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1、高速公路隧 道智 慧 照 明 節 能 研 究C O N T E N T S目靈12研究背景研究過程研究成果應用成效0 1研究背景(一)高速公路隧道基本情況(二)隧道照明基本情況(三)隧道照明關鍵點研究背景(一)高速公路隧道基本情況國家高速公路網布局方案截止2 0 2 2 年底全國高速公路通車里程是1 7.7 萬公里全國公路隧道總里程超2 2 萬公里研究背景(一)高速公路隧道基本情況福建省高速公路規劃示意圖(2 0 2 1-2 0 3 5)福建“八山一水一分田”全省高速通車里程6 1 6 8 公里隧道1 6 0 8 座總長2 1 7 0.4 7 6 公里 占全省通車里程3 5.1 9%特長隧道：2、1 7 4 座 7 5 1.9 6 8 公里長隧道：5 2 8 座 9 4 3.2 8 1 公里中隧道：4 4 0 座 3 2 1.2 9 9 公里短隧道：4 6 6 座1 5 3.9 2 8 公里研究背景(二)福建高速隧道照明基本情況燈具類型近8 0?道使用高壓鈉燈控燈方式均為P L C 開關控制主要采用時序調節亮燈數量動力費用動力費用年均隧道動力費用近3 億元研究背景(三)隧道照明關鍵點0 1亮度問題0 2均勻度問題0 3運維問題入口處需麗“黑洞”現象產生視覺盲區出口處紫羽“白洞”影響駕駛易形成“斑馬紋”成本高安全性低0 2研究過程(一)傳統照明方式分析(二)L E D 燈具與鈉燈對比(三3、)節能研究理論應用研究過程(一)傳統照明方式分析照明能耗大早期建設主要使用高壓鈉燈，功率大設計冗余，造成能源浪費控制不智能主要采用時序控制，不夠智能缺少對隧道環境參數的采集燈具壽命短燈具長期滿負荷全開，降低使用壽命燈具更換不方便，成本高研究過程(二)L E D 燈具與鈉燈對比燈具總效率對照光源種類光源光效L E D1 0 0 l m/W高壓鈉燈1 1 0 I m/W電源效率8 5%8 5%燈具效率9 0%5 5%壽 命5 0 0 0 0 小時1 5 0 0 0 小時各種光源燈具的實際效率L E D 燈：1 0 0 x 0.8 5 x 0.9 0=7 6.5 l m/W高壓鈉燈：1 1 0 x 4、0 8 5 x 0.5 5=5 1.4 l m/WL E D 燈具實際效率是高壓鈉燈的1.5 倍，在達到相同照明要求的條件下，L E D 燈與常規燈具中實際效率最高鈉燈之間等效比可換算為：1 0 0 W L E D 燈相當于1 5 0 W 鈉燈1 5 0 W L E D 燈相當于2 5 0 W 鈉燈研究過程(二)L E D 燈具與鈉燈對比燈具使用成本分析表對比項目(周期5 萬小時，單盞對比內容光源功率高壓鈉燈2 5 0 WL E D 燈1 5 0 W使用期耗電成本整燈功率2 9 0 W1 7 0 W總耗電量0.2 9 x 1 2 x 3 0 x 1 2x 5=6 2 6 4 度0.1 7 x 5、1 2 x 3 0 x 12 x 5=3 6 7 2 度節電量2 4 小時/天0 度5 1 8 4 度光源使用壽命1.5 萬小時5 萬小時電源使用壽命1.5 萬小時3 萬小時L E D 更明亮傳統的高壓鈉燈發出的是“橙色”的光，而L E D 燈具的白色光源更加明亮，隧道內部光線也更加柔和均勻，照明效率也更高。L E D 更智能L E D 燈具支持無極或分級調光，隧道照明實現智能化管理，可根據時段、洞外亮度、交通流量智能調節燈具照度。L E D 更節能L E D 燈具輔助較好的按需照明控制手段，可以大幅度減少隧道照明用電，實現綠色智慧照明的目標。0 3研究成果(一)架構體系(二)回路調光(三)隨6、車調光(四)節能比與車流量研究成果(一)架構體系云高速公路隧道智能調光云控平臺調光控制器邊緣計算網關邊亮度檢測儀雷達車檢器端研究成果(二)回路調光環境變量洞外亮度回路智能調光系統主要根據洞外亮度、交通流量這兩個變量數據，通過集中邊緣控制器的計算分析后，再對隧道燈具進行分級調光或無級調光分級調光集中控制調光無級調光隧道燈具亮度通流量隧道亮度即滿足安全行車的基本要求，又能夠實現綠色節能、降本增效。研究成果(二)回路調光回路調光系統架構F E M S 服務監控中心回路的類型大致可分為入口加強段過渡段基本段控制部分出口段研究成果(二)回路調光智能調光控制器根據所采集的洞外亮度、車輛情況等數據來進行實時7、調光回路調光控制模式時序調光當夜晚洞外光照基本不變的情況下，可根據不同時段交通流大小進行時序調光人工調光當出現應急情況，管理人員可下發“將燈具調整至最大亮度”指令研究成果(二)回路調光節能實測回路調光浦南模式按照回路調光控制模式，以改造完成的浦南線4 6 座隧道為例，抽取2 0 2 2 年1 2 月的用電量數據與改造前數據相對比工程地點取樣時間南平浦南線4 6 座隧道2 0 2 2.1 2.0 1-2 0 2 2.1 2.3 0改造前用電量改造后用電量節約用電量9 3 8 7 2 8.9 6 K W h3 2 5 7 3 8.9 5 K W h6 1 2 9 9 0.0 1 K W h節能比68、 5.3%4 6 座隧道單月累計節約隧道照明用電費用4 0 8 3 5 4.3 8 元研究成果(三)隨車調光研究目的：針對小流量隧道，解決過度照明和無車狀況下的能耗浪費，在保證車輛安全行駛的前提下，最大限度地節約能耗保證在有車時，行駛前方不小于2 0 0 米的照明視距且亮度值滿足設計要求舒適在車流量小于5 0 0 0 輛/天，節能比應大于5 0?上。實現“車來燈亮、車走燈暗、燈隨車行”的照明效果在線監測能自動統計出設備的離線時長和異常時間時長研究成果(三)隨車調光隨車調光系統架構平臺管理層孿生式在線展示公路隧道照明安全與節能系統平臺軟件管理控制燈具狀態在線巡查亮暗時長節能效率本地管理層智能網聯9、邊緣控制主機邊緣計算與本地控制中間層物聯網多模網關藍牙、以太網終端層以太網調光控制器基本型調光控制器雷達型調光控制器燈具狀態監測器照度融合補償控制器洞外亮度檢測器洞內照度檢測器洞口車流量車速檢測設備研究成果(三)隨車調光基本型調光控制器具有2 路P W M 信號輸出端口，可對具備調光功能或色溫調節功能的燈具進行無極調光。單個控制器可控制單個燈具，亦可控制多個燈具，單控制器最大控制距離為6 0 m。雷達調光控制器邊緣計算網關除具有上述基本型控制器 的所有功能外，額外具有車檢、測速的功能。其作為邊緣計算節點，承擔隧道區域內所有感知層的數據匯集，計算分析后，管理所有控制節點命令的下發，進行閉環的本地10、控制。研究成果(三)隨車調光布設方案門架入口1口2過渡1過渡2基本出口1出口2雷達基本網關型及交換說明：1、雷達型安裝到隧道中間位置；2、基本段雷達型按照6 0 米左右安裝；3、入口1 和入口2 分別安裝一套網關型設備，附帶交換機放置在攝像機柜子中。隧道洞口入口外1 0 0 m 安裝兩個雷達調光控制器(一主一備),可在車輛未進洞口時檢測到車輛，實現提前亮燈。隧道內每6 0 m 單側布設一個雷達調光控制器，保證不漏檢車輛。隧道內每6 0 m 單側布設一個基本型調光控制器(兩側燈具則需雙側布設),與雷達調光控制器交錯布設，確保調光的流水線效果。研究成果(三)隨車調光云控平臺實時孿生通過2 D/3 11、D 數字孿生，還原車輛在隧道內行駛過程的燈具亮度變化，為管理人員提供直觀的展示界面。自動對隧道節能效果進行實時分析和設備動態監管，方便管理人員及時調整調光策略和設備維護。研究成果(三)隨車調光調光軟件海度通智慧照明系統口曰福州需田=E研究成果(三)隨車調光研究成果(三)隨車調光節能實測隨車調光按照隨車調光控制模式，以改造完成的莆田岐山隧道A 洞為例，將A、B 兩洞2 0 2 2 年1 2 月的用電量數據相對比(兩洞日均車流量相近)岐山模式工程地點取樣時間莆田岐山隧道2 0 2 2.1 2.0 1-2 0 2 2.1 2.3 0改造前用電量(B 洞)改造后用電量(A 洞)節約用電量1 5 6 412、 7 0.6 9 K W h2 8 8 6 1.9 2 K W h1 2 7 6 0 8.7 7 K W h節能比8 1.6%單洞隧道單月累計節約隧道照明用電費用8 5 0 0 9.0 1 元研究成果(三)隨車調光技術創新0 10 2低帶寬、低功耗物聯網技術實時采集控制在調光控制器之間、車檢傳感器之間，實現低帶寬、低功耗下的藍牙M E S H 組網，形成穩定可靠的通信網絡。隧道內亮度實時反饋機制在公路隧道照明系統中引入各個照明段亮度補償反饋控制機制，避免因蒙塵、光衰、空氣質量等原因造成的隧道亮度不規范。研究成果(三)隨車調光針對潛在的無線通信中斷、設備故障等問題，隨車調光系統在安全性方面具有下13、列保證措施：車輛探測安全冗余通信傳輸安全冗余設備具有自檢功能端側可封閉獨立運行其一是遴選出間距6 0 米的車輛探測器布設方式，至少保證一個照明停車視距內有3 個以上毫米波雷達車輛探測器，連續2 個車輛探測器出現故障后，系統亦政策運行無安全隱患；其二是在照明風險最高的隧道入口處，采用了異構冗余的車輛檢測方式(基于嵌入式道釘形態的地磁傳感技術，毫米波雷達車檢測速技術、機器視覺車檢技術，實現車道級車流、車速、車型精準檢測),消弭漏檢風險。智慧照明系統控制器采用無線藍牙傳輸，在隧道環境夏其廣播有效通訊距離大于2 0 0 米。系統內車輛探測器、照明控制器的按照間距6 0 米布設，當其中連續2-3 個控制14、傳輸節點出現故障時，亦不影響系統通信傳輸安全。設備故障自動中止調光，保證照明安全：當控制設備出現故障時，其控制區段內的照明燈具自動暫停調光，恢復為全亮模式，保證照明安全。確保隧道照明安全：系統采用“云-網-邊-端”工業物聯網架構，當隧道本地與“云”或中心斷網后，隧道本地仍可獨立自動運行，確保隧道照明安全。研究成果(四)節能比與車流量關系的研究上限全部車輛兩兩并排依次緊鄰通過，燈具僅點亮一次節能比對比燈具1 0 0?率工作，每小時因調光造成的節能比率下限車輛全部單車通行，燈具點亮次數與車流量一致車鯛速度為0 i m/隧道A 車B 車t iC 車t iD 車t iE 車t:t:t it it:重復15、觸發時間為t:亮燈延時時長為t 2研究成果(四)節能比與車流量能_ 3 6 0 0-(亮燈時長*亮燈等級+暗燈時長*暗燈等級)*1 0 0%3 6 0 0節能比上限亮燈時長=(車流量-1)*重復觸發時間+亮燈延時時間/2節能比下限亮燈時長=車流量*亮燈延時時間亮燈、暗燈等級有車和無車時控制的燈具亮度等級(1 0?0 0%)重復觸發時間當前車觸發點亮的燈具未變暗時，又被后車重復觸發點亮的間隔時長亮燈延時時間燈具被觸發點亮后，持續點亮的時間研究成果(四)節能比與車流量關系的研究節能比與車流量關系隨著車流量增加，節能效果會下降1 0 0%按照亮燈等級8 0?暗燈等級1 0%每3 輛車存在一次重復觸發16、，重復觸發時間為2 秒計算9 0%8 0%7 0%6 0%節能比5 0%中位節能比4 0%節能比上限3 0%節能比下限2 0%1 0%0%車流量(輛/天)研究成果(四)節能比與車流量結論1.隨車調光模式適用于小流量隧道，隨著隧道流量增大，其節能效果也將逐步降低2.在小流量隧道，隨車調光模式的節能效果更優于回路調光模式3.根據以上公式，可結合各隧道交通數據計算出隨車調光模式在該隧道實施后的理論節能比，經與回路調光節能率相比較后，可為管理者提供調光方案選擇的決策輔助(以浦南線為例，并根據以上節能比關系圖，可初步認為日均交通流量低于7 5 0 0)車次的隧道更適合隨車調光模式業0 4應用成效應用成效安全效益根據洞外亮度智能調節出入口亮度差，降低“黑洞”、“白洞”效應危害，破除潛在的“斑馬紋”、亮度不足風險，為駕乘人員提供安全舒適照明，降低運營方安全責任風險管理效益以軟件平臺實現照明系統可看、可測、可控及在線管控和運維，以預防性養護，降低管理成本、提升管理效率可社會效益以動態精準照明方式，實現了按需照明效果，避免了無效照明、過度照明，是公路建設和運營單位踐行“雙碳”政策的有力舉措經濟效益通過消減無車無人條件下的無效照明，實現真正有效節能有效消減超過設計規范亮度在實際運營中形成的過度照明通過降低光源滿負荷工作時間，延長光源使用壽命，減少燈具更換維護帶來的經濟效益