照明卫士灭隧道杀手

何禄诚 汪小淙

至今难忘去年第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛的比赛现场，当我们北京工业大学“照明卫士”团队的最终得分翻过“金奖”评分线那一刻，我作为团队负责人激动得热泪盈眶。我们这个研究隧道照明技术的团队终于从“机器人”“无人机”等高新技术密集的死亡之组杀出了重围，实现了北京市属高校在该项赛事中金奖零的突破。

看清隧道里的光

经常开车的人一定有过这样的体验，开车驶入隧道或从较长的隧道驶出时，尤其是大晴天，眼前会呈现瞬间的全黑或全白，完全不能看清楚车辆前面的情况，需要集中精神迅速调整驾驶状态，以适应新的光照环境。在隧道照明专业研究中，我们把这种情况称为“黑洞”“白洞”效应。除此之外，我们可能还会遇到“频闪”以及“炫光”的情况，“频闪”是由于灯具布灯间距不合理、亮度不均匀，在路面形成明暗交替条纹，在动态驾驶过程中形成视觉中忽亮忽暗的现象;“眩光”则是因为隧道灯具亮度过大、光束角选择不合理，导致射入人眼中的光线过强，影响了驾驶员安全视认。

生活中我们可能不太会在意这种偶尔不适的驾驶体验，但据世界卫生组织统计，每年约有135万人死于道路交通事故，而隧道又是道路交通安全中的瓶颈路段，全球范围内62%的隧道事故与“白洞”“黑洞”以及“频闪”“眩光”这些照明光环境质量问题密切相关。

此外，隧道照明的能耗也很惊人，隧道路段是高速公路唯一具有电力供应路段，仅我国每年隧道照明耗电量就高达35亿度，相当于480万人一年的用电量。

无论是隧道照明环境“杀手”，还是照明电量“吞金兽”，说到核心问题，都是灯具和控制系统技术落后造成的，所以隧道照明，远不是给隧道装上灯这么简单。

点亮智慧的“光”

如果驾车途经延崇高速妫水河隧道，驾驶员就会有完全不同的驾驶体验。延崇高速公路延伸至妫水河岸，开始下穿河道形成隧道，这条隧道结构全长2044米，隧道内平整的路面，清晰的交通指示线，蓝白配色的墙体，在有序排列的灯光映照之下，给人明亮、时尚之感。驱车穿行，驾驶员不仅不会因隧道内外光线变化影响视线，舒适畅快的驾驶体验反而让人惊呼有“‘穿越的感觉！”

这里就是被“照明卫士”守护的隧道——在隧道的入口段以及过渡段均采用了我们团队研发的照明卫士隧道智慧照明系统。

2017年，带着改善我国隧道运行光环境质量安全的梦想，基于北京工业大学胡江碧教授团队已有的一系列照明光环境研究成果，我们参与到项目团队中，投入了运用“云-边-端”技术探索研发照明卫士-隧道智慧照明系统的实践中。

之所以说“照明卫士”是“智慧”的，是因为它综合运用了最新的5G无线传输和工业互联网技术，实现了隧道本地化自动监测、调控和远程操控、巡检、数据分析等相结合的动态、精准、智慧化隧道照明调控目标。“照明卫士”不仅仅是一盏灯、一种灯，而是一整套包括隧道照明灯具、照明质量监控、自适应调控、无监督式运行、无接触式超远调控等从灯具、监测、调控、反馈形成完整闭环的软硬件系统。

有了“照明卫士”，隧道洞内外的亮度和色温就能实现友好耦合。所谓“友好耦合”通俗地说就是让隧道内外的光环境的亮度、色温之间的差距缩小，实现自然的过渡和衔接，这样才能使驾驶员在驾驶汽车高速驶入隧道的瞬间，可以始终清晰地辨认前方的行车环境，从而保障安全行驶。

生活中我们可能不太会在意这种偶尔不适的驾驶体验，但据世界卫生组织统计，每年约有135万人死于道路交通事故，而隧道又是道路交通安全中的瓶颈路段，全球范围内62%的隧道事故与“白洞”“黑洞”以及“频闪”“眩光”这些照明光环境质量问题密切相关。

实现“友好耦合”也不容易，因为隧道外的自然光照并不是一成不变的，亮度色温的实时变化都要求隧道内的照明也随之做出及时的调整。在“照明卫士”系统中，有一个子部件叫作洞外亮度色温探测仪，它负责实时检测采集洞外光环境数据，之后“照明卫士”便可以根据采集到的数据，通过分析，实时调整隧道内的光照，从而与之匹配。

其实，隧道内外光环境“友好耦合”的数据并不是让隧道内外拥有一模一样的色温和亮度，隧道内灯具应该具有的亮度色温值是我们课题组多年来对駕驶员穿越隧道时的生理和心理进行反复实验研究后，通过统计计算才得到的结果。

在此基础上研发的“照明卫士”，不仅守护隧道，有效避免了“黑洞”“白洞”“频闪”“炫光”等隧道“杀手”的出现，还在驾驶员驾驶视认功效不降低、保证运行安全的前提下，降低了隧道照明耗电量和运营费用，减少灯具更换、维修频次，降低施工风险和施工费用等，很好地解决了隧道照明能耗与隧道安全之间的矛盾。

够“亮”是远远不够的

隧道照明长期以来采用的都是家居室内照明标准，即国际照明协会CIE标准，设计与评价的关键指标只有亮度这一个，缺乏针对公路隧道特殊的运行环境和驾驶员驾驶视认需求的专业标准。

2017年，带着改善我国隧道运行光环境质量安全的梦想，基于北京工业大学胡江碧教授团队已有的一系列照明光环境研究成果，我们参与到项目团队中，投入了运用“云-边-端”技术探索研发照明卫士-隧道智慧照明系统的实践中。

我们研究发现，由于驾驶员是在高速行驶状态下，视野随着行驶速度的增加而变窄，对障碍物的视认需求更高，隧道封闭的几何结构环境，会给驾驶员增加心理压力，更容易误断、操作失误而形成事故。加之隧道出入口段洞内外光环境急剧变化，造成视觉盲区，危险性大，因此，隧道特殊场景下的照明指标标准亟待研究，这也是我们团队攻关的重要方向之一。

国际上隧道照明研究均基于人眼的视觉变化特性进行探索，通过提高亮度指标以提高视认功效，而亮度和隧道耗电量直接相关，因此造成隧道照明能耗特别大。

胡江碧教授的研究团队首先从光环境质量评价最基本的三要素——亮度、色溫、显色指数出发，通过大量的文献查阅与分析，搭建了模拟的隧道环境，邀请了大量驾驶员进行了静态条件下，不同亮度、色温和显色指数光环境指标的驾驶员视认规律研究，得到了驾驶员驾驶视认的初步变化规律，发现色温和显色指数对驾驶员视认功效具有显著影响。最后，基于真实的隧道照明环境再次搭建试验场景，通过调整不同的亮度和色温组合，邀请驾驶员在动态驾驶状态下对目标物进行视认，初步得到了真实场景下的亮度、色温照明指标标准体系。

隧道之旅一万公里

记得2015年9月初，经过与贵州省毕节至生机高速公路建设指挥部的协调沟通，胡教授为项目组争取到了通车前40天的时间进行现场隧道照明光环境测试的机会，全体成员紧急待命，对试验方案、仪器、设备等所有物资进行了检查测试，确保第一时间赶赴现场进行试验。

9月23日接到通知后，团队迅速赶赴工地现场，经全线考察最终选定海子街隧道作为测试地点。该处隧道海拔较高，周围无明显障碍物遮挡，白天太阳无遮挡，自然光的变化规律显著;方圆十公里荒无人烟，夜晚村庄的灯光不影响隧道照明，人工照明环境模拟条件好，是极佳的试验场地。

15年来，研究团队50多名师生的研究足迹遍布全国20多个省市，穿过1000余条隧道，试验研究所走过的高速公路行程达1万多公里。项目团队干过最硬的饭，住过最简易的棚，见过最漆黑的夜……

贵州的秋天乍暖还寒，白天晴空万里，鲜花开满山坡，而晚上由于海子街隧道所处的海拔接近3000m，隧道洞口寒风刺骨，温度接近零摄氏度。团队成员为了抢时间，吃住均在隧道内，白天顶着巨大的太阳，夜晚迎着凛冽寒风，一遍又一遍地进行测试，饿了就啃面包，困了就和衣而睡，分成两个小组轮流值班，身体实在撑不住了就下山去调整一下，确保试验不中断。

一天晚上气温较低，天气预报有霜冻，入夜后我们都感觉特别寒冷，平时穿的棉袄都抵挡不住，手脚麻木活动不便。试验数据一直在正常记录着，突然，成像亮度计死机了，我们断电后再重启仍然没有反应，检查了所有接口也都一切正常，时间一点点过去，仍未找到原因。深夜气温骤降，路面都已经起了一层薄薄的冰霜，大家也开始烦躁不安，空气都感觉凝冻了，我突然意识到可能是因为今晚的最低气温超出了成像亮度计的工作温度范围，我赶紧找出说明书，上面的最低工作温度为-10℃，我立刻脱下棉袄把成像亮度计包裹好，放进车内并让师傅打开空调，过了一会儿再按开机键，果然能重新启动了。为了防止大家冻伤，我通知所有人都躲进车内开启空调，大家紧紧地挤在一起等着天亮，就这样度过了最冷的一夜。

在经过近一个月的连续测试，我们采集了大量的数据，圆满完成了本次试验。我们下山后的第一件事情就是找了一家饭店，吃了十几斤肉，把饭店的所有米饭都吃光了，那是我们这一个月来吃的最香最饱的一顿饭啊。我开玩笑和大家说，这下大家都免费减掉十几斤的肉了，效果很显著啊。

为建立科学的、权威的、具有法律效力的行业标准，研究需要大量的试验数据做支撑并经过示范工程的反复验证，15年来，研究团队50多名师生的研究足迹遍布全国20多个省市，穿过1000余条隧道，试验研究所走过的高速公路行程达1万多公里。项目团队干过最硬的饭，住过最简易的棚，见过最漆黑的夜……

最终，基于驾驶员的光生物效应、视觉特性需求和生理心理变化规律，在国际上首先建立了亮度色温双指标的隧道照明指标标准，颠覆了传统的亮度单指标评价体系，在行业内形成巨大反响，并率先成为贵州省的地方隧道照明标准。

135条隧道被照亮

在隧道照明亮度色温双指标体系建立以后，如何在工程中应用科研成果，实现自动化、智慧化调控，仍面临诸多挑战。

首先是照明灯具的设计，我们不具备灯具设计和研发的相关经验，通过胡教授与行业内多家灯具生产厂家接触，最终选定了一家灯具厂商进行联合研发，我们提出相应的需求，他们依托已有的技术实力进行共同研究。市场上现有的照明灯具要么没有变色温功能，要么不能实现无极色温变化，要么达不到工程级使用要求。经过大家不断探讨，最终确定在一个芯片上同时嵌入黄色和白色两个灯珠来模拟色温的变化，但在研发过程中发现，要实现3500K-6500K色温的无级变化，功率也需要进行调整，虽然在实验室可以实现，但在工程中却需要按照最高功率配置隧道内的管线、变电站等配套设施，将极大增加照明系统的造价。最终经过反复测试，通过在灯具芯片上嵌入相应的模拟程序，我们实现了额定功率下的无级变色温技术。

其次是控制器的研发，现有控制器功能简单，故障率高，不能分线路调控，我们测试了十几种市场上的调光控制器，最终选了一种性能稳定的控制器生成厂家，按照隧道照明特殊的控制需求，对其进行了改造升级。

最后是整个系统的搭建、软件算法和调光控制策略的实现。我们团队成员均为交通和土木专业出身，胡教授又为我们找到了专门从事智慧交通的高级工程师，综合进行智慧系统的开发，对整个系统架构、调控界面、软件算法、调控测量等方面进行了总体设计。同时需要考虑如何接入现有的高速公路调控系统，经过3年多的不断研发，总算在实验室搭建了隧道智慧照明系统，在示范工程中进行应用后，发现亮度和色温的变化与预期差异性仍较大，最后通过对实际隧道的光环境进行量测后，再次对模型进行修正，终于实现了在真正隧道工程环境中的远程化、智慧化、自动化调控的目标。

在隧道照明亮度色温双指标体系建立以后，如何在工程中应用科研成果，实现自动化、智慧化调控，仍面临诸多挑战。

随着应用的隧道越来越多，经过不断测试调整，“照明卫士”系统也越来越完善，行业内的影响力也越来越大。研究成果荣获陕西省科学技术奖一等奖、中国交通运输协会一等奖、中国智能交通协会科学技术奖一等奖、中国公路学会科学技术奖三等奖4项行业大奖，已授权2项欧美专利、9项国内发明专利、3项软件著作权，相关研究成果已经纳入了贵州省地方标准和行业团体标准，产品与技术于2016年进入了交通运输部的科技成果推广目录。

我们的团队成员仍经常到全国各地的隧道洞口采集洞内外亮度色温数据。

目前照明系统已在全国135座特长和长隧道中进行了应用，如北京广渠路东延隧道、延崇高速妫水河隧道等，前文提到过的妫水河隧道因其所处的延崇高速是2019年世园会园区道路和2022年冬奥会赛场联络通道，故该隧道的运营安全及节能环保问题颇受社会各界关注。“照明卫士”系统在这里安装使用之后，隧道管理单位反映，该隧道照明能耗同比下降了20%左右。隧道开通运行至今不仅未发生一起因照明问题引起的交通事故，隧道灯具的检修与清洗频率也大大降低。同样地，大力加山特长隧道及华丽高速营盘山隧道等地区，我们的“照明卫士”系统也都运行良好，安全可靠，每年节省的运营成本已超一千万元。

现在，我们的团队成员仍经常到全国各地的隧道洞口采集洞内外亮度色温数据，我们还要深入科研，帮助“照明卫士”建立更加精确的调光控制系统，为它日后的应用、推广和发展打好今天的基础。

责任编辑：马春梅