由于隧道为半封闭结构，只有出入口与外界大气相连，现有的隧道通风系统具有较大的非线性、时滞性和时变性，使隧道内照明灯具和车灯的照明效果下降，驾驶员易对前方交通情况判断错误，从而直接影响到驾驶员的反应时间，对停车视距的判断产生错误[9-11]。因此，灯具照明开启长度仅简单套用细则中的停车视距是不科学的，有必要将由于污染物对光的衰减等因素引起的驾驶员反应时间变化加入到隧道实时调光方案中，进而根据实时车流制定隧道照明开启长度策略。
φ—轮胎与道路的摩擦系数；
图1 反应时间与车流量关系
被试隧道车流量与驾驶员反应时间的关系判定系数R2=0.21，说明反应时间与车流量关系较小，但是这个规律不适合所有隧道，被试隧道位于山区高速，从图中可以看出其车流量较小，车辆尾气和灰尘可以及时排出隧道，对能见度影响较小，因此认为被试隧道反应时间与隧道内亮度之间相关性较强。
基于亮度折减系数k的变化，对t0内、k值进行曲线拟合，得出关系图如图2所示，图中x轴为亮度折减系数，y轴为隧道内驾驶员反应时间。进而得出洞内反应时间与亮度折减系数关系如式(1)所示。
图2 t0内、k拟合关系图
t0内=-9668k3+1965k2-134.8k+6.33
(1)
式中：t0内—隧道内驾驶员反应时间(s)；
k—亮度折减系数。
式(1)判定系数R2=0.958，说明模型可靠性较高。据此可计算隧道内灯具开启长度，改进后的隧道内照明停车视距计算公式如式(2)：
(2)
式中：Ds内—隧道内照明停车视距；
vt—设计速度(km/h)；
对于汽车摄影来说，使用广角镜头往往比较好。这样就可以把整个车身和大部分背景容纳进来，呈现一种宏大感。James使用全画幅相机搭配24—105mm镜头和28毫米焦段进行拍摄。
i—隧道道路纵坡(%)；
g—重力加速度(m/s2)；
k—亮度折减系数。
2 车辆检测器间距及照明区域长度计算
实时调光技术的重点在于检测装备的安装点位、数量和间距，如何使系统保证定位精准的同时减小造价是系统布设的关键。
(1)在隧道入口外侧布设车辆检测器
隧道外侧布设车辆传感器的目的在于检测车辆的到来和车辆的速度，检测器的布设位置需要考虑车辆的行驶速度和系统响应时间。根据隧道的设计速度vt、隧道外安全停车间距Ds、系统响应时间Tz(取2s)，可以计算安装点的位置离洞口的距离，如式(3)所示。
L0=vt×Tz+Ds
(3)
根据车辆在接近段减速的特性，可以由车辆检测器安装点处车辆瞬时速度计算车辆到达洞口的时间，如式(4)所示。
(4)
式中：v—瞬时车速。
当检测器检测到车辆通过时，根据车辆通过检测器的瞬时速度及此时亮度折减系数计算隧道内照明停车视距Ds内，此时Ds内即合理照明区域长度，进而在Ta时间段内此长度的灯具。
(2)隧道内车辆检测器间距
由上述车速分析可知，车辆在隧道内行驶速度是变化的，因此，需要在一定的间距布置车辆检测器，用于修正照明长度。
驾驶员在入口段适应亮度变化后，一般加速通过过渡段，设车辆由v1加速到v2的加速时间为Tj，则在加速时间段内，车辆行驶过的距离如式(5)所示。
(5)
此时照明长度移动距离如式(6)所示。
Lg=v1×Tj
(6)
则车辆行驶距离与照明长度移动距离差值如式(7)。
ΔL=Lc-Lg
(7)
此时车辆前方照明长度如式(8)。
Ds内，=Ds内(v1)-ΔL
(8)
可得出相对v2的照明停车视距差值如式(9)。
ΔLv=Ds内(v2)-Ds内′
(9)
车辆以v2速度行驶，设经过Ti时间照明长度变为Ds内(v2)′，可以求出Ti关系式如式(10)。
(10)
在Ti时间内车辆行驶距离如式(11)。
Li=Ti×v2
(11)
可以求出合理车辆检测器布设间距如式(12)。
L车=Lc+Li
(12)
基于以上计算，为了避免黑洞效应对驾驶员心理和生理的压力，根据对被试隧道驾驶员瞳孔面积的分析，发现进入隧道50m后驾驶员瞳孔面积波动变小，说明驾驶员已经适应隧道环境的变化，因此入口段靠近洞口处50m灯光不做调节，同时将50m作为车辆安全后视距离L安。
最终可得照明长度如式(13)。
L=Ds内+L安
(13)
式中：L安—车后安全距离。
3 基于车辆检测器位置的调光原则
据上述计算可以得出线圈布置图如图3所示，图中环形区域为车辆检测器。
图3 隧道线圈布置示意图
整体调光原则为：隧道入口前L0处布置一个车辆检测器，隧道洞口以里50m加强灯具保持开启状态，距离隧道洞口截面50m布置一个车辆检测器，进而每隔L间距依次布置车辆检测器，检测车辆瞬时速度调整照明长度，对于中长隧道、长隧道和特长隧道，中间段在没有车辆通行时，保持最低亮度，当有车辆通行至加强段最后一个车辆检测器时，中间段基本照明恢复正常照明；夜间隧道基本照明调至最低亮度，通过L0处车辆检测器检测到有车辆通过时，将基本照明调至正常亮度。当相邻两个车辆检测器同时检测到车辆通行时，开启所有照明。出口段车辆检测器负责检测车辆驶离，进而调整灯光至最低亮度。
4 隧道照明调光实例节能分析
以张承高速公路小三岔口隧道为例对比隧道照明实时调光控制前后能耗情况，表1为小三岔口隧道灯具布设方案。
根据照度的定义可以求出灯具功率与照度的关系，如式(14)所示：
(14)
式中：E—计算区域内的照度值(lx)；
Φ—灯具额定光通量(lm/W)；
P—灯具功率(W)；
S—计算区域内面积(m2)。
表1 小三岔口灯具布设方案
由于照度与亮度成线形关系，灯具种类、间距均不变，据此就可以计算灯具功率与亮度的关系。
以半幅为代表可以计算之前能耗为24h内总耗电量如式(15)。
Q前
=(80×220+80×120+29×2×120+30×15+22×80+31×50+6×50+12×30)×2×11×0.4+450×30×2×24
=987.504kWh
(15)
式中：Pi—i种灯具的功率(W)；
Ni—第i种灯的数量；
h—工作时间(h)；
C—灯具功率比例系数，表示当前照明亮度级灯具发光功率占总功率的比例。
通过对入口外侧车辆检测器位置的计算，得出其具体位置位于距离洞口220m处，于现场调查结果数据取v1、v2数值，分别为74.153、82.484，加速时间取2s，由于亮度折减系数是动态的，文中仅针对亮度折减系数最小时进行计算，实际运营中应以测量数值实时变化，最终求得洞内车辆检测器合理间距为L=220m，取照明长度为180m。
通过小三岔口隧道洞外亮度检测器的数据，得到2017年5月24日小三岔口隧道洞外亮度如图4所示，横轴表示时间，纵轴代表亮度值。
图4 小三岔口隧道洞外亮度变化
从图中可以看出，洞外亮度的变化完全是没有规律的，不仅与洞口形式、朝向、环境相关，还随着云系变化以及日出日落而变化，且一年中洞外亮度受时间、天气影响较大，也进一步说明了动态调光亮度折减系数研究的必要性。
图5为小三岔口隧道24h内折合成小型车车流量情况。
图5 小三岔口车流量
图中横坐标表示时间，依次为24：00-1∶00，1∶00-2∶00……23∶00-24∶00，纵坐标表示每小时车流量。
基于此就可以对实时调光后的总耗电量进行计算，由于车辆经过时，照明灯具依次开启，计算量较大，因此假设车辆通过时隧道灯处于开启状态，这样计算结果比实时调光模式计算结果大，同样符合要求，通过车流经过隧道时间可得隧道内LED灯具调节到最低亮度的时间，见图6。
图6 灯具最低亮度开启累积时间
图中横坐标为时间，依次为24∶00-1∶00，1∶00-2∶00……23∶00-24∶00，纵坐标代表灯具最低亮度开启累计时间。
可以求出加强照明最低亮度开启累积时间为T加强=3.1h，基本照明最低亮度开启累积时间为T基本=7.68h。
据此可以计算基本照明24h耗电量如式(16)。
Q基本
=450×7.68×10×2+450×16.32×30×2
=509.761kwh
(16)
根据不同亮度下灯具功率就可以计算24h加强段照明耗电量如式(17)。
(17)
最终可以得出实时调光后的总耗电量如式(18)。
Q总=Q基本+Q加强=792.305kwh
(18)
可以看出实时调光方案在保证驾驶员行车安全舒适性的前提下，保守计算方案下计算日24h半幅隧道节约了约20%的电能。
5 结论
从现有照明环境中存在的问题入手，分析小汽车驾驶员进入隧道过程中瞳孔面积变化率、反应时间与亮度折减系数、车速之间定量关系，分别建立基于驾驶员安全性、舒适性的回归模型，进而通过约束条件求解亮度折减系数区间。为实现“按需照明”和“车来灯亮、车走灯灭”的照明方式，考虑隧道内部光源衰减对驾驶员的影响，优化隧道内停车视距模型，根据车辆位置实时开启满足相应照明区域长度的灯具，基于隧道内车速变化规律计算车辆检测器布设间距实时修正照明区域长度，并给出了不同车流状态下的隧道照明调光原则。最终以小三岔口隧道为例对调光方案进行了节能计算，隧道半幅在24h内约节能20%。
