公路隧道门槛区增强照明太阳能光纤照明系统设计——以中国华树岩隧道为例

抽象的

本文讨论了太阳能光纤照明系统的原理，结构组合物，材料和特性。考虑驾驶员视觉自适应的亮度变化的隧道照明的分析，确定了公路隧道不同区域的不同亮度要求。拍摄于中国内蒙古呼和浩特的G109高速公路的Huashuyan隧道作为案例研究，制作了公路隧道阈值区增强照明的太阳能光纤照明系统设计。通过计算表示，太阳能光纤增强型照明的设计长度与隧道的设计速度，纵向斜率和开销距离有关，并且太阳能光纤增强型照明的设计亮度与隧道外的亮度有关，设计速度和隧道的设计交通流量。基于现场实验，制造了华云山隧道太阳能光纤照明系统的亮度分析。此外，通过Dialux软件的3D照度模拟结果表明，即使不考虑LED照明的贡献，华宇山隧道的太阳能光纤照明系统仍然很好地满足了增强的照明需求。

1.介绍

作为一种自然光引导系统，太阳能光纤照明可以传输自然光线，并基于由玻璃或塑料等各种材料制成的纤维中光的总反射原理进行照明，这可以引入自然或人工的光光源进入光纤，并通过光纤的传输在光线需求方面进行光再分配。自20世纪60年代以来，太阳能光纤照明系统越来越受到了自20世纪60年代的特点，以自20世纪60年代以自20世纪60年代的特点为自然光源的绿色光源[1］.中国在20世纪70年代末开始小规模光纤照明的研究和发展[2］.目前，光纤照明技术已被广泛促进，并在博物馆，医院，住宅，办公楼和地下地点的功能照明中得到了实际应用[3.- - - - - -7］.

然而，它很少在隧道照明中使用，主要是由于光纤照明和传统照明系统之间的光学性质具有相当大的可变性以及隧道和其他普通建筑物之间的功能照明要求的巨大差异。因此，用于隧道照明的光纤照明系统的设计方法不能复制普通建筑物的传统照明和光纤照明，也不能直接应用于隧道照明。截至2012年底，中国建造了8000多条公路隧道，曾在中国建成了超过一万公里。随着公路隧道施工的增加，隧道照明的功耗也显着增加。因此，在安全驾驶和舒适的照明条件下节省照明功耗，它变得非常重要。通过全国节能减排政策，太阳能光纤照明系统已成为现代节能照明的重要组成部分，也将成为隧道照明的新方式，阳光使用，省电，安全和健康，灵活的设计，几乎没有电源隐患，光源热，和电磁干扰。

Due to the special tubular structure of tunnel and the limitation of human’s visually self-accommodating physiological function for luminance change, extreme luminance contrast will occur when the car driver is driving into or pulled out of the tunnel in the daytime, generally visually causing “black hole phenomenon” or “white hole phenomenon,” which would bring great threats to the driving safety. Therefore, reinforcing lighting was needed as well in the threshold and exit zone of highway tunnels in addition to the basic lighting, making drivers’ eyes accommodate the abrupt changes of luminance from outside tunnel into the tunnel. Basic lighting system, powered by conventional power or PV and wind power generation systems, is generally installed inside along the whole tunnel and required for nonstop working day and night to guarantee the basic luminance in the tunnel. Unlike basic lighting, enhanced lighting system is installed in tunnel threshold zone generally as a supplementary lighting. According to “Specifications for Design of Ventilation and Lighting of Highway Tunnel of China (JTJ026.1-1999)”, lights need distributed installation in accordance with a certain luminance gradient in highway tunnel [8］.增强照明的设计亮度随着恒定值之外的隧道之外的阳光亮度而变化。通常，增强的照明在闭环自适应控制中，根据隧道之外的阳光亮度，分为四个等级（阳光明媚，多云，阴云密布和沉重的阴性）。然而，由于在使用过程中的遥控器中的隧道等隧道中的局限性的限制，许多增强型照明系统尚未安装在自动控制系统中，这些系统尚未安装在自动控制系统中。为了确保驾驶安全性，夏季阳光亮度的最大参数值通常被考虑，并且采用具有固定亮度的增强照明系统来确保工作可靠性。研究表明，对于长度小于3000米的介质和长隧道，增强照明的功耗约占隧道照明总功耗的50％[9］.隧道长度越短，增强照明的比例越大。因此，目前我国公路隧道增强型照明系统存在着大量的能源浪费。目前，世界上隧道增强照明的方法很多，包括采用光衰减措施，如在隧道入口区两侧种植绿树，在隧道内两侧铺设高反射率材料等[10，11］.上述方法只是通过减少视觉环境的亮度或尽可能改善隧道内部亮度的辅助措施，以减少增强照明系统的电源负担，但不完全解决实际问题。普通太阳能光伏发电系统在家庭和船上的照明系统还有一些研究，但太阳能利用的低效率是推广应用的主要技术瓶颈之一[12- - - - - -14］.

考虑到太阳能光纤照明的特点，随着外部自然光改变与隧道阈值区域中的亮度水平的规则，用外亮度变化调节，光纤照明系统在增强照明中的应用公路隧道可以极大地节省隧道照明和照明设施维护成本的功耗，为隧道照明设计提供了新的思路和方法，进一步扩展了太阳能光纤照明系统的应用范围。但是，有关相关提交的研究尤其是充分考虑了隧道环境问题，对不同区域的公路隧道照明的需求，光源的性能，传输丧失和经济效益[15，16］.因此，基于光纤照明的特点和隧道不同区域的不同亮度需求，为隧道照明发动隧道照明的系统研究是非常必要的，并迫切需要迫切需要探索隧道的新节能方式照明和促进太阳能光纤照明的应用，这将在公路隧道照明的可持续发展中具有重要的理论和实践意义。

2。材料和方法

2.1。太阳能光纤照明的原理和结构组成

太阳能光纤照明系统，主要由导光装置-集热器、光传输装置-光纤、光输出装置-光源组成，通过集热器将太阳光集中，通过光纤或光管传输到需要照明的地方进行漫反射[17］.太阳能光纤照明系统的原理和结构组成显示在图中1和2．

2.2。太阳能光纤照明系统的材料和组件

随着新技术、新材料的发展，太阳能光纤照明系统的传输效率逐渐提高。有许多不同类型的光纤照明系统。在我们的研究中，用于隧道照明的太阳能光纤照明系统的材料和组件如下。

（1）光导装置的光浓缩方式．导光装置通过透镜折射将光线集中，利用凸透镜或菲涅耳透镜将阳光聚焦在透镜的焦点上，通过光纤输入终端的精确定位，提高光纤的传输效率。

（2）光导装置的操作模式．光集热器的运行方式采用主动导光装置，即安装太阳能光跟踪传感器、控制器及相关的机械传动装置，使集热器聚焦于太阳，获得更高的太阳能光效率。这也是目前大多数太阳能光纤照明系统所采用的工作模式。

(3)光纤材料．目前使用最多的光纤有石英纤维、塑料纤维和多组分玻璃纤维，也有液芯纤维、中空纤维等。不同种类的光纤有各自的特点。石英光纤的传输效率最高，光损耗达到0.01 dB/m，在长距离传输方面具有很大优势，但成本相对较高。塑料纤维和玻璃纤维的光损耗相对较大，为0.15/m dB，在光传输距离上有一定的限制。但塑料纤维很容易制成大直径的传输光束，以获得更大的光通量和高的集中率，现在有了广泛的应用[18］.我们在研究中选择了石英光纤。

（4）光输出装置的发光方式．具有端发光的光纤用于本研究中的隧道太阳能光纤系统。类似于传统的照明装置，通过光源发射的光在传递到一定位置之后与光纤的端部连接。

2.3。太阳能光纤照明系统的特性分析

作为一种新型照明系统，太阳能光纤照明系统具有一些优势，即传统的照明系统无法匹配，而实际应用中仍然存在一些瓶颈，如表所示1．

在此基础上对其特征进行分析(表1）可以看出，当前的太阳能光学照明系统适用于具有短传输距离和小照明区域的相对较小的地方;此外，它可以广泛应用于寒冷和潮湿的甚至是易燃和爆炸性的特殊场所，这符合隧道增强照明在阈值区内的要求。

2.4。隧道照明的特点分析

亮度分布不合理会引起人眼视觉不适和能见度降低，或空间或时间内亮度反差过大称为眩光。而在白天，尤其是在阳光非常强烈的夏天中午，隧道内外的亮度对比非常大。当车辆接近隧道阈值时，光线强度突然下降，如果隧道照明不足，驾驶员在视觉上会出现眩光和黑洞现象。因此，为了在视觉上适应隧道内外亮度的快速变化，可以将长隧道分为5个照明区域:入口区、阈值区、过渡区、内部区和出口区，如图所示3.．不同地区的亮度要求取决于视觉现象。

Enhanced lighting system needs to be installed in tunnel threshold or exit zone to make the high luminance outside the tunnel gradually decreased to the low luminance level inside the tunnel, which would make good luminance transition and improve the visual environment in the tunnel through making driver’s eyes adapt to the light intensity changes from outside to inside the tunnel and eliminate the driving safety hidden troubles visually.

2.5。公路隧道太阳能光纤照明系统设计

公路隧道用太阳能光纤照明通过导光装置提供增强照明，收集太阳光并通过光纤传输到光输出装置的反射面板上，如图所示4．

结果

通过分析太阳能光纤照明系统的特点和隧道照明的照明要求，隧道门限区的位置具有利用阳光的天然优势。太阳能光纤照明系统很好地符合隧道阈值区路面亮度随隧道外亮度变化的规律，节约了相当大的照明能耗，在公路隧道增强照明中具有一定的可行性。

在本文中，我们在中国内蒙古呼和浩特的G109高速公路举办了华武岩隧道，作为案例研究，其中属于轻松区II的地区，具有区域年平均水平的照明根据“建筑物（GB 50033-2013）和太阳能相对丰富的灯光设计标准”[19，20.］.隧道采用双车道单向流量设计，交通量超过700卷/小时。隧道的设计速度为60 km / h，阈值区的设计纵向斜率为2％。

３.１.花树岩隧道门限区设计长度计算

根据《公路隧道通风照明设计规范》，隧道阈值区距离可按以下公式计算: 在哪里为阈值区域的长度，停下来的视线距离远吗是隧道的开销间隙。

停止瞄准距离与隧道设计速度和纵向坡度有关，如表2．华云山隧道的设计速度为60 km / h，纵向斜坡在2％的阈值区，顶部间隙为7.2米。因此，根据上述公式，可以获得隧道的阈值区的设计长度，例如30.55μm。

3.2。华士燕隧道阈值区的设计亮度计算

由于隧道照明的高要求，尤其是阈值区域中的路面亮度作为隧道照明中的最高亮度，因此可以根据隧道之外的亮度计算阈值区域中的太阳能光纤增强型照明的设计亮度，车辆的设计速度和设计交通流量，如下公式所示： 在哪里是阈值区的亮度，是减少系数，如表所示3.， 和（)是隧道外的光亮。

因为本研究中的花树岩隧道为双车道单向通行，设计交通量 v/h and the design speed of 60 km/h, the reduction coefficient为0.022。在4月的阳光灿烂的日子，隧道外部的亮度平均为3794勒克斯平均。因此，隧道阈值区域中的设计亮度应至少根据计算至少为83.47勒克斯。

3.3。华沙隧道太阳能光纤照明系统的设计增强灯光

太阳能光纤照明系统包括太阳光收集器、用于光传输的石英光纤和光纤辐照器。阳光收集器用于阳光大师系列(330DS型，直径530毫米)的基础套，包括亚克力屏蔽、捕光器和圆形棱镜扩散器。

根据上面的计算长度的阈值区的静音区的设计长度，华士燕隧道太阳能光纤照明系统的总长度为30米，设计亮度设定为83.47勒克斯。确定光学引导装置的数量以隧道，隧道的宽度和高度以及外面的环境因子确定。安装了总共5个灯管，太阳能光纤照射器距离隧道入口10米，间隔5米到内部隧道，如图所示5- - - - - -8．

3.4。华沙隧道太阳能光纤照明系统的亮度分析增强照明

在4月6日至4月10日连续5天从6:30到16:30开始每小时每小时进行一次亮度实验。基于呼和浩特春季阳光明媚，阴天条件，在隧道中央线中的LED照明的平均亮度效果比较隧道中央线路的亮度9．它可以在图中看到9白天隧道阈值区域中的太阳光纤照明的平均亮度为181.31cd / m²最低限度，这可以符合83.47镉/米的基本设计需求²［21］.

利用DIALux软件进行了亮度模拟，分析了太阳能光纤照明系统在华树岩隧道增强型照明中的可行性。亮度模拟基于晴天天气条件，室外平均亮度为45000 lux。花树岩隧道太阳能光纤照明系统照度与比例为1:51的等照度分布图如图所示10和表4．

华山隧道太阳能光纤照明系统的3D照明仿真显示在图中11．在照明仿真分析中，我们将封闭的空间作为仿真环境，而不考虑在外面的自然光线和LED照明内部的影响。根据“公路隧道通风和照明设计规范”，从模拟中可以看出，即使没有考虑LED照明的贡献，华沙隧道太阳能光纤照明系统的照明设计仍然达到了增强的照明需求并验证了公路隧道的可行性。

3.5。光纤传输效率的计算

我们使用石英多模光纤直径为1毫米的研究，可见光透明传输，在可见区域中衰减为20dB / km，实现了光纤照明在200米范围内的实际应用。可以根据以下公式计算传输效率和光纤长度之间的关系，并且可以如表所示获得不同长度的光纤的传输效率5和图12： 在哪里为光纤的长度。

可以获得不同长度的光纤的传输效率，如表所示5．

从图中可以看出12隧道阈值区域中光纤照明系统的传输损耗仅为12.9％，这表明在30米的阈值区中施加的太阳能光纤照明对于华山隧道的增强照明在光线方面是非常可行的能量损失。

4。结论

（)作为环保、节能的照明系统,太阳能光纤照明系统很适当地应用于相对较小的地方传输距离较短和小照明区域,这是好符合要求的增强阈值区公路隧道照明。

（隧道阈值区域中的光纤系统的设计长度与隧道的设计速度，纵向斜率和开销间隙有关。木山隧道光纤系统的设计长度计算为30米。

（“公路隧道阈值区域的增强照明的亮度要求与隧道外部外部的亮度有关，设计速度和隧道的设计交通流量有关。根据计算，华云山隧道阈值区的设计亮度至少为83.47勒克斯。

（考虑到隧道的方向，隧道的宽度和高度以及外面的环境因素来确定太阳能光纤照明系统的光学引导装置的数量。Huashuyan隧道共安装了共5个灯管。

（）白天华云山隧道阈值区的太阳能光纤照明的平均亮度为181.31cd / m²至少，这符合83.47镉/米的基本设计需求²通过现场亮度实验和分析。

（)通过DIALux软件的三维照度仿真结果，华树岩隧道太阳能光纤照明系统的照度很好地满足了增强的照明需求，验证了即使不考虑LED照明的贡献，其在公路隧道中的可行性。

（)经计算，光纤照明系统在华树岩隧道阈值区传输损耗仅为12.9%，证明太阳能光纤照明应用于华树岩隧道30 m阈值区增强照明是完全可行的。

因此，通过提高隧道照明质量，节约电能和环保，证明了太阳能光纤照明技术在隧道增强照明中具有良好的应用前景。

利益冲突

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

该研究工作得到了中国国家自然科学基金的支持，否则否则。51108216和中央大学的基本研究资金没有。2015JBM067和否。2015RC023。作者非常感谢匿名评论者的有用评论和批评。

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