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基于光纤引光照明的低功耗隧道调光系统研究

2024-10-14 141 上传者：管理员

摘要：针对高速隧道白天出入口段视觉适应性安全需求与照明高能耗的矛盾问题，文章阐述了隧道调光系统的发展历程，基于太阳光的清洁安全和隧道洞口内外亮度变化的自适应性原则对单灯珠隧道光纤引光照明系统展开搭建和测试分析研究，试验得出：当洞外的照度为84 367.66 lx、色温为5 100时，洞内的引光单灯珠亮度可达到6 866 261.50 lx,而洞内常规的LED单灯照度为1 180 999.00 lx,这表明隧道单光纤照明灯珠相当于6个常规LED灯珠的照明效果。基于此，研究创新性地提出了采用超低功耗隧道光纤引光照明系统来补充现有调光系统的照明新方案，以下田隧道工程模型为依托，通过Dialux软件模拟多元照明调光布设系统，得到隧道壁两侧安装各10个引光灯可满足隧道入口段行车照明需求，有效解决了隧道调光照明高能耗的难题。

关键词：
交通基础设施
光纤引光
山区高速公路
超低能耗
隧道调光
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随着交通基础设施建设的纵深发展和经济增长的需要，曾经较为偏远的山区成为高速公路建设新的主战场。而隧道作为山区高速公路的一个重要组成部分，隧道所占比例非常高，其运营费用也正处于不断攀升的状态[1]。根据现行隧道照明设计规范，规定高速公路隧道和一级公路隧道长度>200 m时应设置照明[2],目的是减少“适应滞后”现象，即白天车辆进出隧道时由于洞内外环境明暗差异过大而导致驾驶员的眼睛出现明暗适应间期。此外，可增强隧道安全可视距离，公路隧道属于密闭性空间，容易产生压抑感，极度影响行车安全。因此，公路隧道照明成为公路机电研究的焦点[3]。

隧道照明从最初的白炽灯简单照明发展到低压钠灯和高压钠灯高效照明，再到现在常见的无级调光LED灯照明系统[4]。目前，公路隧道照明主要是基于节能照明LED灯和智能控制主机处理车辆行驶信息的隧道无级调光系统[5]。近些年，随着隧道无级调光系统的更新迭代，其为隧道照明的安全节能起到积极效果，但以消耗电能的隧道照明形式依旧耗费巨大，给高速公路运营带来巨大的压力。有关数据显示隧道内照明费用比普通高速公路道路照明费用每月高出上百万元[6]。因此，降低隧道照明能耗一直是公路交通行业的不懈追求。光纤隧道引光照明是以无能量转换、纯绿色环保、光电完全分离等优势将光能经光纤引入隧道内提供安全与节能的直接照明，属于纯自然光传输照明，能够节省大量成本，亦不存在传统电光照明灯具由于光衰或压差不稳定等问题而产生的产品老化过快等现象，继而一度成为空间绿色节能照明研究的焦点。

针对以上问题，本文基于太阳光的清洁安全和隧道洞口内外亮度变化的自适应性原则开展隧道新型调光系统的研制。深入探究光纤引光照明分立器件机理，并在隧道口搭建一套单灯隧道光纤引光照明系统，通过测试引光系统单灯珠和常规LED调光单灯珠的照度和色温，对比分析得到单个光纤照明灯珠相当于6个LED灯珠照明的良好效果的结论。基于这些测试结果和引光器件特性参数，本文创新性地提出采用基于光纤引光照明的隧道调光应用系统。并根据隧道安全行车可视距离的光学特性要求，利用软件模拟仿真隧道低功耗多元照明架构方案。有效解决了白天隧道出入口段视觉适应性安全需求与照明高能耗的矛盾问题，为高速公路隧道交通实现节能减排照明提供全新的解决思路。

1、光纤引光照明原理及测试

光纤引光照明是利用光纤把汇聚后的太阳光引至隧道指定区域照明的一种形式。引光照明系统由光线采集器、导光系统和光发散装置等器件组成[7],基于强光线在传输路径上的低功耗压缩与扩散原理。具体表现为携带一定强度的太阳光线通过聚光透镜与特殊光纤实现低损端面耦合，由光波的非相干特性，使不同波长的光在光纤的芯界面发生全反射而不断传递，在输出端利用特殊结构尾灯对传输光进行放大使输出光达到所需的照明效果。该系统的引光效果极大地依赖于各个分离器件的工作效率。主要的影响因素有采光面板收集聚光能力、光线耦合效率以及传导光纤的损耗。

本文通过引进新一代的聚光面板、耦合器插件、导光光纤以及散光灯珠等器件，并在模拟隧道搭建如下页图1所示的引光照明系统，优化调整聚光部分到导光光纤的光学耦合效率以获得良好的散光照明效果。其中，光线采集器是采用多芯径的微小型菲涅尔透镜集合而成的采光面板，多芯径的微小型菲涅尔透镜能够在有限的面板中充分采集不同入射角度的光能量，减少光线反射而造成的浪费。光线采集器安装于洞外空旷位置以便光线更充分照射和收集[8],在光线强度达到设定的阈值时，导光器在控制电路的管理下能够对太阳光线进行精确的追踪，追踪精度可以达到±0.2度，使太阳光线能最大限度地照射到集光器微小型多芯径的菲涅尔光学玻璃透镜上，通过该透镜的聚焦作用，使阳光汇聚于光纤与透镜之间的焦点，再根据入射角度的差异相继汇入导光光纤中。

图1光纤引光照明系统结构图

在低损耗导光器件中，本文采用高纯度多模、大芯径以及大数值孔径的特种石英导光光纤，每股照明光缆中含有50束细光芯，总直径为2 cm,具有耐高低温、防火防潮和抗拉伸挤压的特质。导光光纤外芯结构采用具有高反射和高纯度的合成石英薄膜，确保石英光纤通光量大、柔韧性强，其有着近直角的敷设可弯曲弧度，且光的传输损耗极低，每100 m的光通量传输损耗为0.5%。在实际搭建过程中，根据隧道照明亮度和经济性综合考虑，每股光缆作为一个灯珠出光端，由八个灯珠组成一个散光板(一盏灯)。光纤引光系统搭建和调试完成之后，开展出光端光照度测试研究，测试设备为HPCS-320照度计，将测试设备逐一对准每一个灯珠并记录光谱、光照度以及色温等信息。分析发现，出光端的亮度取决于各个分离器件传导过程光线的损耗，而固定式器件如聚光菲涅尔透镜和传导光纤均受限于加工工艺水准，后期搭建和调试基本无法调优。因此，本文主要根据光纤灯珠出光端实时的输出照度值为参考，不断优化调整光纤插件的位置，以确保光纤插件安置于最佳的位置，继而使透镜所能汇集到的光线最大化地被耦合进入传导光纤中。

测试结果如图2所示。可以看出，对于单灯珠而言，光纤引光照明亮度明显大于传统LED灯的亮度；对比图2(b)和图2(c)的光谱图可得，光纤引光照明的光谱范围更宽，其包含所有的可见光波长，因此无明显频闪现象，不会诱发驾驶员的眩晕感受。

试验可知，在天气状况良好的情况下，洞外采光面板处的太阳光照度为84 367.66 lx,色温为5 100 k。经过多个微透镜聚光后传输到单灯珠出光端的照度为6 866 261.50 lx,色温为5 687 k。表明透镜聚光能力强、光线耦合高以及光线在光线中传输损耗低。测试隧道中已经安装好的传统LED隧道照明灯，其照度为1 180 999.00 lx,色温为4 953 k。通过对比分析可知，在光线较为充足的情况下，光纤引光的照度(6 866 261.50 lx)约为左边LED灯单灯照度(1 180 999.00 lx)的六倍，见表1。

2、隧道低功耗多元调光系统

为了解决目前公路隧道照明中电能消耗大的难题，本文根据光纤引光系统的优势并结合隧道照明的基本特征，以贺巴高速公路的下田隧道为依托，提出基于光纤引光的隧道低功耗多元调光系统策略并通过Dialux模拟软件验证其可行性。单一光纤引光照明其亮度受环境的影响大，在阴雨天会因光线弱而失去部分照明功能。特别是多云天气，光线时隐时现，导入隧道内的光功率随机波动，需要隧道传统电力照明迅速工作并自动调整配电功率以补偿隧道安全行车亮度需求。

图2阳光充足时引光照明与LED照明的对比示意图

表1引光照明与LED照明对比表

本文提出的基于光纤引光照明的隧道低功耗调光系统是由PWM控制器模块、光照感应与数据采集模块、调光算法与策略模块、光纤引光系统模块、传统电力照明系统与运管监控模块等组成。如图3所示，光纤引光灯珠(浅色)和传统隧道LED照明灯具(黑色)间隔布设。通过在隧道入口、出口及内部关键位置部署高精度光强和色温传感器，如洞内外亮度仪、视频车检器和色温检测器等，实时监测隧道内外的光照条件，包括自然光强度、色温变化、阴雨天等特殊天气状况，为调光决策提供数据支持。利用视频车检器实时监测隧道内车流量、车辆类型、行驶速度等信息，动态调整照明强度以适应不同交通流量需求。同时光纤引光系统中的采光器结合授时系统和精准位置信息实时追踪光线以满足最大化的引光照明。

图3基于光纤引光照明的隧道多元调光系统示意图

PWM控制器对采集到的数据进行降噪、滤波及校准等预处理。根据实时监测数据，预测最佳照明水平，实现精细化、动态化的照明控制。设置多种节能模式，如低峰时段自动降低照明强度；无人时段仅保留基础照明等，最大限度地减少无效照明。在满足道路照明标准的前提下，优化色温、照度分布，减少眩光，提高驾驶员视觉舒适度，降低交通事故风险。该系统支持远程监控与故障诊断，可与运管监控中心进行数据共享与联动控制，根据整体运营状态优化照明策略，如火灾发生时自动切换至应急照明模式。

3、隧道低功耗照明效果评估

本文针对当地日照状况设定光平均辐射强度为300 w/m2;图4(a)所示为根据广西隧道设计规范设置隧道传统的LED照明灯具安装高度为5.6 m,测试面距地面2 m;基于搭建的引光系统测试结果设定每个引光灯珠的光通量为6 500 lm,光输出比为100%,光效率为118.2 lm/W。利用Dialux软件模拟下田隧道入口段的安全行车照明情况。该隧道长795 m,设计行车速度为120 km/h,隧道内净空高度为5 m,路面宽度为9.5 m,入口段亮度折减系数k=0.054,照明停车视距Ds为232m,LED灯具发光效率为150lm/W。

图4下田隧道入口段的安全行车照明情况模拟图

由设计文件可知，其入口段平均亮度为189cd/m2,不考虑过渡段计算。因此入口段的平均照度为Eth=2 835lx,入口段的照明范围为115m2,根据文献[2]公路隧道两侧墙面2m范围内的平均亮度不低于路面平均亮度的60%,则隧道光通量可表示为式(1)[9]:

Φs=Φr+Φw=Eth·Sth+Eth.w·Sth.w=(W+1.2hw)(Eth·Dth) (1)

式中：Φs——该短隧道所需总光通量(lm);

Φr——路面所需光通量(lm);

Φw——两侧墙面所需光通量(lm);

Dth——隧道入口段长度，D=30m;

Sth——隧道入口段路面2m高范围内的面积(m2);

W——隧道路面宽度，W=9.5m;

Eth——入口段路面照度，由交通量和设计时速决定(lx);

hW——墙面高度，hW=2m。

在光照充足且隧道入口段光通量需求为400 000lm时，将隧道模型参数代入式(1)求得照明需求为1 837 080lx。

图5软件模拟隧道多元照明情况示意图

根据太阳辐射强度、隧道的照明需求和光纤照明的光利用率(多个微透镜聚光后传输到单灯珠出光端的照度为6 866 261.50lx)计算仿真出隧道照明需求的系统规模N:式中：ES——洞外照度(lx);

ηQ——光纤照明系统总效率(%)。

经过计算得出所需的太阳光光纤尾灯数量为20个。单灯珠50芯的光纤引光照明单元和传统LED灯互补调光的仿真安装照明情况如图5(a)所示，在隧道入口15m位置开始，在两侧壁约5m高位置共安装10个太阳光引光光纤灯珠，其位置低于LED灯60cm,并与LED灯进行交互间隔布设，布设间距为1m,其测试值为1 000lx,满足隧道对安全行车的照明要求，结果如图5(b)所示。本研究表明，基于光纤引光的隧道多元照明系统不仅能满足隧道行车安全的需求，还具有低碳节能、绿色环保和行车无眩晕等优点，成为公路隧道安全与节能照明的发展趋势。

4、结语

随着高速公路向山区延伸，隧道照明能耗问题越发突出。因此，本文在当前国家“碳中和”方针的指引下，依据光纤引光照明无能量转换、纯绿色环保、光电完全分离等优势开展系统搭建、耦合调参以及测试分析等系列工作。得到在光线充足的情况下，洞内的引光单灯珠可达到亮度6 866 261.50lx和色温5 687k的良好节能照明效果。基于此测试研究结果，本文还结合现有无级调光系统的优势，创新性地提出了基于光纤引光照明的隧道多元调光系统方案，并利用软件模拟得到超低能耗隧道安全照明的设计效果，能够有效缓解隧道调光照明高能耗的难题。

参考文献:

[1]王林芳,陈珍,史玲娜,等.公路隧道照明系统综合评价体系研究[J].公路交通技术,2023,39(4):140-146.

[2]JTG/TD71-2014,公路隧道照明设计细则[S].

[3]杜志刚,潘晓东,郭雪斌.高速公路隧道进出口视觉适应实验[J].哈尔滨工业大学学报,2007(12):1 998-2 001.

[4]陈怡,赵建伟,叶文婧,等.大功率LED隧道智能照明控制系统设计[J].科技视界,2013(26):37,39.

[5]刘松荣,赵卫斌,史玲娜,等.基于质量提升的隧道照明节能设计研究[J].地下空间与工程学报.2020,16 (Z1):396-402.

[6]季佳俊,三车道大断面公路隧道照明节能参数优化研究[D].重庆:重庆交通大学,2012.

[7]许景峰,宗德新,胡英奎.天然光光纤照明系统在隧道照明中的应用[J].照明工程学报,2012(1):30-35.

[9]包谋多.基于安全与节能的公路隧道太阳光直接照明技术应用研究[D].重庆:重庆交通大学,2023.

基金资助:中央引导地方科技发展专项“广西智慧道路机电系统新技术综合平台建设”(编号:桂科ZY20111015);

文章来源:白谋,凌晔华,赵希逸,等.基于光纤引光照明的低功耗隧道调光系统研究[J].西部交通科技,2024,(10):91-94.