高速公路隧道照明设计与研究论文（硕论） .pdf

摘要 随着我国山区高速公路的快速建设和发展 隧道工程在公路工程建设中所占的比例 越来越大 与此同时 隧道照明系统的设计和维护也变得越来越重要 良好的隧道照明 设计就是考虑隧道长度 路面类型 公路线型 内饰 有无人行道 设计时速 交通量 和汽车种类等相关因素 进行隧道光源光色 灯具选择 灯具排列布置 合理的诱导照 明设计及照明控制设计 达到满足驾驶员交通安全的视觉信息采集 提高驾驶的安全性 和舒适感 并最终达到降低运营成本的目的 本论文从人眼的视觉特点出发 分析了驾驶员驾车接近 进入并通过隧道的过程中 其视觉遇到的一系列特殊问题 详细介绍了隧道照明系统的组成及各组成系统的设计要 点 通过对照明灯具性能的分析比较 探讨了灯具的合理选择及隧道照明灯具布置方案 并对照明控制 照明维护以及照明节能设计的方法等进行了比较深入的研究 在隧道诱 导照明设计的研究中 大胆的提出了将太阳能光伏技术和s u n f o r 型稀土超长余辉蓄光 发光粉用于隧道诱导照明设计的想法 本论文以秦岭终南山高速公路隧道为依托 通过对其照明设计 现场采集的照明数 据及隧道照明效果调研的分析 对研究理论进行了验证 并对其设计的合理性进行了探 讨 本论文吸收并消化了国内外很多学者专家在隧道照明系统领域所取得的成果 吸取 了他们的好经验 新思想 本论文的研究 可为公路隧道照明设计 施工单位及科学研 究提供理论借鉴 同时对驾驶员和交通管理单位也具有一定的参考价值 关键词 公路隧道 照明设计 诱导照明 照明控制 系统维护 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d c o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yi nm o u n t a i n o u s a r e a p r o p o r t i o no ft h et u n n e lp r o j e c t i nh i g h w a ye n g i n e e r i n ga n dc o n s t r u c t i o ni s i n c r e a s i n g m e a n w h i l e t u n n e ll i g h t i n gs y s t e md e s i g na n dm a i n t e n a n c ea l s ob e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t g o o dt u n n e ll i g h t i n gd e s i g ns h o u l dc o n s i d e rt u n n e ll e n g t h p a v e m e n tt y p e s l i n e s h a p eo fh i g h w a y i n t e r i o rd e c o r a t i o n s i d e w a l k d e s i g n i n gs p e e d t r a f f i cv o l u m ea n dv e h i c l e t y p e s e t c c h o o s ec o r r e c ti l l u m i n a n t c o l o u r a n dt y l so fl a m p s a r r a n g ep o s i t i o no fl a m p s a n dd e s i g nt h el i g h t i n gi n d u c t i o na n dl i g h t i n gc o n t r o l i no r d e rt op r o v i d en e c e s s a r yv i s u a l i n f o r m a t i o nf o rd r i v e r s i m p r o v es 嘶a n dc o m f o r t i na d d i t i o n t h eo p e r a t i o nc o s t sc a nb e r e d u c e d a c c o r d d i n gt ot h ev i s u a lc h a r a c t e r i s t i c so fp e o p l e t h i sp a p e ra n a l y z e das e r i e so fs p e c i a l v i s u a lp r o b l e m sw h i c ho c c u ri nt h ew h o l ep r o c e s so f a p p r o a c h i n ga n de n t e r i n gat u n n e l t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h ec o m p o s i t i o no ft u n n e ll i g h t i n gs y s t e ma n dd e t a i l e dd e s i g n i n gp o i n t s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo fl a m p s t h er e a s o n a b l et y p e sa n dp o s i t i o no f l a m p s w e r ed i s c u s s e d f u r t h e rr e s e a r c ho nl i g h t i n g c o n t r o l l i g h t i n gm a i n t e n a n c ea n de n e r g y c o n s e r v a t i o nd e s i g nh a sb ef i n i s h e d i nt u n n e li n d u c t i o nl i g h t i n gd e s i g n a ni n n o v a t i v eo p i n i o n o fu s i n gt h es o l a rp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g ya n ds u n f o rr a r e e a r t hi l l u m i n a n tp o w d e rw h i c h c a ns t o r et h el i g h tf o ra l o n gt i m ew e r ep r o p o s e d t h i sp a p e rt o o kq i n l i n gz h o n g n a nm o u n t a i nh i g h w a yt u n n e lf o re x a m p l e v e r i f i e dt h e t h e o r ys t u d i e d a n dd i s c u s s e dt h er a t i o n a l i 够o fd e s i g nb ym e a n so ft h ea n a l y s i so fl i g h t i n g d e s i g n l i g h t i n gd a t ac o l l e c t e da n dt u n n e ll i g h t i n ge f f e c t t h i sp a p e ru s e dm u c ha c h i e v e m e n t s g o o de x p e r i e n c ea n dn e wi d e a sf o rr e f e r e n c et h a t o b t a i n e db yd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sa n de x p e r t si nt u n n e ll i g h t i n gs y s t e mf i e l d t h i s p a p e rp r o v i d e dt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rh i g h w a yt u n n e ll i g h t i n gd e s i g n c o n s t r u c t i o na n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h a l s oi ti su s e f u lf o rd r i v e r sa n dd e p a r t m e n to ft r a f f i cm a n a g e m e n t k e y sw o r d s h i g h w a yt u n n e l l i g h t i n gd e s i g n i n d u c t i o nl i g h t i n g l i g h t i n gc o n t r o l s y s t e mm a i n t e n a n c e 长安大学硕士学位论文 选题背景及研究意义 第一章绪论 随着我国经济的迅速发展和社会的不断发展壮大 高等级公路逐年增多 而且公路 建设已逐步从平原地区 经济相对发达地区转向山区和经济欠发达地区 为了克服地形 限制与高程障碍 改变线型 缩短公路里程 提高道路服务水平 公路隧道方案已被广 泛采用 成为山岭区高速公路重要组成部分之一 并且随着设计水平的提高及施工技术 的发展 今后高速公路隧道建设将向更长 更大的趋势发展 公路隧道是一种特殊的管状构造物 与普通路段环境相比具有 隧道内外亮度反差 大 空气质量差 能见度较低 侧向净宽较小且高度有限 没有扩展活动的余地和噪声 高等特点 再加上车流辆的日益增加 高等级公路的优越性被大大减弱 交通问题突显 行车速度降低 通行能力受限 交通安全性能无法保障 交通能耗 交通事故发生率成 倍增加 因此 要保障行车安全 并且使驾驶员行驶在隧道的时候能有比较舒适的视觉 环境 公路隧道应安装照明系统 为了使我国公路隧道照明的设计和施工有一个统一的 可以参照执行的标准 我国在2 0 0 0 年6 月颁布了 公路隧道通风照明设计规范 j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 1 2 国内外研究情况及发展趋势 1 2 1 国外研究概况 对公路隧道照明设计的研究国外开始于2 0 世纪5 0 年代 相比我国较早 而且历 经较长时间的研究和发展 技术已相对完善 例如 建于2 0 世纪6 0 年代的法 意两国 间的长为1 1 6 k m 的m o n tb l a n c 隧道 它的照明设计就已经实现了根据交通量的变化来 进行调光的做法 为规范隧道照明的设计和施工 降低交通事故的发生率 8 0 年代以后 各个国家陆续颁布了隧道照明设计规范 1 9 8 2 年c i e 国际照明委员会 制定的 c i e n o 3 0 2 1 9 9 8 标准在当时被广泛认可 在接下来的1 9 9 0 年和1 9 9 5 年这个标准分别被 做了修订 与此同时 世界各国也随即执行了各自的标准 如日本1 9 9 0 年出版的 隧 道照明指南 1 9 9 7 年的e u r o s t d 欧洲隧道照明标准 等 这些发达国家的照明技 术及照明理论相对我们国家来说比较完善 因而已形成规范性的标准 l 除此之外 国外许多国家对隧道照明灯具也做了比较深入的研究 而且成立了研究 第一章绪论 中心 建立了试验中心 并普遍使用计算机辅助制造技术 c a m 和计算机辅助设计 c a d 这两项比较先进的技术来支持他们的研究 例如 瑞士已研究出了多种隧道照 明灯具 隧道光源选择高压钠灯 很多隧道洞口段采用逆光照明配光方案 欧美发达国 家在关于灯具的光学特性 使用材料 功能结构和外观质量的研究上取得了比较大的成 果 另外 为了迎合人们对公路隧道灯具造型和质量要求逐渐加强的需求 国外在公路 隧道灯具的结构和外壳材料 外观质量 灯具功能 密封材料 反射器材料 灯具和隧 道的匹配 灯具的光学特性等方面也做了大量的研究 因此 这些国家生产出来的灯具 不仅光效高而且造型美观 质量轻 互换性好 这对提高公路隧道照明质量 保证行车 安全性和舒适性起了非常大的作用 隧道照明控制技术的研究也是许多发达国家的研究重点 隧道照明控制以前大多采 用逻辑分组控制的方式 而现在的研究倾向于根据隧道内交通量的大小 车速 天气状 况等因素的网络智能控制技术的研究 1 2 2 国内研究概况 相比国外许多国家 对公路隧道照明技术的研究我国开始的比较晚 经验及基础性 的工作缺乏 在很长一段时间内 我国公路隧道照明设计规范一直处于空缺状态 公 路隧道设计规范 j t j0 2 6 9 0 是2 0 0 0 年以前我国隧道照明系统设计主要参照的标准 然而该规范很不完善 对我国隧道照明设计的指导性不足 2 随着我国公路建设的突飞猛进 隧道通车里程也随之增加 这就亟待一套比较完善 的公路隧道设计规范问世 于是 2 0 0 0 年1 月 一本 公路隧道通风照明设计规范 j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 被颁布了 该规范主要涉及照明系统构成 隧道各照明段的长度和亮 度的确定 隧道照明调光 洞外亮度要求 减光措施 照明纵向均匀度和总均匀度的设 计 灯具布置方案 光源分级 照度与亮度计算方法等方面的内容 自此 我国公路隧 道的照明设计才有了可以参照的设计标准 2 但是 因为我国对隧道照明技术研究的时间较短 对驾驶员的视觉生理和驾驶行为 研究甚少 而且我国高速公路建设集中于最近的十几年中 大量的隧道建设是在经验和 研究支撑不足的情况下建成的 导致很多问题的发生 1 我国公路隧道照明主要存在以下几方面的问题 1 多数隧道入口段都是采用3 排甚至4 排的灯具布置方式 灯具的初次投资费用 相对较高 2 长安大学硕士学位论文 2 在隧道的实际运营中 为了节约电能 多数隧道运营管理部门通常只开启二分 之一或四分之一的灯具 有的甚至不开灯 3 虽然 公路隧道通风照明设计规范 j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 中明确规定 长度超过 1 0 0 米的隧道都需设照明系统 但是很多已经运营的长度在6 0 0 米以内的隧都没有设置 照明 3 1 4 公路隧道通风照明设计规范 j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 及很多的地方性隧道照明设计 文件都给出了将照明分级进行控制的规定 比如按冬天 夏天 白天 夜间 阴雨天 晴天的6 级控制方式 但是能够按照规定做的隧道非常少 2 问题根源分析 1 洞外基础亮度l 2 0 的综合研究不够 洞外基础亮度l 2 0 是影响隧道照明设计非常关键的参数 它的确定需要在隧道照明 设计前进行现场测试 而且需要测试不同天气 不同季节 不同时段的基础亮度 3 1 但 是因为各种原因 多数公路隧道在照明设计前都没有对洞外基础亮度l 2 0 做过现场测试 2 照明用电量大 费用高 高速公路隧道在投入运营以后 公路隧道的通风及照明电费是一笔非常大的开支 比如 秦岭终南山公路隧道每月风机与照明电费高达2 0 0 万元以上 这无疑是隧道管理 部门一笔庞大的经济负担 3 未进行洞外减光设计 关于隧道洞外的减光措施 公路隧道通风照明设计规范 0 2 6 1 1 9 9 9 提出了 采取洞口两侧植树 大幅度的坡面 变化洞门的结构形式 设置遮光棚 采用冷色调的 洞门材料等方法 而在设计时 许多隧道照明设计却未考虑减光措施 有些隧道虽然采 取了洞口两侧或上部植树的减光措施 但并没有把它对基础亮度的影响进行量化分析 目前我国公路隧道建设仍在以飞快的速度发展 而照明技术研究进程相对缓慢 因 此 隧道照明设计技术的研究应该引起专家学者们的足够重视 1 2 3 发展趋势 我国关于隧道照明设计的研究 目前主要涉及三个重点方向 1 新型光源 随着新型照明光源在隧道照明中推广应用的增多 对隧道照明标准的研究和修改迫 在眉睫 目前 我国很多学者及相关研究机构已开始这方面的工作 3 第一章绪论 2 智能控制 以实时环境照度 交通流量为基础的自动无级调光智能控制系统逐渐成为隧道照明 控制系统发展的主流 3 绿色照明 由于隧道运营成本的居高不下 以前的公路隧道的照明系统已经被愈来愈多的运营 单位逐步改造 向着更加节能 环保的方向发展 1 3 本文研究的内容及目的 现行的 公路隧道通风照明设计规范 j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 针对高速公路 一级和二级 公路隧道的照明提供了一定的设计依据 而且 针对中短公路隧道的照明 也已有很多 学者进行过相关的研究 但是 相对于近几年高速公路的快速发展 高速公路隧道照明 研究仍比较滞后 在高速公路隧道照明的工程实践中 仍会暴露一些问题 特别是针对 特长高速公路隧道照明设计我国还没有比较完善的可以参考的设计指南和多少可以借 鉴的工程实例 所以 对高速公路隧道照明研究需要进一步深入 特长高速公路隧道照 明设计存在问题也亟待解决 针对以上存在的问题 本文主要从隧道照明体系的视觉特点 公路隧道照明系统组 成为出发点 通过对高速公路隧道照明设计分析 尤其是对秦岭终南山特长公路隧道照 明现状及照明效果的分析研究 找出其存在的问题 并总结经验 希望能为今后公路隧 道照明系统设计及科学研究提供理论借鉴 同时也希望能对施工单位 交通管理部门 驾驶员具有一定的参考作用 4 长安大学硕上学位论文 第二章高速公路隧道照明系统研究 2 1 高速公路隧道照明视觉特点 公路隧道照明和一般道路照明不同 它需要充分考虑人眼睛的适应性问题 要将必 要的视觉信息传递给驾驶员 人眼睛的适应可分为明适应和暗适应两种 当人从比较明 亮的地方进入相对较暗的地方时 必须经过一段时间的适应之后才可以逐渐看清楚周围 的环境情况 这个过程称为暗适应 反之 当人从黑暗的环境进入明亮的环境时 开始 会感到刺眼 但过一会就可恢复正常 这个过程称为亮适应 从眼睛构造可知 适应过 程与人眼睛中的杆状细胞和锥状细胞有关 锥状细胞对光的感受性较低 它在亮度水平 大于3 c d m 2 的时起主要作用 这种视觉状态称为明视觉 而杆状细胞对光的感受性很高 它在亮度水平小于0 0 0 1 c d m 2 的时被主要激活 这种视觉状态称为暗视觉 4 1 9 2 4 年 国际照明委员会 简称c i e 基于人眼对各种波长入光的相对灵敏度 制 定了光谱光视效率函数 可参见图2 1 从图中可以看出明视觉光谱光视效率函数v 九 其最大值在5 5 5 n m 处 暗视觉光谱光视效率函数v 九 其最大值在5 0 7 n m 处 4 1 螂 揎 呶 粗 露 颧 米 3 8 04 6 05 4 06 2 07 0 0 波长入 n m 图2 1 明视觉和暗视觉的光谱光效率曲线图 图片来源 太阳能光伏照明光源手册 明适应和暗适应所需要的适应时间依据具体情况有所不同 经历暗适应时 眼睛从 明到暗 开始时灵敏度很低 以后慢慢增加 最后才能达到稳定和清晰 在暗适应的整 5 第二章高速公路隧道照明系统研究 个过程中 最初5 分钟视觉灵敏度变化非常快 以后逐渐变缓慢 但是要达到完全适应 一般需要2 5 3 0 分钟左右的时间 而明适应过程相对较短 一般大约需要1 分钟左右的 时间 白天驾驶员驾车驶入隧道时 会有一个暗适应过程 驶离隧道时会有一个明适应 过程 这些适应过程都存在交通隐患 因此 在隧道照明设计的时候 需要进行过渡区 段及过渡区段的照明设计 应该在隧道入口处做一段合适的明暗过渡照明 以满足驾驶 员眼睛适应问题 保证驾驶的安全要求 隧道出口段由于适应时间比较较短 可作简单 处理 对于隧道内部 也需要有合适的照度 才可以使驾驶员看清楚内部道路情况 以 保证驾驶的安全性 与行驶在一般道路不同 当司机驾车在接近隧道前 进入隧道时 通过隧道的整个 过程中 其视觉都会有一系列的变化 1 司机白天驾车进入隧道前遇到的 黑洞 或 黑框 现象 如果隧道照明不足的话 那么在白天从隧道外部去看隧道入口处 对于长隧道会看 到一个 黑洞 而对于短隧道会看到一个 黑框 这是因为隧道内和隧道外存在极大 的亮度差异 l 2 司机白天驾车进入隧道后出现的 适应滞后 现象 前文已经分析过 白天司机驾车驶入隧道时 因为急剧的亮度变化 司机会有一个 暗适应过程 也就是说进入隧道后需要经过一段时间才能对隧道内部的情况有所分辨 我们把这种现象叫做 适应滞后 l 3 行驶在隧道内部出现的问题 因为隧道是一个封闭的构造物 因此当汽车行驶在隧道内部时 排出的废气将不能 迅速消散 形成的烟雾会把汽车灯的灯光和隧道照明器发出的光吸收并散射 而出现光 幕 隧道内的能见度也会随之降低 4 接近隧道出口处遇到的 亮洞 或 黑洞 问题 白天 隧道内部的亮度低于隧道外部 因此 出口看上去是个 亮洞 眩光现象 比较严重 这会使司机的眼睛感到很不舒服 而夜间隧道内部的亮度比隧道外部高 因 此 隧道出口看到的将是一个 黑洞 这会影响司机对外部道路的线型和路上的障碍 物的分辨 5 1 6 长安大学硕士学位论文 已 二二 2 图2 2 隧道出口的 亮洞一 图片来源 作者拍摄 5 隧道内的亮度频闪效应 为了使隧道内亮度分布均匀 隧道照明灯具需要按合适的间距布置 不然则会引起 隧道内亮度的明暗交替问题 当车辆行驶在这种隧道中时 频率与车速成正比的明暗相 间的闪光脉冲 会对驾驶员视觉产生干扰 闪烁频率如果为2 5 1 5 h z 时 会出现不舒 适感觉 如果为6 8 h z 时 会出现较严重的烦躁感 6 1 2 2 高速公路隧道照明系统组成 不同的照明区段 照明控制 辅助照明和应急照明 洞外引道照明共同组成了隧道 的照明系统网 2 2 1 高速公路隧道照明区段的划分 按长度公路隧道可划分为特长隧道 长隧道 中隧道及短隧道 各类隧道的长度定 义见下表 表2 1 隧道按长度分类标准 隧道分类特长隧道长隧道中隧道短隧道 隧道长度 m l 3 0 0 03 0 0 0 l 1 0 0 0 1 0 0 0 l 2 5 0 l 2 5 0 数据来源 公路隧道通风照明设计规范 j t j 0 2 6 1 一1 9 9 9 长及特长公路隧道照明可划分为接近段 入口段 过渡段 中间段和出口段五个区 段 2 1 可参照图2 3 7 第二章高速公路隧道照明系统研究 鼍 勺 3 越 懈安 i l 2 m s l 2 0 a 洞口 适应曲线 l t h t d l t r l 江 h r 2 i h r 3 七一 l i n 一 图2 3 各照明区段亮度与长度 图片来源 公路隧道通风照明设计规范 j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 1 接近段 在公路隧道各照明区段中 隧道入口前的一段道路称为接近段 其长度与该隧道的 限定车速有关 一般为l o o m 左右 亮度通常为自然的野外亮度 其实际值需要进行调 查和实际测量 这段道路的自然亮度对确定入口段 过渡段乃至中间段的亮度和照明造 价都有非常大的影响 如能采取措施降低接近段的亮度 对降低整个隧道的照明造价能 起到很大的作用 一般情况下接近段的亮度为3 0 0 0 6 0 0 0 c d m 2 1 引 2 入口段 接近段之后的一段距离 其作用是进入隧道后 驾驶员能很快适应并消除 黑洞 现象 为使驾驶员保持良好的视觉状态 确保行车安全 该区段需要相对较高的亮度 此亮度是隧道外亮度k o 的函数 入口段亮度可按下式计算 k k t a o s 2 1 公式中 l t h 表示入口段亮度 k 表示入口段亮度折减系数 k 的取值可参见表2 2 8 长安大学硕士学位论文 表2 2 亮度折减系数k 取值表 k 设计交通量 辆 h 设计行车速度 双车道单双车道双 1 0 08 06 04 0 向交通向交通 2 4 0 0 1 3 0 00 0 4 50 0 3 50 0 2 2o 0 1 2 7 0 0 2 4 0 0 辆 h双车道单向交通n 6 7 0 0 辆 h k m h 双车道双向交通n 1 3 0 0 辆 h双车道双向交通n 3 6 0 辆 h 1 0 0 9 o4 8 04 52 6 02 51 5 4 01 51 5 数据来源 1 5 瞬时 m 频闪效应不明显明显明显明显明显不明显 表面亮度大小较大较大较大大 电压变化对光通 大较大较大大 大 大 影响 耐震性能较差较好好较好较好好 镇流器漏磁变 所需附件无震流器震流器需恒流源 启辉器压器 电感式镇流器 电子式镇流器 数据来源 太阳能光伏照明光源手册 1 4 长安大学硕士学位论文 从以上分析可以看出 公路隧道照明光源宜选择高压钠灯 l e d 无极荧光灯也 是未来隧道照明光源的选择方向 但是有关技术还有待进一步研究 除此之外 太阳能 及太阳能智能l e d 在隧道照明工程中的应用也已经引起了相关研究人员的关注 并在 实际工程中已经开始尝试应用 而且已有比较成功的案例 比如承德市韩郭线小梁东隧 道太阳能隧道照明系统 它是目前太阳能隧道照明系统在国内规模最大的一项工程 我 国首座公路隧道太阳能智能l e d 照明实验工程一 公路隧道太阳能照明系统研究 它 是交通部西部交通建设科技支持项目 由吉林省公路管理局和吉林省交通科学研究所共 同承担 虽然目前太阳能隧道照明系统在隧道照明工程中的应用还比较少 但这些成功 的案例带给研究者们非常大的启示 为他们的研究提供了新的思路和方向 1 2 1 3 2 高速公路隧道照明灯具布置 按照现行设计规范 隧道内照明灯具可采用 中线 和 双侧壁对称或交错 两 种布置方式 如图3 1 所示 拱顶侧偏单光带 布置 即灯具安装在隧道拱顶从隧道中 心线对应位置向右侧偏离一定距离处 是 中线 布置的变形型式 在能满足照明设计 亮度的情况下 是目前较为提倡的一种布灯方式 设计应对 拱顶侧偏单光带 和 双 侧壁对称或交错 两种灯具布置方式 并结合项目的实际情况进行综合比选 选择实用 合理 经济的灯具布置方案 圭兰兰j 裳 罡二二二习箍 车三 裟 图3 1 灯具布置方式 图片来源 作者自绘 当单洞二车道隧道中间段设计亮度 t 3 0c a m 2 或单洞三车道隧道中间段设计亮度 2 5c d m 2 时 基本照明灯具宜采用 拱顶侧偏单光带 布置方式 否则 基本照明灯 具宜采用 双侧壁对称或交错 布置方式 2 1 过渡段 出口段加强照明灯具宜优先采用与基本照明灯具相同的布置方式 当基本 照明灯具采用 拱顶侧偏单光带 布置时 若过渡段 出口段加强照明灯具按 拱顶侧 1 5 第三章高速公路隧道照明设计研究 偏单光带 布置无法满足照明亮度要求时 过渡段 出口段的加强照明灯具也可采用 双 侧壁对称或交错 的布置方式 当基本照明灯具采用 拱项侧偏单光带 布置 且入口 段加强照明灯具也按 拱顶侧偏单光带 布置能够满足照明亮度要求时 入口段加强照 明灯具可采用 拱顶侧偏单光带 方式 否则 入口段加强照明灯具应采用 双侧壁对 称或交错 的布置方式 当隧道照明灯具采用 拱顶侧偏单光带 布置时 灯具可直接 安装在隧道拱项 灯具在拱顶的布置应注意与射流风机 车道指示器等的协调 对于曲线隧道 采用双侧布灯时宜采用对称布灯方式 采用单光带布置时宜沿曲线 外侧布置 3 3 高速公路隧道诱导照明及疏散指示设计 良好的诱导照明设计能够使道路走向 界限 交叉点及特殊地点清晰可见 对行车 安全至关重要 因此 进行高速公路隧道诱导照明设计就显得尤为重要 诱导性通常包 括视线诱导和光学诱导 它通过各种诱导标志及照明设施实现 可对交通安全起作用 3 3 1 视线诱导 道路视线诱导标志属于道路辅助设施 比如像路缘 路面中心线 路面两侧的标志 或标线走向 护栏等都属于视线诱导标志 它的作用是诱导司机的视线 使司机明确自 身所处位置和道路前方的走向 它一般是根据特定的需要设在某一路段 高速公路隧道内也需要合理的设置视线诱导标志 但是 由于隧道内的的光线较暗 要使驾驶员能清楚的识别诱导标志 必须有足够的照明 隧道的轮廓 标线走向 护栏 及隧道内墙面等设施都可以起到视线诱导的作用 在隧道入口处可以装设有显明颜色的 逆反射材料 在夜晚的时候 通过车灯照射就可以激发出有颜色的一块块光亮标 其诱 导性良好 能够使隧道洞口轮廓线分明 可以指引司机正确驾驶 3 3 2 光学诱导 光学诱导是借助照明光源和照明灯具等设施起作用的 比如灯杆和灯具的排列 不 同的灯具样式 灯光颜色或不同的光强度等 他们的合理布置可以指示司机在较远距离 处注意到线形变化和危险性的路段 1 4 1 在隧道内的特殊场合 诸如紧急停车带 方向转 换场等 照明灯具在排列 光色 光强以及设置的方位和间隔的变化 都会有效地起到 光学诱导作用 灯具在整体上的布局对于光学诱导性十分重要 如果照明设施设置不合 理 则可能会误导司机的视线 1 6 长安大学硕士学位论文 视线诱导和光学诱导对于公路隧道诱导照明都非常重要 在公路隧道照明设计时应 进行合理的诱导照明设计 而且道路诱导照明设施不仅应该发挥光学诱导作用 而且也 应该发挥视线诱导的作用 3 3 3 高速公路隧道诱导照明设计 1 l e d 隧道诱导系统 l e d 隧道诱导系统可为行驶在隧道内的车辆提供主动式安全行驶诱导 安装在隧道 两侧的l e d 诱导系统可有效地改善隧道路面的视觉光度效果 提高司机对隧道路面的辨 别能力 从而保障车辆行驶安全 l e d 自发光式道路诱导系统 它的可视距离远 清晰 安全系数高 能在隧道中及危险路段起到很好的安全警示作用 保证有良好的视觉效果 可给司机提供黑暗隧道内 清晰的道路路沿轮廓的信息 确保车辆快速安全通行 2 反光道钉 反光道钉又叫突起路标 是一种交通安全设施 可粘贴或锚固在路面上 规格一般 为l o o m m x l o o m m x 2 0 m m 高度不超过2 5 m m 1 5 1 它的形式很多 按照材质可以分为 铸铝道钉 塑料道钉 陶瓷道钉 玻璃球道钉 反光珠道钉 分2 1 珠和4 3 珠 可以合 并到铸铝和塑料道钉里面 按照功能可以分为 普通道钉 太阳能道钉 隧道有线 道钉 无线道钉 根据反光面数可以分为 单面和双面两种 为了提供良好的可视性 反光道钉上表面设计为大面积立方棱镜式反光片 如图3 2 所示 在隧道诱导照明设计时可以将其安装在道路的标线中间或双黄线中间 通过其逆 反射性可以明确的指示道路的线性方向 清晰的辨别隧道轮廓线 提醒司机按车道行驶 从而起到良好的诱导效果 图3 2 反光道钉 图片来源 应急照明设计指南 3 轮廓标 轮廓标是一种逆反射性能的交通安全设施 在隧道诱导照明设计时可以将其沿道路 两侧边缘设置 用于指示道路前进方向 可起到诱导驾驶员向正确方向行车的作用 根 1 7 第三章高速公路隧道照明设计研究 据其附着方式 f i 同可分为柱式轮廓标和附着式轮廓标 1 4 柱式轮廓标由柱体和反射材料组成 柱体为圆角的三角断面 顶部斜向行车道 轮 廓标的柱身为白色 在柱体上部应有2 5 0 m m 长的一圈黑色标记 黑色标记的中间设有 1 8 0 m m 4 0 m m 的逆反射材料 逆反射材料不易脱落 附着式轮廓标一般附着于护栏上 它由逆反射材料 支架和连接件组成 其逆反射 材料形状为梯形 通过支架固定在护栏与连接螺栓中 安装时 逆反射表面与道路中线 垂直 附着于侧墙上的轮廓标有长方形 圆形和梯形三种形状 在直线路段上 其设置 间隔为一般为5 0 m 在圆曲线路段及缓和曲线路段上 它的设置间距应相应减少 轮廓 标的标准设置高度为一般为7 0 c m 最小设置高度不能小于6 0 c m 最大设置高度不大于 1 2 0 c m 由于公路隧道属于封闭空间 交通空间有限 空气不易流通 反光的轮廓标 在隧 道内很快就会因空气油污 而失去反光效果 因此 建议使用隧道光电轮廓标 它能清 晰地勾画出了道路的轮廓 一个控制系统有效控制半径大于5 0 0 0 米 所有轮廓标可以 实现常亮或同步闪烁 它采用了丰动发光与被动发光相结合的方式 其具有更好的诱导 效果 图3 3 隧道光电轮廓标 图片来源 应急照明设计指南 4 太阳能隧道诱导系统 太阳能是一种高效 清洁 取之不竭 用之不尽的新能源 当前 各个国家都把太 阳能资源的利用作为可持续发展战略的一项重要内容 太阳能光伏发电技术是对太阳能资源有效利用的一种方式 它是将太阳光辐射能经 过光伏效应 再通过太阳能电池转换为电能的一种新型发电技术 这项技术如今己在农 业 林业 牧业 医疗卫牛 文化教育 交通运输 气象 通讯事业 家庭电源等各个 领域都有所应用 16 1 太阳能光伏电池方阵 蓄电池组 系统控制器及柴油发电机共同组成了太阳能光伏 1 8 长安大学硕士学位论文 电源系统 太阳能光伏电池方阵是太阳能照明系统的输入 为整个系统提供照明和控制 所需电能 蓄电池组是太阳能照明子系统的储能部分 在白天日照充足条件下 太阳能 光伏电池方阵将所接收的光能转换为电能用作照明 并经充电电路对蓄电池充电 天黑 后 太阳能电池停止工作 再转由己充电的蓄电池工作 如果出现连续阴雨天而无日照 的情况下 可启动柴油发电机给系统紧急供电 这样的设计可适应不同气候条件下的各 种情况 用于交通诱导系统的太阳能交通安全设施主要包括太阳能突起路标 太阳能标志 太阳能黄闪灯 太阳能信号 微光照明灯等 1 7 1 太阳能光伏发电技术在交通运输业的应用 主要是城市道路 高速公路隧道外的道 路部分 将该技术应用隧道照明及隧道诱导照明的还比较少 这是因为隧道是一个封闭 环境 无法直接接收太阳光照 从理论上来讲似乎难以实现 但是在实际应用中 可以 将太阳能光伏电池方阵设置在隧道外光照充足处 通过架空电缆线送到隧道配电箱的方 法达到太阳能光伏发电技术在隧道中的应用 然而 将太阳能光伏发电技术应用隧道诱导照明系统也只适合于中短隧道 这是因 为长及特长隧道传输线路较长 会造成系统传输线路承载过大电流 压降变大 线路衰 耗增大的问题 同时 在较大线路压降的情况下 长距离端用电设施的工作电压会处在 低电压状态 甚至会造成无法正常工作的情况 因此 太阳能光伏发电技术应用于长及 特长隧道诱导照明系统还有待于专家学者的进一步研究 5 s u n f o r 型稀土超长余辉蓄光发光粉 s u n f o r 型稀土超长余辉蓄光发光粉是四川新力光源有限公司研发的一种新型发光 材料 它的工作原理是稀土离子4 f 5 d 层的电子在紫外线的照射下 产生电子能级的跃 迁 主激活剂在基态能级产生的空穴受热释放给价带 被其激活剂俘获 在紫外线激活 停止后 共激活剂所接受的空穴受热后被重新激活 并释放给价带 被主激活剂重新俘 获 空穴的再次结合发生 就会引起余辉 由于共激活剂的存在起到缓释作用 因而产 生长效的余辉 1 8 1 该新型发光材料已经被制作成s u n f o r 型稀土超长余辉蓄光发光地名牌 用于不同 地点的地名标识 s u n f o r 型稀土超长余辉蓄光自发光学校 办公大楼 医院等标识产品 s u n f o r 型稀土超长余辉蓄光发光消防安全疏散标志标识 并广泛用于各种建筑作为安全 疏散指示牌 s u n f o r 型稀土超长余辉蓄光发光产品的性能及特点如下 1 9 第三章高速公路隧道照明设计研究 1 可高度吸收可见光 在吸收可见光5 1 0 分钟后 于暗处可持续发光l o 小时 以上 2 发光初始亮度高 余辉时间长 3 节能环保 无需电源 无毒 无放射性 化学性能稳定 4 安装简单 维护方便 形式新颖 安全系数高 5 使用寿命长 成本低 虽然 在高速公路隧道诱导照明中还没有应用s u n f o r 型稀土超长余辉蓄光发光产 品的先例 但从该产品的性能来看 用于隧道诱导照明也是有很大的可行性 建议设计 者在高速公路隧道诱导照明设计时可尝试使用该产品 除上述所讲的隧道诱导照明设计外 还可以使用下面的方法获得良好的隧道诱导照 明效果 1 通过对隧道不同区段处采用不同颜色的光源进行照明 可使隧道内道路照明 起到道路指示的作用 2 对于隧道内的灯具 可以在不同区段选择不同的灯具或对灯具安装不同的高 度 这也能起到良好的诱导作用 3 4 高速公路隧道照明的调光与控制设计 3 4 1 照明调光 应根据洞外亮度和交通量变化及时地分级调整隧道内各照明区段的亮度 隧道照明 调光原则上按晴天 云天 阴天 重阴 夜间和下半夜分为六档控制 对于加强照明灯 具布置数量较少的隧道 可根据实际情况适当减少调光级数 9 3 4 2 照明控制 隧道照明亮度决定于行车速度 洞外亮度及通行交通量 而洞外亮度在一年中的不 同季节 一天中的不同时段 不同的天气情况下是不同的 因此 在进行照明设计时要 充分考虑这些因素 隧道照明控制就是根据行车速度 洞外亮度及通行交通量的不同 根据需要开启或关闭一定数量的照明灯具 使其既能保证隧道内正常的行车亮度需要 还要达到节约能源 降低运营成本的目的 陕西省交通运输厅2 0 0 9 年颁布的 陕西省高速公路隧道照明系统设计指导意见 中也规定 所有设置电光照明的隧道 含短隧道 均应设置智能化隧道照明控制系统 长安大学硕士学位论文 并利用隧道监控信息及火灾报警信息 根据不同工况对照明系统实施智能控制 以实现 最大限度地节能运行 所谓智能化隧道照明控制系统就是对于照明回路的各个开关采取 分别控制的方式 以满足隧道不同照明区段 不同时间及不同天气条下的照明亮度要求 这种控制方式不仅能满足隧道的照明亮度要求 还可以节省能源 体现了节能 环保的 设计要求 1 9 1 1 照明控制方式 隧道照明控制方式包括实时控制 时序控制和手动控制三种方式 2 0 1 1 实时控制 是根据隧道洞外 洞内设置的亮度检测器和车辆检测器的检测值 包括洞内外亮度 行车时速 交通流量等参数的实测值 通过计算机系统对这些实测值 分析对比后 由照明控制器自动控制各个照明回路的开关 实时调节洞内的照明系统 使洞内的照明亮度与外界自然光的亮度相适应 以使驾驶员能够适应隧道内外亮度的差 异 这种方式是隧道照明控制最为有效的一种方式 既可以满足行车安全的需要 又能 达到节约能源的目的 2 时序控制 是事先对隧道洞内外的亮度值按年 月 周 日进行实测 然后将 这些实测值编制成程序 并输进计算机 以这些值为参照依据由计算机自动调节控制洞 内照明灯具 这种控制方法用于决策控制的参数是历史统计数据 没有结合实际天气的 瞬时变化 存在比较大的误差 有时会出现电能浪费或照明亮度不足等问题 所以这种 时序控制是在亮度检测系统或实时控制程序出现故障时才转入执行的控制方案 采用时 序控制方式时 照明控制系统应具有远程修改时序设置的功能 3 手动控制 隧道照明控制系统还应设置手动控制功能 它是由人工根据不同的 时段以及天气变化情况 而开关不同的照明配电回路 它的启用一般是在遇到火灾等紧 急情况或遇到自动控制出现故障或检修等特殊情况时 通过隧道管理站或上一级管理机 构远程手动遥控 或者在隧道变电所 站 进行现场手动控制 手动控制方式一般用于 公路等级较低 隧道长度较短 照明级别相对较少的隧道照明系统 隧道照明控制流程如图3 4 所示 2 1 第三章高速公路隧道照明设计研究 图3 4 隧道照明控制流程图 图片来源 作者自绘 2 控制原理 隧道照明控制的原理是通过分别设置在隧道内及隧道外的照度检测仪 对隧道洞口 内外的亮度值实现自动检测 然后再结合车流量 车速等其它信息 实现出入口附近的 加强段和适应段的亮度的分级控制 使入口段有适合的亮度 满足驾驶员对隧道内外的 亮度变化的适应 实现安全舒适驾驶的要求 3 控制回路 对于分回路照明供配电和控制的隧道 照明控制应做到对每个照明供电回路均可单 独地进行控制 这些照明供配电回路的控制组合应尽可能形成多种照明组合控制方案 灵活地实现对隧道照明的控制 以利于节能 4 照明控制系统 隧道照明控制系统由照明灯具 光亮度检测器 隧道照明控制屏 隧道区域控制器 计算机 配电柜等构成 隧道光亮度检测器两个为一组 一个设置在隧道口内 另一个设置在洞外 洞外光 度计测量隧道入口范围的亮度 测量范围为o 6 0 0 0 c d m 2 洞内光度计安装在距离隧 道洞口约2 0 m 处 用来测量隧道引入段的亮度 测量范围为o 3 0 0 c d m 2 1 9 1 长安大学硕士学位论文 5 照明控制软件 1 高速公路隧道照明控制软件应能同时满足实时控制 时序控制和手动控制三种 控制方式的功能需求 设置有亮度检测器 车辆检测器的隧道 在正常情况时应根据隧 道洞外亮度 交通量 运行车速等实时自动控制隧道照明亮度 在亮度 车辆检测系统 或实时控制程序出现故障时可快速切换到时序控制方式运行 紧急情况或遇到自动控制 出现故障 检修等特殊情况时 控制软件应能从自动控制模式快速切换到人工手动控制 模式 2 隧道照明控制软件应尽可能提供更多的合理可行实用的照明组合控制方案 增 加照明自动控制级数 在保证行车安全和不影响通行能力的前提下 尽可能节约隧道运 营电费 3 隧道照明控制软件应可靠 实用 便于操作和维护 满足运营节能要求 3 4 3 照明控制存在问题 目前 隧道照明控制主要存在以下两个问题 1 现有的照明设计基本都考虑了光源衰减 乘了0 6 0 7 的系数 故目前的控制方 式的电能浪费比较大 根据规范要求 隧道照明设计要按入口段 过渡段 中间段和出 口段四个照明段分别考虑进行设计 各区段的灯具功率及灯具分布密度是从全年洞外最 大亮度值和最大行车速度为依据来确定的 对于诸如车流量 天气等参数的设计也是按 最大值考虑的 所以 各区段照明亮度总是处于最大值状态 这直接导致隧道照明系统 非常大的电能浪费问题 2 隧道内光源损坏及更换是难免的 而现在国内隧道大多都采用非红外线摄像头 如果隧道内出现照明不足问题 则无法实现有效监控 再加上对隧道监控或配电设施的 检查采用的是定期与不定期结合的方式 无法保证将正确的光源状态反馈给维护管理人 员 因此也就不知道照度是否满足要求 这既不利于行车安全 又加大了工作量与维护 时间 最终导致管理成本的增加 3 4 4 照明控制节能设计方法 1 改进分时段间隔照明的控制模式 虽然 公路隧道通风照明设计规范 j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 陕西省高速公路隧道照明 系统设计指导意见 中都明确规定隧道照明应按照晴天 云天 阴天 重阴 夜间和下 半夜六级供电控制模式进行控制 但在实际操作中一般隧道照明供电控制经常采用白天 2 3 第三章高速公路隧道照明设计研究 和夜间两级供电控制模式 而这种传统控制模式存在较为严重的电能浪费问题 改进是 非常必要的 设计者可以根据实际的工程情况采用多级照明控制模式 如白天 傍晚 夜间三级控制模式 照明灯具对应的开启全部 开启一半 开启1 3 这样不仅能满足 不同时段交通量照明的要求 还节约了电能 高速公路隧道的运营成本随之也会降低 2 采取